一種一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法
【專利摘要】一種一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，包括選擇檢測導波；布置檢測點，每個檢測點包括振動信號收發(fā)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置；利用所述的傳感器進行振動信號測量；計算統(tǒng)計量、群速度和衰減率；計算振動信號的時間頻率譜；利用不同傳感器的回波利用相同結(jié)構(gòu)不連續(xù)在不同傳感器測得的振動信號a1和a2中回波時刻t1n和t2n的先后判斷結(jié)構(gòu)不連續(xù)在激勵裝置的左側(cè)或者右側(cè)；計算結(jié)構(gòu)不連續(xù)點與激勵裝置的距離；計算各結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的散射系數(shù)；類型識別。本發(fā)明能夠快速定位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，識別不連續(xù)類型，對于諸如管道、鋼軌等重要的一維結(jié)構(gòu)上的缺陷，實時掌握并正確估計其位置和損傷程度，檢測速度快，不影響管道運輸、軌道交通等的正常運行。
【專利說明】一種一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)的在線檢測方法，屬于無損檢測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]鋼軌、管道等重要一維結(jié)構(gòu)，由于外界環(huán)境的動力沖擊、摩擦、人為破壞等影響，在使用過程中不可避免的會產(chǎn)生磨損、疲勞損傷、破裂等結(jié)構(gòu)缺陷，對社會安全和國家利益造成重大影響。因此，實時監(jiān)控這類一維結(jié)構(gòu)的缺陷位置和程度，是確保運營安全和經(jīng)濟利益的必要措施。
[0003]我國傳統(tǒng)的一維結(jié)構(gòu)檢測方法，主要依靠離線式檢測和人工檢測。重要的一維工程結(jié)構(gòu)主要是管道和鋼軌，這些長距離一維結(jié)構(gòu)的檢測多采用超聲波掃描的方式，這些檢測方法缺乏實時性，不能在線實時監(jiān)測一維結(jié)構(gòu)的健康狀況。例如鋼軌的檢測常利用軌道探傷車，利用超聲波對軌道的表面進行掃描，軌道探傷車雖然檢測準確度高，但價格昂貴、運行成本高，檢測時影響正常的軌道運營且存在軌底等檢測盲區(qū)，無法滿足當前我國鐵路高速化、重載化對軌道安全性進一步提高的要求。其次是現(xiàn)在先進的檢測技術(shù)都在國外，相比之下我國缺乏在線式一維檢測方法。基于上述原因，在國內(nèi)外已有成果的基礎上，開展一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)的在線檢測方法，對于保障工程結(jié)構(gòu)的安全運轉(zhuǎn)，提高我國工業(yè)水平的提高具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)在線檢測方法，以實現(xiàn)不連續(xù)的快速定位和類型識別。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案:
一種一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
①選擇檢測導波；
②在待檢測的一維結(jié)構(gòu)上布置檢測點，每個檢測點包括振動信號收發(fā)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，所述的振動信號收發(fā)裝置包括至少一個激勵裝置和分別設置在該激勵裝置兩邊的兩個傳感器；
③利用所述的傳感器進行振動信號測量；
④通過計算振動信號的統(tǒng)計量和檢測導波的群速度、衰減率，進行系統(tǒng)自檢，計算得到的統(tǒng)計量、群速度和衰減率進一步用于之后的不連續(xù)檢測；
⑤計算振動信號的時間頻率譜，利用該時間頻率譜識別不連續(xù)點的回波時間；
⑥利用不同傳感器的回波利用相同結(jié)構(gòu)不連續(xù)在不同傳感器測得的振動信號S1和a2中回波時刻tln和t2n的先后判斷結(jié)構(gòu)不連續(xù)在激勵裝置的左側(cè)或者右側(cè):
當tln-t1(l〈t2n-t2(l,則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于激勵裝置的左側(cè)；
當tln-t1(l>t2n-t2(l,則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于激勵裝置的右側(cè)；
其中，直達波的時刻為t1(l和t2(l，第η個回波的時刻為tln和t2n，η = 1,2,3-;回波的時刻tmn為頻率f的函數(shù)，m = 1,2, 3，…表示傳感器編號；
⑦計算結(jié)構(gòu)不連續(xù)點與激勵裝置的距離，公式如下:
I /j
Lm? =, f / ':,,(/_df
Jl ~J2
xL = - (-2xj + ilB 乙)
xR =^(A? -2x2 +I2J
其中，vg為檢測導波的群速度，該群速度是頻率f的函數(shù)，Lmn為回波時刻t?對應的回波的傳播距離，^左側(cè)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)至激勵裝置的距離，xK為的結(jié)構(gòu)不連續(xù)至激勵裝置的距離。
⑧利用測量到的振動信號計算各結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的散射系數(shù)，具體是:
首先，截取振動信號％和a2中以t1(l和t2(l的時刻為中心、且長度等于脈沖持續(xù)時間的脈沖信號，得到直達波a1(l和a2(l ；
截取振動信號ai和a2中以tln和t2n的時刻為中心、且長度等于脈沖持續(xù)時間的脈沖信號，得到回波aln和a2n ；
對直達波和回波進行頻譜分析，得到直達波波幅為Aw、A20,回波波幅為Aln、A2n ；
然后，根據(jù)反射系數(shù)的計算公式計算出結(jié)構(gòu)不連續(xù)處對應的反射系數(shù)rM:
rM =丄
M 'J AΛ，
^ ^lO^20
其中，S為所選檢測導波在待檢一維結(jié)構(gòu)中的衰減率，衰減率δ是頻率f的函數(shù)；
⑨對一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)進行類型識別，具體是:
構(gòu)建該一維結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的專家數(shù)據(jù)庫；
根據(jù)步驟⑧求得的反射系數(shù)，與專家數(shù)據(jù)庫中典型不連續(xù)的反射系數(shù)曲線相比較，專家數(shù)據(jù)庫中
與該不連續(xù)的反射系數(shù)偏差最小的曲線對應的不連續(xù)類型即為該不連續(xù)所屬的類型。所述的檢測導波的選擇依據(jù)為對潛在的結(jié)構(gòu)不連續(xù)敏感，且在待檢測一維結(jié)構(gòu)中傳播時具有小的衰減率。
所述的檢測點的布置依據(jù)的原則為:相鄰檢測點的有效檢測區(qū)段間有一定重合度，每個檢測點的有效檢測區(qū)段為該點分別向左右延伸，延伸的距離為所選檢測導波的有效傳播距離的一半。
所述的檢測點的最小單位為一個激勵裝置和二個傳感器，定義波導長度的延伸方向為X軸，激勵裝置的位置為X = 0，傳感器的位置分別為X = X1和X = X20可以通過更多的激勵和傳感器以增加系統(tǒng)冗余度。
所述的激勵裝置為在一維結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生特定模式的機械導波的裝置。
所述的激勵裝置是壓電換能器、電磁激振器或激光激振器。
所述的傳感器組為加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器中的一種或幾種任意組口 O
所述振動信號的測量，在典型結(jié)構(gòu)的情況下，激勵裝置根據(jù)所選檢測導波的類型產(chǎn)生沿一維結(jié)構(gòu)傳播的導波脈沖，在激勵裝置左側(cè)和右側(cè)的傳感器測量得到的振動信號分別為￡li 矛口 ο
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
采用能在一維結(jié)構(gòu)上的長距離傳播、對潛在的不連續(xù)敏感的長距離檢測導波，能進行高實時性、大范圍的無損檢測，能夠快速定位結(jié)構(gòu)不連續(xù)，識別不連續(xù)類型。對于諸如管道、鋼軌等重要的一維結(jié)構(gòu)上的缺陷，能夠?qū)崟r掌握并正確估計其位置和損傷程度，檢測速度快，不影響管道運輸、軌道交通等的正常運行。

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明的流程框圖；
圖2是本發(fā)明的典型檢測節(jié)點布置示意圖；
圖3是本發(fā)明方法中振動信號測量時直達波與回波示意圖；
圖4是本發(fā)明方法【具體實施方式】中測量的振動信號時域圖，其中與a2分別為左側(cè)和右側(cè)傳感器測得的振動信號；
圖5是本發(fā)明方法【具體實施方式】中測得的振動信號的時間頻率譜；
圖6是本發(fā)明方法【具體實施方式】中典型不連續(xù)的反射系數(shù)曲線圖。

【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
參照圖1，首先選擇一種便于測量的導波模式用于鋼軌的結(jié)構(gòu)缺陷檢測，導波的選擇依據(jù)兩點:(a)對潛在的不連續(xù)敏感，(b)在一維結(jié)構(gòu)中傳播時具有較小的衰減率。
參照圖2，檢測節(jié)點間隔500m，每個檢測節(jié)點包括I個激勵裝置和2個傳感器。包括I個信號激勵裝置與2個傳感器。
所述激勵裝置采用20X 20X 1mm、耐壓達到300V，諧振頻率為25kHz的壓電陶瓷片。
所述傳感器采用2個檢測頻率范圍為O?40kHz的加速度傳感器。
所述振動信號的測量，在典型結(jié)構(gòu)的情況下，激勵裝置根據(jù)所選檢測導波的類型產(chǎn)生沿一維結(jié)構(gòu)傳播的導波脈沖，在激勵裝置左側(cè)和右側(cè)的傳感器測量得到的振動信號分別為a1和a2,如圖4所示。
由振動信號通過短時傅里葉變換的方式獲得振動信號時間頻率譜P1和P2，如圖5所示。直達波的時刻記為t1(l和t2(l，第η個回波的時刻為tln和t2n(n = I, 2，3...)?；夭ǖ臅r亥Ij tmn(m = I, 2 ；n = I, 2，3，…)為頻率f的函數(shù)。
利用相同結(jié)構(gòu)不連續(xù)在不同傳感器測得的振動信號％和a2中回波時刻tln和t2n的先后判斷結(jié)構(gòu)不連續(xù)在激勵的左側(cè)或者右側(cè)。若則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于不連續(xù)的左側(cè)；反之，若tln-t1(l>t2n-t2(l,則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于不連續(xù)的右側(cè)。
所選檢測導波的群速度為Vg，群速度是頻率f的函數(shù)。回波時刻對應的回波的傳播距離為Lnm
I f h
Lmn =TTTJr ?' U dZ
Jl — Ji 2
在激勵裝置左側(cè)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)與激勵的距離
ν =^(_2χι + Α? +A?)
在激勵裝置右側(cè)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)與激勵的距離Xk
-vK =~(乙丨,,-2-'、+ 乙2?)
所述的散射系數(shù)為反射系數(shù)，即該結(jié)構(gòu)不連續(xù)類型識別方法基于透射系數(shù)，步驟7)、8)分別如下:
截取振動信號S1和a2中在t1(l和t2(l的時刻附近，長度等于脈沖持續(xù)時間的一半的脈沖信號，得到直達波a1(l和a2(l。截取和a2中在tln和t2n的時刻附近，長度等于脈沖持續(xù)時間的一半的脈沖信號，得到回波aln和a2n。對直達波和回波進行頻譜分析，得到的直達波波幅為Aln、A2n,回波波幅為Aln、A2n。
用定位到的不連續(xù)的距離&、xK，根據(jù)反射系數(shù)的計算公式計算出結(jié)構(gòu)不連續(xù)處對應的反射系數(shù)rM
η.=- e—SLu + e—SLl")
2 4。 為。
根據(jù)求得的反射系數(shù)，與專家數(shù)據(jù)庫中典型不連續(xù)的反射系數(shù)曲線相比較。鋼軌上典型不連續(xù)的反射系數(shù)如圖6所示。通過最小二乘法計算測量的反射系數(shù)rM與不同不連續(xù)類型的反射系數(shù)曲線的偏差值，計算得到的偏差值最小的曲線為該類型不連續(xù)的典型反射曲線，待檢的結(jié)構(gòu)不連續(xù)類型與該曲線對應的典型不連續(xù)類型相同。
【權(quán)利要求】
1.一種一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: ①選擇檢測導波； ②在待檢測的一維結(jié)構(gòu)上布置檢測點，每個檢測點包括振動信號收發(fā)裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，所述的振動信號收發(fā)裝置包括至少一個激勵裝置和分別設置在該激勵裝置兩邊的兩個傳感器； ③利用所述的傳感器進行振動信號測量； ④通過計算振動信號的統(tǒng)計量和檢測導波的群速度、衰減率，進行系統(tǒng)自檢，計算得到的統(tǒng)計量、群速度和衰減率進一步用于之后的不連續(xù)檢測； ⑤計算振動信號的時間頻率譜，利用該時間頻率譜識別不連續(xù)點的回波時間； ⑥利用不同傳感器的回波利用相同結(jié)構(gòu)不連續(xù)在不同傳感器測得的振動信號S1和a2中回波時刻tln和t2n的先后判斷結(jié)構(gòu)不連續(xù)在激勵裝置的左側(cè)或者右側(cè): 當tln-t1(l〈t2n-t2(l,則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于激勵裝置的左側(cè)； 當tln-t1(l>t2n-t2(l,則結(jié)構(gòu)不連續(xù)位于激勵裝置的右側(cè)； 其中，直達波的時刻為t1(l和t2(l，第η個回波的時刻為tln和t2n，η = 1,2,3-;回波的時刻tmn為頻率f的函數(shù)，m = 1,2, 3，…表示傳感器編號； ⑦計算結(jié)構(gòu)不連續(xù)點與激勵裝置的距離，公式如下:
1 二，1.f '' 'V
J1- ? h
XL=^ (―2X1 + Ah 4 ^ ) Ir =^(A? -2? +I2J 其中，Vg為檢測導波的群速度，該群速度是頻率f的函數(shù)，Lmn為回波時刻對應的回波的傳播距離，^左側(cè)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)至激勵裝置的距離，χκ為的結(jié)構(gòu)不連續(xù)至激勵裝置的距離。 ⑧利用測量到的振動信號計算各結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的散射系數(shù)，具體是: 首先，截取振動信號ai和a2中以t1(l和t2(l的時刻為中心、且長度等于脈沖持續(xù)時間的脈沖信號，得到直達波a1(l和a2(l ； 截取振動信號ai和a2中以tln和t2n的時刻為中心、且長度等于脈沖持續(xù)時間的脈沖信號，得到回波aln和a2n ； 對直達波和回波進行頻譜分析，得到直達波波幅為Aw、A20,回波波幅為Aln、A2n ； 然后，根據(jù)反射系數(shù)的計算公式計算出結(jié)構(gòu)不連續(xù)處對應的反射系數(shù)rM: ZA20 其中，S為所選檢測導波在待檢一維結(jié)構(gòu)中的衰減率，衰減率δ是頻率f的函數(shù)； ⑨對一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)進行類型識別，具體是: 構(gòu)建該一維結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的專家數(shù)據(jù)庫； 根據(jù)步驟⑧求得的反射系數(shù)，與專家數(shù)據(jù)庫中典型不連續(xù)的反射系數(shù)曲線相比較，專家數(shù)據(jù)庫中與該不連續(xù)的反射系數(shù)偏差最小的曲線對應的不連續(xù)類型即為該不連續(xù)所屬的類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的檢測導波的選擇依據(jù)為對潛在的結(jié)構(gòu)不連續(xù)敏感，且在待檢測一維結(jié)構(gòu)中傳播時具有小的衰減率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的檢測點的布置依據(jù)的原則為:相鄰檢測點的有效檢測區(qū)段間有一定重合度，每個檢測點的有效檢測區(qū)段為該點分別向左右延伸，延伸的距離為所選檢測導波的有效傳播距離的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的檢測點的最小單位為一個激勵裝置和二個傳感器，定義波導長度的延伸方向為X軸，激勵裝置的位置為X = O，傳感器的位置分別為X = Xl和X = X2?？梢酝ㄟ^更多的激勵和傳感器以增加系統(tǒng)冗余度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的激勵裝置為在一維結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生特定模式的機械導波的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的激勵裝置是壓電換能器、電磁激振器或激光激振器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述的傳感器組為加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器中的一種或幾種任意組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維結(jié)構(gòu)的不連續(xù)在線檢測方法，其特征在于，所述振動信號的測量，在典型結(jié)構(gòu)的情況下，激勵裝置根據(jù)所選檢測導波的類型產(chǎn)生沿一維結(jié)構(gòu)傳播的導波脈沖，在激勵裝置左側(cè)和右側(cè)的傳感器測量得到的振動信號分別為％和a2。
【文檔編號】G01N29/04GK104297345SQ201410582228
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】黃震宇, 佘尋鋒, 劉加華, 劉揚, 王彭, 符凌峰, 高浩天 申請人:上海交通大學