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      一種錨桿系統(tǒng)損傷位置的確定方法

      文檔序號:6113347閱讀:256來源:國知局
      專利名稱:一種錨桿系統(tǒng)損傷位置的確定方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無損探傷的方法,特別是一種錨桿-圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)確定其損傷位置的無損探傷方法。
      背景技術(shù)
      眾所周知,錨桿-圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的無損探傷首要的任務(wù)就是要確定損傷的位置。當(dāng)錨桿系統(tǒng)出現(xiàn)損傷時(shí),其桿頂測得的速度時(shí)域曲線將發(fā)生突變,即在桿底反射波出現(xiàn)同查或反相的子波峰,目前確定損傷位置的方法通常是通過檢測突變點(diǎn)與入射波波峰之間的時(shí)差或?qū)⑿盘栕儞Q到頻域上,通過檢測頻峰間距來判斷錨桿系統(tǒng)的損傷位置。它們的局限性在于分別只考慮了時(shí)域或頻域的特征,而未能將時(shí)域與頻域結(jié)合起來綜合考慮當(dāng)錨桿出現(xiàn)損傷時(shí)對應(yīng)的信號的奇異性信息。時(shí)域方法無法得知其在頻域的響應(yīng),即不知損傷集中出現(xiàn)在哪個(gè)頻段;而頻域方法只能確定一個(gè)信號奇異性的整體性質(zhì),而難以確定奇異點(diǎn)在空間的位置及分布情況,即不知損傷是在何時(shí)產(chǎn)生的及具體的損傷反射波的相位情況。另外,由于低應(yīng)變動(dòng)測信號較微弱,加上噪聲的影響,信號突變處位置的確定受技術(shù)人員的人為因素影響,很難精確得到受損位置。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的在于提供一種錨桿系統(tǒng)損傷位置的確定方法,它能同時(shí)考慮時(shí)域和頻域的信息,準(zhǔn)確地判斷出錨桿系統(tǒng)受損位置。
      大家明白,信號中的奇異點(diǎn)及不規(guī)則的突變部分經(jīng)常帶有比較重要的信息,它是信號重要的特征之一。錨桿系統(tǒng)的損傷主要表現(xiàn)為砂漿和圍巖對錨桿體錨固的損失或失效,數(shù)學(xué)模型上體現(xiàn)在桿側(cè)等效剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的變化。小波變換能夠通過多尺度分析提取信號的突變點(diǎn)即奇異點(diǎn),本發(fā)明主要利用小波變換的模極大值點(diǎn)與信號奇異點(diǎn)之間的關(guān)系來反映信號局部奇異性特征,從而診斷出錨桿系統(tǒng)損傷位置,這種方法可同時(shí)考慮時(shí)域和頻域的信息。
      本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種錨桿系統(tǒng)損傷位置的確定方法,其特征在于,它采用以下步驟確定A.對所測得的損傷錨桿時(shí)域信號u(s,t)用Daubechies小波系列的db1小波函數(shù)進(jìn)行三層小波包分解,得到各層低頻和高頻系數(shù);B.對所得信號的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值消噪處理;
      C.對經(jīng)過消噪處理的信號的高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu),得到重構(gòu)后的波形圖;D.從重構(gòu)的波形圖中識(shí)別入射波、桿底反射波及信號突變處位置t0、te、ti;E.計(jì)算得到錨桿長度L=C·(te-t0)/2,錨桿損傷位置Li=C·(ti-t0)/2,其中C為波速,C=&rho;/E=5054m/s.]]>本發(fā)明主要利用小波變換能夠通過多尺度分析提取信號的突變點(diǎn)即奇異點(diǎn),其基本原理是當(dāng)信號在奇異點(diǎn)附近的Lipschitz指數(shù)a>0時(shí),其連續(xù)小波變換的模極大值隨尺度的增大而增大;當(dāng)a<0時(shí),則隨尺度的增大而減小。噪聲對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)遠(yuǎn)小于0,而信號邊沿對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)大于或等于0,因此,利用小波變換可以區(qū)分噪聲和信號邊沿,能有效地檢測出信號邊沿是緩變或突變。
      錨桿系統(tǒng)的損傷通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的觀測信號發(fā)生變化,當(dāng)采用一定的措施消除因外界因素造成的噪聲影響,直接利用小波分解變換檢測觀測信號的奇異點(diǎn)就可以檢測出錨桿損傷位置。本發(fā)明是利用小波變換中奇異點(diǎn)與小波變換的模極大值的關(guān)系來確定奇異點(diǎn),小波變換的模極大值都是出現(xiàn)在信號有突變的地方,并且突變點(diǎn)處的高頻成分較多,所以函數(shù)的奇異點(diǎn)可以從其小波變換的高頻部分的模極大值檢測出來。若信號中包含瞬態(tài)信號,則在信號的到達(dá)時(shí)刻和所在尺度段(頻率段),信號能量將有一個(gè)突變,表現(xiàn)在小波變換尺度譜圖上就是在相應(yīng)的時(shí)間-尺度位置上有尖峰突起。因此,通過檢測小波變換尺度-譜圖上突起的尖峰時(shí)刻,就可以實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)信號到達(dá)時(shí)刻的檢測。


      圖1-1完整錨桿模型示意圖;圖1-2至圖1-4是完整錨桿信號的小波分解突變點(diǎn)檢測圖;圖2-1有損傷錨桿模型1模型示意圖;圖2-2至圖2-4是對有損傷錨桿模型1信號的小波分解突變點(diǎn)檢測圖;圖3-1有損傷錨桿模型2模型示意圖;圖3-2至圖3-4是對有損傷錨桿模型2信號的小波分解突變點(diǎn)檢測圖。
      在圖1-1中,1是直徑28mm的II級精軋螺紋鋼;2是1∶2水泥砂漿;5是PVC管。圖1-2是原始信號圖。圖1-3是信號高頻部分重構(gòu)圖。圖1-4經(jīng)過消噪處理的信號高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu)圖,其中A為直達(dá)波,B為桿底反射波。
      在圖2-1中,1是直徑28mm的II級精軋螺紋鋼;2是1∶2水泥砂漿;3是干細(xì)砂;4是外包油紙涂黃油;5是PVC管。圖2-2是原始信號圖。圖2-3是信號高頻部分重構(gòu)圖。圖2-4經(jīng)過消噪處理的信號高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu)圖,其中A為直達(dá)波,B為桿底反射波,C為缺陷界面反射波。
      在圖3-1中,1是直徑28mm的II級精軋螺紋鋼;2是1∶2水泥砂漿;3是石膏膩?zhàn)樱?是1∶3水泥砂漿;5是PVC管。圖3-2是原始信號圖。圖3-3是信號高頻部分重構(gòu)圖。圖3-4經(jīng)過消噪處理的信號高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu)圖,其中A為直達(dá)波,B為桿底反射波,C為缺陷界面反射波。
      具體實(shí)施例方式
      下面結(jié)合實(shí)施例與上述附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述,以體現(xiàn)本發(fā)明所述方法的可行性及準(zhǔn)確性。
      實(shí)施例1取長度為2.9米的完整錨桿,見圖1-1,對其桿端捶擊所得動(dòng)測信號來說明故障信號突變點(diǎn)的檢測。
      考慮到信號的突變產(chǎn)生大量的高頻成分,首先將電信號經(jīng)過小波分解,然后重構(gòu)信號的高頻部分來確定信號發(fā)生突變變化。本例利用MATLAB提供的小波分解和重構(gòu)的功能函數(shù)對信號進(jìn)行處理,原始信號見圖1-2,這里選用Daubechies小波系列的db1小波函數(shù)作小波基進(jìn)行三層分解和重構(gòu),見圖1-3??梢钥闯?,信號的高頻分量所發(fā)生的變化較明顯,因?yàn)橥蛔凕c(diǎn)處一定含有高頻成分,通過重構(gòu)高頻部分可以清楚地看到發(fā)生突變部分。
      不過從圖中也看到,當(dāng)信號發(fā)生突變時(shí)往往產(chǎn)生大量的噪聲信息,單單從圖中難以判定突變點(diǎn)的具體時(shí)間,可以利用突變點(diǎn)處的小波變換的模極大值來確定突變點(diǎn),它的基本方法是通過設(shè)定一個(gè)閾值,使信號的小波系數(shù)的模值小于某一值的點(diǎn)的小波系數(shù)模值忽略掉,因?yàn)樵肼暤男〔ㄗ儞Q模值往往比較小,通過設(shè)定這一閾值可以去除噪聲部分的影響,參見圖1-4。從圖1-4中讀取的數(shù)據(jù),根據(jù)直達(dá)波和反射波到達(dá)的時(shí)刻,計(jì)算錨桿長度t0=0.94ms、te=2.09ms,計(jì)算所得錨桿長度L=C·(te-t0)/2=5054×(2.09-0.94)/2×10-3=2.906m本例所采用的完整錨桿的長度為2.9米,由此可見,利用這種方法可以較精確地量測錨桿的長度。
      實(shí)施例2取一損傷錨桿模型1,見2-1,其長度為2.9米,有兩個(gè)損傷界面,位置距桿端分別位于1米和1.9米處,對其桿端捶擊所得動(dòng)測信號來說明故障信號突變點(diǎn)的檢測。
      1、對所測得的錨桿時(shí)域信號u(s,t)(見圖2-2),用Daubechies小波系列的db1小波函數(shù)進(jìn)行三層小波包分解,并進(jìn)行重構(gòu),見圖2-3;2、對所得信號的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值消噪處理;3、對經(jīng)過消噪處理的信號的高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu),得到重構(gòu)后的波形圖,見圖2-4;4、從重構(gòu)的波形圖中識(shí)別入射波、桿底反射波及信號突變處位置t0、te、ti;5、計(jì)算得到錨桿長度L=C·(te-t0)/2,錨桿損傷位置Li=C·(ti-t0)/2,其中C為波速,C=&rho;/E=5054m/s.]]>從圖2-4中可得t0=1.12ms、t1=1.52ms,t2=1.88ms,t1=2.29ms,計(jì)算結(jié)果為第一個(gè)損傷界面位置L1=C·(t1-t0)/2=5054×(1.52-1.12)/2×10-3=1.011m第二個(gè)損傷界面位置L2=C·(t2-t0)/2=5054×(1.88-1.12)/2×10-3=1.920m錨桿長度L=C·(te-t0)/2=5054×(2.29-1.12)/2×10-3=2.957m采用上述方法測得的損傷位置與所提供的錨桿模型1中所設(shè)置的損傷位置和錨桿長度是吻合的。
      實(shí)施例3取一損傷錨桿模型2,見3-1,其長度為2.9米,有兩個(gè)損傷界面,位置距桿端分別位于1米和1.9米處,對其桿端捶擊所得動(dòng)測信號來說明故障信號突變點(diǎn)的檢測。
      采用實(shí)施例2相同的方法進(jìn)行檢測,得到圖3-2至圖3-4的相關(guān)檢測圖,從圖3-4中可得t0=0.14ms、t1=0.55ms,t2=0.89ms,t1=1.29ms,計(jì)算結(jié)果為第一個(gè)損傷界面位置L1=C·(t1-t0)/2=5054×(0.55-0.14)/2×10-3=1.036m第二個(gè)損傷界面位置L2=C·(t2-t0)/2=5054×(0.55-0.14)/2×10-3=1.895m錨桿長度L=C·(te-t0)/2=5054×(1.29-0.14)/2×10-3=2.906m由上述的計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)一步證實(shí),采用本發(fā)明所方法測得的結(jié)果與所提供的錨桿模型2中所設(shè)置的損傷位置和錨桿長度是吻合的,說明本發(fā)明所述方法可以較為精確地確定錨桿受損的位置。
      權(quán)利要求
      1.一種錨桿系統(tǒng)損傷位置的確定方法,其特征在于,它采用以下步驟確定A.對所測得的損傷錨桿時(shí)域信號u(s,t)用Daubechies小波系列的db1小波函數(shù)進(jìn)行三層小波包分解,得到各層低頻和高頻系數(shù);B.對所得信號的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值消噪處理;C.對經(jīng)過消噪處理的信號的高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu),得到重構(gòu)后的波形圖;D.從重構(gòu)的波形圖中識(shí)別入射波、桿底反射波及信號突變處位置t0、te、ti;E.計(jì)算得到錨桿長度L=C·(te-t0)/2,錨桿損傷位置Li=C·(ti-t0)/2,其中C為波速,C=&rho;/E=5054m/s.]]>
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種錨桿-圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)確定其損傷位置的無損探傷方法。它首先所測得的損傷錨桿時(shí)域信號u(s,t)用Daubechies小波系列的db1小波函數(shù)進(jìn)行三層小波包分解,得到各層低頻和高頻系數(shù);然后對所得信號的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值消噪處理;再對經(jīng)過消噪處理的信號的高頻系數(shù)部分進(jìn)行單支重構(gòu),得到重構(gòu)后的波形圖;最后從重構(gòu)的波形圖中識(shí)別入射波、桿底反射波及信號突變處位置t
      文檔編號G01N29/04GK1945307SQ20061005453
      公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
      發(fā)明者陳建功, 張永興, 王桂林, 吳曙光 申請人:重慶大學(xué)
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