專利名稱：一種基于分布式光纖傳感器的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分布式光纖傳感器 的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)檢測(cè)方法，用來(lái)分析判斷監(jiān)測(cè)線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變和 頻率的異常性，給出該結(jié)構(gòu)的剩余壽命。
背景技術(shù)：
線性結(jié)構(gòu)是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一，如海底管道、輸 油/氣/水管道、索等。為解決線性結(jié)構(gòu)安全生產(chǎn)的問(wèn)題，世界上一些先進(jìn) 國(guó)家早在60年代就開(kāi)始線性結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備的研制。目前較為常見(jiàn)的線性 結(jié)構(gòu)檢測(cè)手段主要分為海底管道的管內(nèi)監(jiān)測(cè)器和管外監(jiān)測(cè)器兩種。1) 管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。包括智能清管器(Smart Pig);漏磁檢測(cè)法；壓電超聲波檢測(cè)技術(shù)；電磁波傳感檢測(cè)技術(shù)(EMAT);壓差法；聲波輻射方法；負(fù)壓力波法。盡管海底管道的管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)比較成熟，但管內(nèi)檢測(cè)主 要是針對(duì)腐蝕和海底管道的徑向變形的，而對(duì)海底水流沖刷致使局部海底管道懸空；渦激振動(dòng)導(dǎo)致的海底管道屈曲變形、開(kāi)裂破壞；地震作用下海 底土壤液化致使海底管道沉陷等海底管道破壞卻很難診斷。2) 管外檢測(cè)技術(shù)。包括陰極保護(hù)電位法；光纖傳感器；水下激光成像; 不接觸測(cè)量陰極。中國(guó)發(fā)明專利02145502中公開(kāi)了一種基于分布式光纖傳感器的油氣管 線泄漏智能在線監(jiān)測(cè)方法。在油氣管線附近與油氣管線并行鋪設(shè)一條或幾 條光纜，利用光纖作為傳感器，對(duì)油氣管線泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在光纖的 兩端，也就是油氣管線的輸入端和輸出端，各設(shè)置一套光功率檢測(cè)模塊， 并和計(jì)算機(jī)連接，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合，獲得管線周圍的壓力變化和振動(dòng)信號(hào)的特征，當(dāng)管線中的油氣發(fā)生泄漏或在管線附近有機(jī)械 施工和人為破壞等事件發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力或沖擊力將改變光纖的特性和 損耗，通過(guò)對(duì)光纖背向散射光功率和光纖輸出光功率的測(cè)量，對(duì)損耗大小 和頻譜的分析，發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確定位油氣管線泄漏和外部可能對(duì)管線造成破壞 的事件，提高油氣管線的監(jiān)測(cè)水平。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種基于分布式光纖傳感器的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng) 的檢測(cè)方法，可以判別線性結(jié)構(gòu)(如海底管道，輸油/氣/水管道，索等) 是否有損傷、損傷位置、損傷程度并提供其剩余壽命。一種基于分布式光纖傳感器的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)檢測(cè)方法的 包括(1) 由分布式光纖傳感器檢測(cè)線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信號(hào)，根據(jù)該應(yīng)變信 號(hào)得到光纖沿線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變曲線。分布式光纖傳感器得到的應(yīng)變信號(hào)傳輸?shù)奖镜胤植际焦饫w傳感器，從 而能夠在本地監(jiān)測(cè)線性結(jié)構(gòu)上某一位置的應(yīng)變。對(duì)于單個(gè)分布式光纖傳感 器，基于后向布里淵散射中移頻、功率和應(yīng)變、溫度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量光 纖沿線性結(jié)構(gòu)各點(diǎn)后向布里淵散射的移頻和功率，得到光纖沿線性結(jié)構(gòu)各 點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)。根據(jù)該應(yīng)變信號(hào)得到光纖沿線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變曲線。(2) 對(duì)步驟(1)得到的應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，消除光纖應(yīng)變與線性結(jié) 構(gòu)真實(shí)應(yīng)變存在的差異，得到校準(zhǔn)后的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。本發(fā)明考慮到布設(shè)在線性結(jié)構(gòu)上的光纖應(yīng)變與線性結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變存 在差異，所以要對(duì)光纖應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前通過(guò)光纖傳感器樣機(jī)標(biāo) 定實(shí)驗(yàn)，建立樣機(jī)所測(cè)光纖應(yīng)變?cè)隽颗c線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系曲線。然 后根據(jù)關(guān)系曲線對(duì)光纖應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲 線。(3) 采用基于時(shí)間序列的AR模型對(duì)步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析，并提取應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù)據(jù)。隨著線性結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加，由步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)量 (即校準(zhǔn)后的應(yīng)變曲線中的數(shù)據(jù))巨大，為解決海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題， 本發(fā)明采用基于時(shí)間序列分析法的AR模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取線性 結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù)據(jù)。(4) 采用基于時(shí)間序列分析的模式識(shí)別方法，對(duì)步驟(3)得到的異 常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng)模式。根據(jù)模式的不同形式，模式識(shí)別的方法有模板匹配法、統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別 法、句法模式識(shí)別法和直接邏輯識(shí)別法等。本發(fā)明采用的時(shí)間序列分析的 模式識(shí)別屬于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別范疇。首先確定線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的各種參考模 式(即基準(zhǔn)模式、基準(zhǔn)狀態(tài))，然后，再將線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)目前的模式(即 待檢模式、待檢狀態(tài))與參考模式進(jìn)行比較，最后確定待檢模式屬于哪種 參考模式。本發(fā)明采用Itakura信息距離函數(shù)作為判斷函數(shù)，對(duì)線性結(jié)構(gòu)所處的 模式進(jìn)行判斷。如果判斷為懸跨振動(dòng)模式則由步驟(5)進(jìn)行懸跨長(zhǎng)度計(jì) 算，否則劃歸第三方撞擊模式。(5) 當(dāng)步驟(4)判斷的線性結(jié)構(gòu)模式為懸跨振動(dòng)模式時(shí)，計(jì)算線性 結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度，即損傷的程度。本發(fā)明采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中 提取內(nèi)在模態(tài)分量；并應(yīng)用隨機(jī)減量法(RDT)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響 應(yīng)中提取各階自振頻率。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給出的線性結(jié)構(gòu)自振頻率經(jīng)驗(yàn) 公式，計(jì)算出線性結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度。(6) 本發(fā)明方法還可以根據(jù)步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)，在 進(jìn)行異常檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽 命。本發(fā)明對(duì)線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)，以基于雨流計(jì)數(shù)法的多軸疲勞應(yīng) 變壽命模型(尚德廣模型)為準(zhǔn)則。將光纖監(jiān)測(cè)所得的線性結(jié)構(gòu)截面多點(diǎn)的應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為截面關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變值。采用雨流計(jì)數(shù)法將實(shí)際隨機(jī)載荷轉(zhuǎn)化成等幅載荷下的循環(huán)次數(shù)。采用線性疲勞累計(jì)準(zhǔn)則(Miner線性累計(jì) 損傷準(zhǔn)則)將不同等幅載荷下的損傷值進(jìn)行累計(jì)，獲取各關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞損 傷累計(jì)值。采用多軸疲勞應(yīng)變壽命模型(尚德廣模型)，由所用材料的標(biāo) 準(zhǔn)疲勞曲線，根據(jù)反復(fù)應(yīng)變的次數(shù)來(lái)確定線形結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力，再比較線 性結(jié)構(gòu)的容許疲勞應(yīng)力(疲勞閾值)來(lái)計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。上述各步驟中所述的應(yīng)變時(shí)間序列為一段時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)測(cè)得的校準(zhǔn) 后線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。在步驟(3)中，以上述應(yīng)變時(shí)間序列作為模式向量，采用基于時(shí)間 序列的AR模型對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析，得出特征量。該特征量即為線性結(jié) 構(gòu)應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù)據(jù)。由于監(jiān)測(cè)中受到各種因素的影響，應(yīng)變信號(hào)并不是穩(wěn)定的，當(dāng)異常出 現(xiàn)時(shí)具有很強(qiáng)的突發(fā)性。因此總體上說(shuō)，應(yīng)變信號(hào)時(shí)間序列是不穩(wěn)定的， 但是其局部從統(tǒng)計(jì)角度分析是近似穩(wěn)定的，該局部定義為一個(gè)時(shí)間窗口， 窗口大小設(shè)為2N。每次取出2N個(gè)數(shù)，時(shí)間窗口內(nèi)的個(gè)數(shù)表示為i，用前N個(gè)數(shù)建立模 型，來(lái)判別后面的N個(gè)數(shù)據(jù)是否異常，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，只要不斷的 向前移動(dòng)窗口，就可以完成異常信號(hào)的監(jiān)測(cè)。將待檢模式的應(yīng)變時(shí)間序列{^}通過(guò)A&模型分析，得到殘差方差， 并根據(jù)此值判斷線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序列中是否存在異常數(shù)據(jù)，從而判斷線 性結(jié)構(gòu)是否存在異常。具體算法如下所示首先對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行零均值化。設(shè)//為該窗口內(nèi)時(shí)間序列的平均值，即"》,其中^為應(yīng)變信號(hào)。對(duì)以上的序列計(jì)算殘差，即S,^-//經(jīng)過(guò)上述操作后，所獲得時(shí)間序列S即為零均值的時(shí)間序列。對(duì)上述的零均值時(shí)間序列擬和二階AR模型，簡(jiǎn)記為AR(2)，模型寫(xiě) 為遞歸模型其中4, A是AR(2)模型的模型參數(shù)，《是對(duì)《序列進(jìn)行AR(2)模型擬和后的殘差序列，經(jīng)過(guò)上述的零均值化過(guò)程，《已成為零均值的白噪聲信號(hào)，是獨(dú)立分布的高斯隨機(jī)變量。因此，可以選取N個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)上述的AR(2)模型進(jìn)行擬和，將所需的數(shù)據(jù)寫(xiě)為矩陣形式，擬和的矩陣算式可寫(xiě)為<formula>formula see original document page 7</formula>根據(jù)最小二乘法，可以獲得①矩陣的算式 白噪聲e,的方差ex,可以依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算由上述式子，計(jì)算結(jié)果如下<formula>formula see original document page 7</formula>對(duì)于剩余的N個(gè)點(diǎn)，根據(jù)上述擬和的模型，計(jì)算其殘差，艮P:<formula>formula see original document page 7</formula>5為后移算子，其定義為因此，后面的N個(gè)數(shù)，可以根據(jù)殘差的定義來(lái)求于上述擬和模型的殘 差，e,"(豐，對(duì)于后面的N個(gè)數(shù)，進(jìn)行平方求和，可得<formula>formula see original document page 7</formula>定義異常指標(biāo)<formula>formula see original document page 7</formula>當(dāng)2iV窗口中，經(jīng)過(guò)上述模型擬和和殘差計(jì)算所得的殘差方差小于確 定值C時(shí)，線性結(jié)構(gòu)不存在異常。若大于確定值C時(shí)，則判定線性結(jié)構(gòu)存 在異常，并記錄異常數(shù)據(jù)。其中常數(shù)C的取值根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況予以調(diào)整。在步驟(3)中，以上述應(yīng)變時(shí)間序列作為模式向量，采用基于時(shí)間 序列的AR模型對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析，得出特征量。該特征量即為線性結(jié) 構(gòu)應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù)據(jù)。在步驟(4)中，采用基于時(shí)間序列分析的模式識(shí)別方法，對(duì)步驟(3) 得到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng) 模式。一般情況線性結(jié)構(gòu)所處的模式有正常模式、第三方撞擊模式或懸跨振 動(dòng)模式，三者的區(qū)別在于時(shí)間域上的長(zhǎng)短不同1、 正常模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中沒(méi)有異常發(fā)生；2、 第三方撞擊模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中有局部的異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生；3、 懸跨振動(dòng)模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中存在較長(zhǎng)的局部異常數(shù)據(jù)； 通過(guò)步驟(3)已判斷此時(shí)線性結(jié)構(gòu)處于非正常模式，即只需判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng)模式。本發(fā)明采用Itakum信息距離函數(shù)作為對(duì)于模式識(shí)別的判斷函數(shù)，對(duì) 線性結(jié)構(gòu)所處的模式進(jìn)行判斷。具體算法如下根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，對(duì)于正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)為<formula>formula see original document page 8</formula>式中？為方差；"為均值；定義<formula>formula see original document page 8</formula>參考模式時(shí)間序列通過(guò)AR模型后的殘差序列{^},的概率密度函數(shù):<formula>formula see original document page 8</formula>待檢模式時(shí)間序列通過(guò)AR模型后的殘差序列{^} w的概率密度函數(shù):<formula>formula see original document page 8</formula>用*和A構(gòu)造對(duì)數(shù)似然函數(shù)比<formula>formula see original document page 9</formula>式中"/為kb的方差，。 /為。/的計(jì)算值。 對(duì)于一個(gè)殘差序列{^} r，應(yīng)有則上式寫(xiě)為<formula>formula see original document page 9</formula>Itakura信息距離函數(shù)定義為<formula>formula see original document page 9</formula>Itakura信息距離函數(shù)值，表示了當(dāng)前線性結(jié)構(gòu)的模式與標(biāo)準(zhǔn)第三方 撞擊模式與標(biāo)準(zhǔn)懸跨振動(dòng)模式的相似程度。將標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模式數(shù)據(jù)和步驟(3)中提取的異常數(shù)據(jù)(殘差方 差a,/)分別帶入Itakura信息距離函數(shù)計(jì)算后得函數(shù)值D"上述標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模式數(shù)據(jù)是將標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模式時(shí)間序列 Id,(來(lái)源于標(biāo)定試驗(yàn))，通過(guò)肌模型分析后得到UU其均值為0， 方差為。/。將標(biāo)準(zhǔn)懸跨振動(dòng)模式數(shù)據(jù)步驟(3)中提取的異常數(shù)據(jù)(殘差方差。,/) 分別帶入Itakura信息距離函數(shù)運(yùn)算后得函數(shù)值D2;上述標(biāo)準(zhǔn)懸跨振動(dòng)模式數(shù)據(jù)是將標(biāo)準(zhǔn)懸跨振動(dòng)模式的時(shí)間序列 (來(lái)源于標(biāo)定試驗(yàn))，通過(guò)ARb模型分析后得到"^，其均值為0，方差 為。/。比較"與D2，若"〈D2，說(shuō)明當(dāng)前線性結(jié)構(gòu)的模式與標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模 式更相近，可判斷當(dāng)前線性結(jié)構(gòu)的模式為第三方撞擊模式，反之，當(dāng)前線 性結(jié)構(gòu)的模式即為懸跨振動(dòng)模式。本發(fā)明將布立淵分布式光纖傳感器安裝于線性結(jié)構(gòu)上，檢測(cè)光纖的應(yīng) 變信號(hào)，將該應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)得到線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。再采用基于時(shí)間 序列分析法的模式識(shí)別方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序 列中的異常數(shù)據(jù)，判斷線性結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中提取內(nèi)在模態(tài)分量，應(yīng)用隨機(jī)減量法(RDT)從 線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中提取各階自振頻率，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給出 的線性結(jié)構(gòu)自振頻率經(jīng)驗(yàn)公式，反推線性結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度。采用基于雨流 計(jì)數(shù)法的多軸疲勞應(yīng)變壽命模型(尚德廣模型)為準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu)疲 勞壽命。


圖1超長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)的分布式光纖傳感系統(tǒng)解決方案 圖2基于分布式光纖傳感器的海底線性結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于分布式光纖傳感器的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)檢測(cè)方法 的包括(1)參見(jiàn)圖1，(圖中DOFS表示可串聯(lián)使用的分布式光纖傳感器， 單個(gè)DOFS的傳感長(zhǎng)度為25km)通過(guò)快速以太網(wǎng)接口把分布式傳感器內(nèi) 的檢測(cè)數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在本地監(jiān)測(cè)線性結(jié)構(gòu)上某一位置的應(yīng)變。 對(duì)于單個(gè)分布式光纖傳感器，基于后向布里淵散射中移頻、功率和應(yīng)變、 溫度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量光纖沿線性結(jié)構(gòu)各點(diǎn)后向布里淵散射的移頻和功 率，得到光纖沿線性結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)。根據(jù)該應(yīng)變信號(hào)得到光纖沿線 性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變曲線。由步驟1得到的應(yīng)變信號(hào)受到傳感光纖在粘結(jié)過(guò)程中所積累的初始應(yīng) 變的影響。故在進(jìn)行異常分析和疲勞壽命分析時(shí)，先讀取10組應(yīng)變的平 均值作為初始應(yīng)變，以后讀取的應(yīng)變相對(duì)初始應(yīng)變的改變量作為分析時(shí)的 真正的應(yīng)變。(2)對(duì)步驟(1)得到的應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，消除光纖應(yīng)變與線性結(jié) 構(gòu)真實(shí)應(yīng)變存在的差異，得到校準(zhǔn)后的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。校準(zhǔn)前通過(guò)光 纖傳感器樣機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，建立樣機(jī)所測(cè)光纖應(yīng)變?cè)隽颗c線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系曲線。然后根據(jù)關(guān)系曲線對(duì)光纖應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的 線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。(3)采用基于時(shí)間序列的AR模型對(duì)步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變 信號(hào)進(jìn)行分析，并提取應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù)據(jù)。以應(yīng)變時(shí)間序列作為模式向量，采用基于時(shí)間序列的AR模型對(duì)應(yīng)變 信號(hào)進(jìn)行分析，得出特征量。該特征量即為線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)中的異常數(shù) 據(jù)。由于監(jiān)測(cè)中受到各種因素的影響，應(yīng)變信號(hào)并不是穩(wěn)定的，當(dāng)異常出 現(xiàn)時(shí)具有很強(qiáng)的突發(fā)性。因此總體上說(shuō)，應(yīng)變信號(hào)時(shí)間序列是不穩(wěn)定的， 但是其局部從統(tǒng)計(jì)角度分析是近似穩(wěn)定的，該局部定義為一個(gè)時(shí)間窗口， 窗口大小設(shè)為2N。每次取出2N個(gè)數(shù)，時(shí)間窗口內(nèi)的個(gè)數(shù)表示為i，用前N個(gè)數(shù)建立模 型，來(lái)判別后面的N個(gè)數(shù)據(jù)是否異常，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，只要不斷的 向前移動(dòng)窗口，就可以完成異常信號(hào)的監(jiān)測(cè)。將待檢模式的應(yīng)變時(shí)間序列{^}通過(guò)ARk模型分析，得到殘差方差， 并根據(jù)此值判斷線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序列中是否存在異常數(shù)據(jù)，從而判斷線 性結(jié)構(gòu)是否存在異常。具體算法如下所示首先對(duì)N個(gè)數(shù)進(jìn)行零均值化。設(shè)//為該窗口內(nèi)時(shí)間序列的平均值，即'=1其中x,.為應(yīng)變信號(hào)。 對(duì)以上的序列計(jì)算殘差，BP:經(jīng)過(guò)上述操作后，所獲得時(shí)間序列即為零均值的時(shí)間序列。對(duì)上述的零均值時(shí)間序列擬和二階AR模型，簡(jiǎn)記為AR(2)，模型寫(xiě)為遞歸模型其中^， ^是AR(2)模型的模型參數(shù)，e,是對(duì)x,序列進(jìn)行AR(2)模型擬和后的殘差序列，經(jīng)過(guò)上述的零均值化過(guò)程，e,己成為零均值的白噪聲信號(hào)，是獨(dú)立分布的高斯隨機(jī)變量。因此，可以選取N個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)上述的AR(2)模型進(jìn)行擬和，將所需的數(shù)據(jù)寫(xiě)為矩陣形式，擬和的矩陣算式可寫(xiě)為<formula>formula see original document page 12</formula>根據(jù)最小二乘法，可以獲得O矩陣的算式白噪聲&的方差^可以依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算<formula>formula see original document page 12</formula>由上述式子，計(jì)算結(jié)果如下<formula>formula see original document page 12</formula>對(duì)于剩余的N個(gè)點(diǎn)，根據(jù)上述擬和的模型，計(jì)算其殘差，艮P:<formula>formula see original document page 12</formula>S為后移算子，其定義為S,_,=5S,因此，后面的N個(gè)數(shù)，可以根據(jù)殘差的定義來(lái)求于上述擬和模型的殘 差，e,"(豐對(duì)于后面的N個(gè)數(shù)，進(jìn)行平方求和，可得XX定義異常指標(biāo);u^fl°"咖當(dāng)2iV窗口中，經(jīng)過(guò)上述模型擬和和殘差計(jì)算所得的殘差方差小于確 定值C時(shí)，線性結(jié)構(gòu)不存在異常。若大于確定值C時(shí)，則判定線性結(jié)構(gòu)存 在異常，并記錄異常數(shù)據(jù)。其中常數(shù)C的取值根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況予以調(diào)整。(4)采用基于時(shí)間序列分析的模式識(shí)別方法，對(duì)步驟(3)得到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng)模式。一般情況線性結(jié)構(gòu)所處的模式有正常模式、第三方撞擊模式或懸跨振 動(dòng)模式，三者的區(qū)別在于時(shí)間域上的長(zhǎng)短不同-1、 正常模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中沒(méi)有異常發(fā)生；2、 第三方撞擊模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中有局部的異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生；3、 懸跨振動(dòng)模式，在監(jiān)測(cè)時(shí)間中存在較長(zhǎng)的局部異常數(shù)據(jù)； 通過(guò)步驟(3)已判斷此時(shí)線性結(jié)構(gòu)處于非正常模式，即只需判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng)模式。本發(fā)明采用Itakura信息距離函數(shù)作為對(duì)于模式識(shí)別的判斷函數(shù)，對(duì) 線性結(jié)構(gòu)所處的模式進(jìn)行判斷。具體算法如下根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，對(duì)于正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)為<formula>formula see original document page 13</formula>式中尸為方差；W為均值；定義^"x,-一2。參考模式時(shí)間序列通過(guò)AR模型后的殘差序列,的概率密度函數(shù):Hi 待檢模式時(shí)間序列通過(guò)AR模型后的殘差序列{^} ^的概率密度函數(shù):<formula>formula see original document page 13</formula>用Ar和A構(gòu)造對(duì)數(shù)似然函數(shù)比:<formula>formula see original document page 13</formula>式中。/為"h的方差，、/為。/的計(jì)算值。 對(duì)于一個(gè)殘差序列"J"應(yīng)有則上式寫(xiě)為:<formula>formula see original document page 13</formula>Itakura信息距離函數(shù)定義為<formula>formula see original document page 13</formula>將標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模式數(shù)據(jù)和步驟(3)中提取的異常數(shù)據(jù)(殘差方 差 /)分別帶入Itakura信息距離函數(shù)計(jì)算后得函數(shù)值D"將標(biāo)準(zhǔn)懸跨振動(dòng)模式數(shù)據(jù)步驟(3 )中提取的異常數(shù)據(jù)(殘差方差。,/) 分別帶入Itakura信息距離函數(shù)運(yùn)算后得函數(shù)值D2;比較D,與D2，若Di〈D2，說(shuō)明當(dāng)前線性結(jié)構(gòu)的模式與標(biāo)準(zhǔn)第三方撞擊模 式更相近，可判斷當(dāng)前線性結(jié)構(gòu)的模式為第三方撞擊模式，反之，當(dāng)前線 性結(jié)構(gòu)的模式即為懸跨振動(dòng)模式。(5) 當(dāng)步驟(4)判斷的線性結(jié)構(gòu)模式為懸跨振動(dòng)模式時(shí)，計(jì)算線性 結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度，即損傷的程度。本發(fā)明采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中 提取內(nèi)在模態(tài)分量；并應(yīng)用隨機(jī)減量法(RDT)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響 應(yīng)中提取各階自振頻率。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給出的線性結(jié)構(gòu)自振頻率經(jīng)驗(yàn) 公式，計(jì)算出線性結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度。(6) 本發(fā)明方法還可以根據(jù)步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)，在 進(jìn)行異常檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽 命。本發(fā)明對(duì)線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)，以基于雨流計(jì)數(shù)法的多軸疲勞應(yīng) 變壽命模型(尚德廣模型)為準(zhǔn)則。將光纖監(jiān)測(cè)所得的線性結(jié)構(gòu)截面多點(diǎn) 的應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為截面關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變值。采用雨流計(jì)數(shù)法將實(shí)際隨機(jī)載荷 轉(zhuǎn)化成等幅載荷下的循環(huán)次數(shù)。采用線性疲勞累計(jì)準(zhǔn)則(Miner線性累計(jì) 損傷準(zhǔn)則)將不同等幅載荷下的損傷值進(jìn)行累計(jì)，獲取各關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞損 傷累計(jì)值。采用多軸疲勞應(yīng)變壽命模型(尚德廣模型)，由所用材料的標(biāo) 準(zhǔn)疲勞曲線(由實(shí)際工程所用材料進(jìn)行選取，如實(shí)際線性結(jié)構(gòu)材料為APL 5L標(biāo)準(zhǔn)的鋼材，則選用APL 5L鋼材疲勞曲線)，根據(jù)反復(fù)應(yīng)變的次數(shù)來(lái) 確定線形結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力，再比較線性結(jié)構(gòu)的容許疲勞應(yīng)力(疲勞閾值) 來(lái)計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
權(quán)利要求
1、一種基于分布式光纖傳感器的長(zhǎng)距離線性結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的檢測(cè)方法，包括(1)由分布式光纖傳感器檢測(cè)線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變信號(hào)，根據(jù)該應(yīng)變信號(hào)得到光纖沿線性結(jié)構(gòu)的應(yīng)變曲線；(2)對(duì)步驟(1)得到的應(yīng)變曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，消除光纖應(yīng)變與線性結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變存在的差異；(3)采用基于時(shí)間序列分析的模式識(shí)別方法，提取步驟(2)得到的線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序列中的異常數(shù)據(jù)；(4)對(duì)步驟(3)得到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷線性結(jié)構(gòu)處于第三方撞擊模式或懸跨振動(dòng)模式；(5)根據(jù)步驟(4)判斷的線性結(jié)構(gòu)模式，如果線性結(jié)構(gòu)處于懸跨振動(dòng)模式，則計(jì)算懸跨長(zhǎng)度；(6)對(duì)步驟(2)得到的應(yīng)變時(shí)間序列，采用雨流計(jì)數(shù)法預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu)的剩余壽命。
2、 如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于步驟(3)中采用分 布式光纖傳感器輸出的應(yīng)變時(shí)間序列作為模式向量，采用基于時(shí)間序列的 AR模型對(duì)線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序列進(jìn)行分析，得到異常數(shù)據(jù)。
3、 如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于步驟(5)中判斷線 性結(jié)構(gòu)處于懸跨振動(dòng)模式時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng) 變響應(yīng)中提取內(nèi)在模態(tài)分量，應(yīng)用隨機(jī)減量法從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響 應(yīng)中提取各階自振頻率，計(jì)算出線性結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度。
4、 如權(quán)利要求1所述的檢測(cè)方法，其特征在于步驟(6)中以基于 雨流計(jì)法的多軸疲勞應(yīng)變壽命模型為準(zhǔn)則，將監(jiān)測(cè)所得的截面各點(diǎn)應(yīng)變信 號(hào)轉(zhuǎn)化為各點(diǎn)的疲勞損傷值，依據(jù)線性疲勞累計(jì)準(zhǔn)則獲取各關(guān)鍵點(diǎn)的疲勞 損傷累計(jì)值，再采用基于雨流計(jì)法的多軸疲勞應(yīng)變壽命模型預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu) 剩余疲勞壽命。
全文摘要
本發(fā)明將布立淵分布式光纖傳感器安裝于線性結(jié)構(gòu)上，檢測(cè)光纖的應(yīng)變信號(hào)，將該應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)得到線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變曲線。再采用基于時(shí)間序列分析法的模式識(shí)別方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取線性結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間序列中的異常數(shù)據(jù)，判斷線性結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中提取內(nèi)在模態(tài)分量，應(yīng)用隨機(jī)減量法(RDT)從線性結(jié)構(gòu)跨度隨機(jī)應(yīng)變響應(yīng)中提取各階自振頻率，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給出的線性結(jié)構(gòu)自振頻率經(jīng)驗(yàn)公式，反推線性結(jié)構(gòu)的懸跨長(zhǎng)度。采用基于雨流計(jì)數(shù)法的多軸疲勞應(yīng)變壽命模型(尚德廣模型)為準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)線性結(jié)構(gòu)疲勞壽命。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101226078SQ200810059629
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者金偉良 申請(qǐng)人:廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司;浙江大學(xué)