CN116642947A - 基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法、***及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法、***及终端，涉及振动检测技术领域，其技术方案要点是：测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值；建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合；提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。本发明既可以在同一冲击激励下分析得到多个位置的检测情况，又可以提高桥梁振动缺陷检测的工作效率，适用于大范围桥梁振动缺陷检测。
Description
技术领域
本发明涉及振动检测技术领域，更具体地说，它涉及基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法、***及终端。
背景技术
受长时间的环境侵蚀和车流载荷等因素影响，桥梁不可避免的会出现结构损伤，而结构损伤会影响桥梁的固有频率、振幅、模态等动力特性，若不及时处置，则容易在随机的环境激励作用下扩大损伤，严重时将会形成安全事故，因此对桥梁振动缺陷检测非常有必要。
目前，桥梁振动缺陷检测主要是通过施加一定的冲击激励，然后依据所测量的振动响应信号来分析缺陷发生前后的频率和模态变化情况，从而判断是否发生结构缺陷。然而，现有的桥梁振动缺陷检测方法一般只能对施加冲击激励有限范围内的桥梁结构进行缺陷检测，对于大量桥梁振动缺陷检测来说，存在工作量大、工作效率低等问题；此外，除所施加的冲击激励之外，实际还存在如风、水等自然存在的激励，导致桥梁结构的模态是由多种不同模态叠加而成，而对多阶模态进行分析的过程复杂，不利于大范围桥梁振动缺陷检测的推广应用。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法、***及终端是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法、***及终端，既可以在同一冲击激励下分析得到多个位置的检测情况，又可以提高桥梁振动缺陷检测的工作效率，适用于大范围桥梁振动缺陷检测。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，包括以下步骤：
通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；
提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列；
以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；
对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图；
提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
进一步的，所述光纤振动传感器组件包括至少一个水平振动传感器组和/或至少一个竖直振动传感器组。
进一步的，所述水平振动传感器组中所有的水平振动传感器沿目标桥梁的同一竖直方向间隔布置。
进一步的，所述竖直振动传感器组中所有的竖直振动传感器沿目标桥梁的同一长度方向间隔布置。
进一步的，所述对准标定位的确定过程具体为：
选取振动响应信号中波峰处的振幅值呈单一趋势变化的振幅区段；
选取振幅区段任意一个波峰位作为对准标定位，且从对准标定位至振幅区段尾段的波峰数量不少于预设数值。
进一步的，所述突变极值点的确定过程具体为：
选取振幅变化曲线中存在一组相邻分布的上极值点和下极值点；
选取同一组的上极值点和下极值点中偏离振幅变化曲线距离最大的极值点作为突变极值点。
进一步的，该方法还包括：
从振幅变化曲线中确定各个突变极值点的突变特征；
将所有的突变特征输入预构建的分类模型，得到桥梁振动的缺陷类型。
进一步的，所述突变特征包括各个突变极值点相对于振幅变化曲线的偏离向量以及各个偏离向量的分布位置。
第二方面，提供了基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测***，包括：
振动测量模块，用于通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；
振幅提取模块，用于提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列；
散点构建模块，用于以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；
曲线拟合模块，用于对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图；
缺陷分析模块，用于提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，以同一时刻不同测量位置的振动传递情况作为桥梁振动缺陷检测的参考标准，并通过对不同时刻的振动传递变化来判断桥梁振动缺陷，既可以在同一冲击激励下分析得到多个位置的检测情况，又可以提高桥梁振动缺陷检测的工作效率，适用于大范围桥梁振动缺陷检测；
2、本发明以同一序列号所对应波峰处或波谷处的振幅值作为振动传递分析的同一时刻，可以减小因不同测量位置所对应的光纤振动传感器在测量振动响应信号过程中的延迟以及振动传递所产生的延迟对桥梁振动缺陷检测的精确度影响，有效提高了桥梁振动缺陷检测的准确性与可靠性；
3、本发明依据突变极值点的突变特征进行分类训练，可以准确得到目标桥梁中发生缺陷的具***置以及发展趋势，为后续管控与维护桥梁提高准确数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中的***框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，如图1所示，具体由以下步骤实现。
步骤S1：通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号。
光纤振动传感器组件可以包括一个或多个水平振动传感器组，也可以包括一个或多个竖直振动传感器组，还可以同时包括水平振动传感器组和竖直振动传感器组，在此不受限制。
在本实施例中，水平振动传感器组中所有的水平振动传感器沿目标桥梁的同一竖直方向间隔布置。而竖直振动传感器组中所有的竖直振动传感器沿目标桥梁的同一长度方向间隔布置。
步骤S2：提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列。
需要说明的是，提取振动响应信号中连续波峰处的振幅值也可以替换成提取振动响应信号中连续波谷处的振幅值，还可以同时提取波峰处和波谷处的振幅值，并以波峰处与波谷处的绝对值均值作为最终的振幅值。
此外，不同振动响应信号中的对准标定位需保持一致。
本发明以同一序列号所对应波峰处或波谷处的振幅值作为振动传递分析的同一时刻，可以减小因不同测量位置所对应的光纤振动传感器在测量振动响应信号过程中的延迟以及振动传递所产生的延迟对桥梁振动缺陷检测的精确度影响，有效提高了桥梁振动缺陷检测的准确性与可靠性。
步骤S3：以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图。
需要说明的是，振幅散点图中的每一个振幅散点均标注有对应波峰振幅序列的序列号，例如(A1，B)表示测量位置A中第一个波峰处所对应的振幅值为B。
步骤S4：对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图。
需要说明的是，拟合得到的振幅变化曲线需要经过所对应的每一个振幅散点，而对于同一时刻位于冲击激励所对应测量位置两侧的振幅散点，可以单独进行拟合，以降低两侧变换趋势较大而导致曲线拟合失败的情况发生。
步骤S5：提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
为降低突变极值点的判断难度，同时方便依据所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势，对准标定位依据以下方式进行确定：选取振动响应信号中波峰处的振幅值呈单一趋势变化的振幅区段；选取振幅区段任意一个波峰位作为对准标定位，且从对准标定位至振幅区段尾段的波峰数量不少于预设数值。
在选取单一趋势变化的振幅区段进行振幅变化趋势图构建后，突变极值点的确定过程具体为：选取振幅变化曲线中存在一组相邻分布的上极值点和下极值点；选取同一组的上极值点和下极值点中偏离振幅变化曲线距离最大的极值点作为突变极值点。
由于桥梁结构发生缺陷后，其振动频率会发生改变，通过对缺陷部位在不同时刻所展现出的突变极值点以及突变极值点之间的变化情况，可以依据历史数据进行缺陷类型判断，为此，本发明中的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法还包括：从振幅变化曲线中确定各个突变极值点的突变特征；将所有的突变特征输入预构建的分类模型，得到桥梁振动的缺陷类型。
此外，对于不同测量位置的突变极值点分布情况，可以获得缺陷的发展趋势，所以突变特征包括各个突变极值点相对于振幅变化曲线的偏离向量以及各个偏离向量的分布位置。
偏离向量的确定过程具体为：振幅变化曲线形成突变极值点后，其可以理解为平滑变化的振幅变化曲线中产生了凸起部或凹陷部，所以可以采用插值法对振幅变化曲线中发生凸起部或凹陷部的区段***一个替代突变极值点的插值点，以使得振幅变化曲线变化平滑，而偏离向量则是由插值点为起点、突变极值点为终点所形成的向量，偏离向量的方向与模长均可作为分类模型的子特征。
实施例2：基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测***，该***用于实现实施例1中所集中的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，如图2所示，包括振动测量模块、振幅提取模块、散点构建模块、曲线拟合模块和缺陷分析模块。
其中，振动测量模块，用于通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；振幅提取模块，用于提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列；散点构建模块，用于以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；曲线拟合模块，用于对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图；缺陷分析模块，用于提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
工作原理：本发明以同一时刻不同测量位置的振动传递情况作为桥梁振动缺陷检测的参考标准，并通过对不同时刻的振动传递变化来判断桥梁振动缺陷，既可以在同一冲击激励下分析得到多个位置的检测情况，又可以提高桥梁振动缺陷检测的工作效率，适用于大范围桥梁振动缺陷检测。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，包括以下步骤：
通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；
提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列；
以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；
对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图；
提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述光纤振动传感器组件包括至少一个水平振动传感器组和/或至少一个竖直振动传感器组。
3.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述水平振动传感器组中所有的水平振动传感器沿目标桥梁的同一竖直方向间隔布置。
4.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述竖直振动传感器组中所有的竖直振动传感器沿目标桥梁的同一长度方向间隔布置。
5.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述对准标定位的确定过程具体为：
选取振动响应信号中波峰处的振幅值呈单一趋势变化的振幅区段；
选取振幅区段任意一个波峰位作为对准标定位，且从对准标定位至振幅区段尾段的波峰数量不少于预设数值。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述突变极值点的确定过程具体为：
选取振幅变化曲线中存在一组相邻分布的上极值点和下极值点；
选取同一组的上极值点和下极值点中偏离振幅变化曲线距离最大的极值点作为突变极值点。
7.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，该方法还包括：
从振幅变化曲线中确定各个突变极值点的突变特征；
将所有的突变特征输入预构建的分类模型，得到桥梁振动的缺陷类型。
8.根据权利要求7所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法，其特征是，所述突变特征包括各个突变极值点相对于振幅变化曲线的偏离向量以及各个偏离向量的分布位置。
9.基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测***，其特征是，包括：
振动测量模块，用于通过光纤振动传感器组件测量在冲击激励作用下目标桥梁中位于同一方向上不同测量位置的振动响应信号；
振幅提取模块，用于提取振动响应信号中从对准标定位开始的连续波峰处的振幅值，得到对应测量位置的波峰振幅序列；
散点构建模块，用于以测量位置为横坐标、波峰处的振幅值为纵坐标建立包含所有测量位置的波峰振幅序列的振幅散点图；
曲线拟合模块，用于对振幅散点图中处于同一序列号的所有振幅散点分别进行线性拟合，得到由多个振幅变化曲线组成的振幅变化趋势图；
缺陷分析模块，用于提取各个振幅变化曲线中除冲击激励作用位置的所有突变极值点，并依据振幅变化趋势图中所有突变极值点的分布形态确定桥梁缺陷的位置信息和缺陷发展趋势。
10.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任意一项所述的基于光纤传感器的桥梁振动缺陷检测方法。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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