CN1945307A - 一种锚杆***损伤位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚杆－围岩结构***确定其损伤位置的无损探伤方法。它首先所测得的损伤锚杆时域信号u(s，t)用Daubechies小波系列的db1小波函数进行三层小波包分解，得到各层低频和高频系数；然后对所得信号的高频系数进行阈值消噪处理；再对经过消噪处理的信号的高频系数部分进行单支重构，得到重构后的波形图；最后从重构的波形图中识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；并计算得到锚杆长度L＝C·(t_e－t₀)/2，锚杆损伤位置L_i＝C·(t_i－t₀)/2，其中C为波速，

。本发明所述方法可以较为精确地确定锚杆受损的位置。

Description

一种锚杆***损伤位置的确定方法

技术领域

本发明涉及一种工程结构***无损探伤的方法，特别是一种锚杆-围岩结构***确定其损伤位置的无损探伤方法。

背景技术

众所周知，锚杆-围岩结构***的无损探伤首要的任务就是要确定损伤的位置。当锚杆***出现损伤时，其杆顶测得的速度时域曲线将发生突变，即在杆底反射波出现同查或反相的子波峰，目前确定损伤位置的方法通常是通过检测突变点与入射波波峰之间的时差或将信号变换到频域上，通过检测频峰间距来判断锚杆***的损伤位置。它们的局限性在于分别只考虑了时域或频域的特征，而未能将时域与频域结合起来综合考虑当锚杆出现损伤时对应的信号的奇异性信息。时域方法无法得知其在频域的响应，即不知损伤集中出现在哪个频段；而频域方法只能确定一个信号奇异性的整体性质，而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况，即不知损伤是在何时产生的及具体的损伤反射波的相位情况。另外，由于低应变动测信号较微弱，加上噪声的影响，信号突变处位置的确定受技术人员的人为因素影响，很难精确得到受损位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锚杆***损伤位置的确定方法，它能同时考虑时域和频域的信息，准确地判断出锚杆***受损位置。

大家明白，信号中的奇异点及不规则的突变部分经常带有比较重要的信息，它是信号重要的特征之一。锚杆***的损伤主要表现为砂浆和围岩对锚杆体锚固的损失或失效，数学模型上体现在杆侧等效刚度系数和阻尼系数的变化。小波变换能够通过多尺度分析提取信号的突变点即奇异点，本发明主要利用小波变换的模极大值点与信号奇异点之间的关系来反映信号局部奇异性特征，从而诊断出锚杆***损伤位置，这种方法可同时考虑时域和频域的信息。

本发明的目的是这样实现的：一种锚杆***损伤位置的确定方法，其特征在于，它采用以下步骤确定：

A.对所测得的损伤锚杆时域信号u(s，t)用Daubechies小波系列的db1小波函数进行三层小波包分解，得到各层低频和高频系数；

B.对所得信号的高频系数进行阈值消噪处理；

C.对经过消噪处理的信号的高频系数部分进行单支重构，得到重构后的波形图；

D.从重构的波形图中识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；

E.计算得到锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆损伤位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速，

$C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

本发明主要利用小波变换能够通过多尺度分析提取信号的突变点即奇异点，其基本原理是当信号在奇异点附近的Lipschitz指数a＞0时，其连续小波变换的模极大值随尺度的增大而增大；当a＜0时，则随尺度的增大而减小。噪声对应的Lipschitz指数远小于0，而信号边沿对应的Lipschitz指数大于或等于0，因此，利用小波变换可以区分噪声和信号边沿，能有效地检测出信号边沿是缓变或突变。

锚杆***的损伤通常会导致***的观测信号发生变化，当采用一定的措施消除因外界因素造成的噪声影响，直接利用小波分解变换检测观测信号的奇异点就可以检测出锚杆损伤位置。本发明是利用小波变换中奇异点与小波变换的模极大值的关系来确定奇异点，小波变换的模极大值都是出现在信号有突变的地方，并且突变点处的高频成分较多，所以函数的奇异点可以从其小波变换的高频部分的模极大值检测出来。若信号中包含瞬态信号，则在信号的到达时刻和所在尺度段(频率段)，信号能量将有一个突变，表现在小波变换尺度谱图上就是在相应的时间-尺度位置上有尖峰突起。因此，通过检测小波变换尺度-谱图上突起的尖峰时刻，就可以实现对瞬态信号到达时刻的检测。

附图说明

图1-1完整锚杆模型示意图；

图1-2至图1-4是完整锚杆信号的小波分解突变点检测图；

图2-1有损伤锚杆模型1模型示意图；

图2-2至图2-4是对有损伤锚杆模型1信号的小波分解突变点检测图；

图3-1有损伤锚杆模型2模型示意图；

图3-2至图3-4是对有损伤锚杆模型2信号的小波分解突变点检测图。

在图1-1中，1是直径28mm的II级精轧螺纹钢；2是1∶2水泥砂浆；5是PVC管。图1-2是原始信号图。图1-3是信号高频部分重构图。图1-4经过消噪处理的信号高频系数部分进行单支重构图，其中A为直达波，B为杆底反射波。

在图2-1中，1是直径28mm的II级精轧螺纹钢；2是1∶2水泥砂浆；3是干细砂；4是外包油纸涂黄油；5是PVC管。图2-2是原始信号图。图2-3是信号高频部分重构图。图2-4经过消噪处理的信号高频系数部分进行单支重构图，其中A为直达波，B为杆底反射波，C为缺陷界面反射波。

在图3-1中，1是直径28mm的II级精轧螺纹钢；2是1∶2水泥砂浆；3是石膏腻子；4是1∶3水泥砂浆；5是PVC管。图3-2是原始信号图。图3-3是信号高频部分重构图。图3-4经过消噪处理的信号高频系数部分进行单支重构图，其中A为直达波，B为杆底反射波，C为缺陷界面反射波。

具体实施方式

下面结合实施例与上述附图对本发明作进一步描述，以体现本发明所述方法的可行性及准确性。

实施例1：取长度为2.9米的完整锚杆，见图1-1，对其杆端捶击所得动测信号来说明故障信号突变点的检测。

考虑到信号的突变产生大量的高频成分，首先将电信号经过小波分解，然后重构信号的高频部分来确定信号发生突变变化。本例利用MATLAB提供的小波分解和重构的功能函数对信号进行处理，原始信号见图1-2，这里选用Daubechies小波系列的db1小波函数作小波基进行三层分解和重构，见图1-3。可以看出，信号的高频分量所发生的变化较明显，因为突变点处一定含有高频成分，通过重构高频部分可以清楚地看到发生突变部分。

不过从图中也看到，当信号发生突变时往往产生大量的噪声信息，单单从图中难以判定突变点的具体时间，可以利用突变点处的小波变换的模极大值来确定突变点，它的基本方法是通过设定一个阈值，使信号的小波系数的模值小于某一值的点的小波系数模值忽略掉，因为噪声的小波变换模值往往比较小，通过设定这一阈值可以去除噪声部分的影响，参见图1-4。从图1-4中读取的数据，根据直达波和反射波到达的时刻，计算锚杆长度：

        t₀＝0.94ms、t_e＝2.09ms，计算所得锚杆长度：

        L＝C·(t_e-t₀)/2＝5054×(2.09-0.94)/2×10^-3＝2.906m

本例所采用的完整锚杆的长度为2.9米，由此可见，利用这种方法可以较精确地量测锚杆的长度。

实施例2：取一损伤锚杆模型1，见2-1，其长度为2.9米，有两个损伤界面，位置距杆端分别位于1米和1.9米处，对其杆端捶击所得动测信号来说明故障信号突变点的检测。

1、对所测得的锚杆时域信号u(s，t)(见图2-2)，用Daubechies小波系列的db1小波函数进行三层小波包分解，并进行重构，见图2-3；

2、对所得信号的高频系数进行阈值消噪处理；

3、对经过消噪处理的信号的高频系数部分进行单支重构，得到重构后的波形图，见图2-4；

4、从重构的波形图中识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；

5、计算得到锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆损伤位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速，

$C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

从图2-4中可得：

t₀＝1.12ms、t₁＝1.52ms，t₂＝1.88ms，t₁＝2.29ms，计算结果为：

第一个损伤界面位置：L₁＝C·(t₁-t₀)/2＝5054×(1.52-1.12)/2×10^-3＝1.011m

第二个损伤界面位置：L₂＝C·(t₂-t₀)/2＝5054×(1.88-1.12)/2×10^-3＝1.920m

锚杆长度：L＝C·(t_e-t₀)/2＝5054×(2.29-1.12)/2×10^-3＝2.957m

采用上述方法测得的损伤位置与所提供的锚杆模型1中所设置的损伤位置和锚杆长度是吻合的。

实施例3：取一损伤锚杆模型2，见3-1，其长度为2.9米，有两个损伤界面，位置距杆端分别位于1米和1.9米处，对其杆端捶击所得动测信号来说明故障信号突变点的检测。

采用实施例2相同的方法进行检测，得到图3-2至图3-4的相关检测图，从图3-4中可得：

t₀＝0.14ms、t₁＝0.55ms，t₂＝0.89ms，t₁＝1.29ms，计算结果为：

第一个损伤界面位置：L₁＝C·(t₁-t₀)/2＝5054×(0.55-0.14)/2×10^-3＝1.036m

第二个损伤界面位置：L₂＝C·(t₂-t₀)/2＝5054×(0.55-0.14)/2×10^-3＝1.895m

锚杆长度：L＝C·(t_e-t₀)/2＝5054×(1.29-0.14)/2×10^-3＝2.906m

由上述的计算结果可以进一步证实，采用本发明所方法测得的结果与所提供的锚杆模型2中所设置的损伤位置和锚杆长度是吻合的，说明本发明所述方法可以较为精确地确定锚杆受损的位置。

Claims (1)

1、一种锚杆***损伤位置的确定方法，其特征在于，它采用以下步骤确定：

A.对所测得的损伤锚杆时域信号u(s，t)用Daubechies小波系列的db1小波函数进行三层小波包分解，得到各层低频和高频系数；

B.对所得信号的高频系数进行阈值消噪处理；

C.对经过消噪处理的信号的高频系数部分进行单支重构，得到重构后的波形图；

D.从重构的波形图中识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；

E.计算得到锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆损伤位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速， $C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

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