CN103245732A - 一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，包括如下步骤：（1）建立不同的管道注浆质量有限元模型；（2）对任一有限元模型，激发应力波并获取应力波检测信号；（3）对应力波检测信号进行带通滤波处理；（4）小波变换法提取带通滤波后应力波检测信号中的D8细节信号；（5）对D8细节信号的末端进行细化处理，然后利用快速傅里叶变换将所有细化处理后的D8细节信号转换为频域信号；（6）改变管道注浆质量，重复（2）～（5）步；（7）将不同管道注浆质量所对应的频域信号进行图像堆积显示。本发明通过简单有效的信号处理方法提高了频率分辨率，能识别50%以下的注浆密实度情况。

Description

一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，具体涉及一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法。

背景技术

预应力技术己成为建设大(大跨度,大空间结构)、高(高层,高耸结构)、重(重荷载结构)、特(特种结构以及在钢结构、基础工程、道路、地下建筑、结构加固等工程中的特殊应用)、新(新型结构工程)中不可缺少的一项重要技术。预应力混凝土结构的优势是建立在预应力钢筋与混凝土（砼体）黏结完好的基础上，因此管道压浆效果的好坏，直接影响到整个预应力混凝土结构的安全性、可靠性和使用寿命。

预应力管道的注浆质量效果是预应力钢绞线在桥梁使用过程中确保长期发挥作用的重要影响因素之一。管道注浆的主要目的有三个，一是防腐作用：保护预应力钢筋免遭锈蚀，保证预应力混凝土构件的安全寿命；二是协同作用：使预应力钢筋与混凝土良好结合，保证预应力的有效传递，两者共同工作，并控制超载时裂缝的间距和宽度，同时避免预应力钢筋锚固端应力过分集中；三是抗疲劳作用：消除预应力混凝土构件在反复荷载作用下，由于应力变化对锚具造成的疲劳破坏，提高结构的可靠度和耐久性。

预应力管道注浆质量的主要缺陷为管道注浆不密实。管道注浆不密实会降低预应力管道结构设施的耐久性从而影响其运营的安全性，国内外已出现多起因预应力管道注浆不密实引起的桥梁垮塌事故。因此，预应力管道注浆质量检测在桥梁建设和现有桥梁安全性检测方面具有重要的指导意义。

目前，检测桥梁预应力管道注浆密实度的方法主要有钻芯法、雷达法、红外法、射线法和应力波检测法。钻芯法为破坏性检测多用于验证性检测，密集钢筋干扰限制了雷达法的应用，设备复杂和危害性限制了红外法与射线法的使用。应力波检测法包括超声波检测法和冲击回波法。混凝土预应力梁中的管道结构体系是由水泥浆、孔隙、预应力钢筋和波纹管等组成的多相复合体系，对高频的超声波信号衰减和干扰比较大，限制了超声波检测法的应用。冲击回波法是一种基于应力波的无损检测法，其原理是利用冲击产生应力波，该应力波会在结构中传播从而被内部缺陷和外部表面反射，来回反射的应力波会形成一种特殊模态，在激发点附近接收回波信号并将信号通过快速傅里叶变换转换至频域中，通过分析主频大小评定结构内部缺陷情况。冲击回波法因其检测方式和评定方式简单广泛应用于桥梁预应力管道密实度检测中。

影响冲击回波法在预应力管道注浆质量准确评定的主要因素是主频值的正确提取。传统直接快速傅里叶变换提取主频值存在频率分辨率低，而通过增加采样字节来提高频率的分辨率的方法会增加一些无用的干扰信号，从而影响主频值的正确提取。用单一主频值来对应管道注浆质量会因外界干扰存在较大的误差，并且单点主频值不能显示较好的形象化图像。

预应力管道结构为多相的凝聚体和具有弹、粘、塑性的非均质材料。应力波在这种复杂体系中的传播和效应使得回波信号极为复杂。复杂的回波信号影响了传统快速傅里叶变换分析用于冲击回波法在管道注浆质量检测的准确评定，对于这种复杂的非稳态信号需要一种新的简单与准确的分析方法和成像方式。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种简单有效的基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，包括如下步骤：

（1）基于砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料属性，根据管道注浆质量的多少，建立不同的管道注浆质量有限元模型；

（2）激发应力波并获取应力波检测信号：对任一管道注浆质量有限元模型，在砼体外壁对应管道中心位置处施加脉冲载荷，激发应力波，在砼体表面获取回波的时域信号，即应力波检测信号；

（3）对步骤（2）获取的应力波检测信号进行带通滤波处理；

（4）采用小波变换法提取带通滤波后应力波检测信号中的八阶细节信号D8（以下称为“D8细节信号”）；

（5）对D8细节信号进行细化处理，然后利用快速傅里叶变换将所有细化处理后的八阶细节信号D8转换为频域信号；

（6）改变管道注浆质量，重复步骤（2）～（5）；

（7）将得到的不同管道注浆质量所对应的频域信号，进行图像堆积显示。

进一步，步骤（1）中，所述管道注浆质量有限元模型中包括砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料参数以及表征管道注浆质量的管道注浆密实度C；所述砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料参数包括砼体、管道和注浆体各自的弹性模量E、密度ρ和泊松比υ；管道注浆密实度C的表达式为

$C=\frac{H}{D}\×100\%$ ①；

式①中，D为管道的直径，H为注浆体的厚度。

进一步，步骤（2）中，在砼体外壁所施加的脉冲载荷为接触时间为50us，幅值为100N的半正弦力；在脉冲载荷施加位置上方5cm处获取应力波检测信号。

再进一步，步骤（2）中，获取应力波检测信号时，采样间隔为1us，采样时间为2ms。

进一步，步骤（3）中，进行带通滤波处理时，通频带的低频段的截止频率小于频率f，高频段的截止频率大于频率f；其中，频率f表达式为：

$f=\frac{V}{2T}$ ②；

式②中，T为砼体的厚度，V为砼体中的纵波波速。

进一步，步骤（4）中，小波变换法采用小波DB06。

再进一步，步骤（5）中，细化处理的方法是在D8细节信号的末端，使信号的时间长度加长5倍，并使加长的时间所对应的振动位移幅值为零；

更进一步，在D8细节信号的末端，使信号的时间长度加长5倍。

进一步，步骤（7）中，图像堆积的方法为：将不同管道注浆质量所对应的频率信号进行Y方向排列，X方向为频率值，用颜色的深浅表示频率值的幅值。

本发明通过在小波提取的D8细节信号的末端补加一些零，即将应力波检测信号的时间长度（即采样时间的长度）由原来的2ms变为10ms，并使加长的时间所对应的振动位移幅值为0，由此将频率的分辨率由原来的500Hz提高至100Hz，从而能判别注浆质量在50%以下的注浆不密实情况，且本发明的方法简单有效。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法的流程图；

图2示出了本发明方法中的管道注浆质量有限元模型；

图3是本发明方法中通过模拟计算得到应力波检测信号的流程图；

图4a示出了管道注浆密实度C为100%时在86us时刻应力波传播情况；

图4b示出了管道注浆密实度C为0%时在86us时刻应力波传播情况；

图5示出了基于小波DB06提取D8细节信号的计算流程图；

图6a示出了管道注浆密实度C为0%时，2000Hz至6000Hz带通滤波后的应力波检测信号；

图6b示出了管道注浆密实度C为0%时，基于小波DB06提取的D8细节信号；

图7a示出了采用本发明方法处理后的图像堆积结果；

图7b示出了传统快速傅里叶变换处理后的图像堆积结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明所提供的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，包括如下步骤：

第一步：基于砼体1、砼体1中管道2和管道2中注浆体3各自的材料属性，根据管道中注浆体质量的多少，建立不同的管道注浆质量有限元模型（见图2）。

其中，管道注浆质量有限元模型中包括砼体1、砼体1中管道2和管道2中注浆体3各自的材料参数以及表征管道注浆质量的管道注浆密实度C。

砼体1、砼体1中管道2和管道2中注浆体3各自的材料参数包括砼体1、管道2和注浆体3各自的弹性模量E、密度ρ和泊松比υ。

管道注浆密实度C的表达式为：

$C=\frac{H}{D}\×100\%$ ①；

式①中，D为管道1的直径，H为注浆体3的厚度。

第二步：激发应力波并获取应力波检测信号。

具体方法是：对任一管道注浆质量有限元模型，在砼体1外壁对应管道2中心位置处（图2中箭头a所指示的位置）施加脉冲载荷激发应力波，在砼体1表面脉冲载荷施加位置上方约5cm处（图2中箭头b背离的位置）获取回波的时域信号，即应力波检测信号。

所施加的脉冲载荷，例如，可以为接触时间为50us，幅值为100N的半正弦力。

获取应力波检测信号时，采样间隔设定为1us，采样时间设定为2ms。

在这一步中，可以针对实际的管道注浆质量有限元模型，采用超磁震源激发应力波，采用压电传感器检波，按设定的采样间隔和采用时间采集数据。

也可以采用软件（例如ANSYS分析软件）模拟计算应力波检测信号。

ANSYS是一款高端通用机械分析软件，包含通用结构力学分析部分（Structure模块）、热分析部分（Professional）及其耦合分析功能。ANSYS Mechanical具有一般静力学、动力学和非线性分析能力，也具有稳态、瞬态、相变等所有的热分析能力以及结构和热的耦合分析能力，可以处理任意复杂的装配体，涵盖各种金属材料和橡胶、泡沫、岩土等非金属材料。ANSYS的耦合场分析功能具有声学分析、压电分析、热/结构耦合分析和热/电耦合分析能力。ANSYS也可与ANSYS CFX专业流体分析模块进行实时双向的流固耦合分析。

如图3所示，采用ANSYS分析软件模拟计算应力波检测信号的具体方法为：

对特定的管道注浆质量有限元模型，设置材料参数与模型尺寸，划分网格，输入脉冲载荷参数和边界条件，设置瞬态分析求解控制选项，求解，在后处理Post26中获取距激发位置5cm处的位移随时间变化数据，即得到应力波检测信号。

第三步：对第二步获取的应力波检测信号进行带通滤波处理。

通常，进行带通滤波时，通频带的低频段的截止频率小于频率f，高频段的截止频率大于频率f。这里，频率f的表达式为：

$f=\frac{V}{2T}$ ②；

式②中，T为砼体厚度，V为砼体中的纵波波速。

一般，通频带的低频段的截止频率为频率f的0.5倍，高频段的截止频率为频率f的1.5倍。

第四步：采用小波变换法提取带通滤波后应力波检测信号中的D8细节信号，小波变换法的计算流程见图5。

优选地，小波变换时采用小波DB06。

第五步：对D8细节信号进行细化处理。

本发明中采用细化处理的目的是提高频率的分辨率，因此，各种能够提高频率的分辨率的细化处理方法都适用于本发明。

在优选的实施方式中，可以采用以下方法对D8细节信号进行细化处理：在D8细节信号的末端，使信号的时间长度加长，并使加长的时间所对应的振动位移幅值为零，然后利用快速傅里叶变换将所有加零处理后的D8细节信号转换为频域信号。更优选地，使信号的时间长度加长3-8倍，例如为5倍。

第六步：改变管道注浆质量，重复上述第二步至第五步。

第七步：将得到的不同管道注浆质量所对应的频域信号，进行图像堆积显示。图像堆积的方法为：将不同注浆密实度所对应的频率信号进行Y方向排列，X方向为频率值，用颜色的深浅表示频率值的幅值。

以下以一个实施例具体说明本发明。

ⅰ）选取模型材料，对不同管道注浆质量（即管道注浆密实度C分别为100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%），建立如图2所示的管道注浆质量有限元模型。

其中，砼体1为C50，管道2为HPPE波纹管，注浆体3为M42.5型水泥。材料参数如表1所示。

表1

	E(GPa)	ρ(Kg/m3)	υ
				砼体	33.5	2400	0.2
管道	1.07	952	0.41
				注浆体	10	3120	0.2

ⅱ）不同管道注浆质量下的模拟计算及数据提取

本实施例中，利用ANSYS分析软件对不同管道注浆质量有限元模型进行模拟计算，获取应力波检测信号。

模拟时，对任一管道注浆质量有限元模型，砼体1长度为50cm，宽度为100cm，波纹管2内径为7cm，壁厚为5mm，在砼体1表面施加接触时间为50us、幅值为100N的半正弦力激发应力波。

模拟计算时，设置材料参数与模型尺寸，划分网格，输入脉冲载荷参数和边界条件，设置瞬态分析求解控制选项（采用Full法，时间步长为1us、计算时间为2ms），求解，在后处理Post26中获取距激发位置5cm处的位移随时间变化数据，即得到应力波检测信号，得到某一管道注浆密实度C下对应的应力波检测信号。

ⅲ）对步骤ⅱ）获取的应力波检测信号进行带通滤波处理。

砼体1厚度为50cm，砼体1的纵波波速为4000m/s，根据式②计算得到频率f为4000Hz。进行带通滤波时，通频带的低频段的截止频率为2000Hz，高频段的截止频率为6000Hz。

ⅳ）基于小波DB06提取带通滤波处理后应力波检测信号中的D8细节信号。

ⅴ）对D8细节信号进行细化处理，细化处理时，将采样时间由2ms延长至10ms，并将2ms后的所有振动位移幅值设为0，然后利用快速傅里叶变换将所有细化处理后的D8细节信号转换为频域信号。

ⅵ）改变管道注浆质量，重复上述步骤ⅱ）～ⅴ）。

图4a示出了管道注浆密实度C为100%时在86us时刻应力波传播情况。

图4b示出了管道注浆密实度C为0%时在86us时刻应力波传播情况。

图6a示出了管道注浆密实度C为0%时带通滤波后的应力波检测信号。

图6b示出了管道注浆密实度C为0%时基于小波DB06的D8细节信号。

ⅶ）基于上述所有频域信号进行图像堆积显示。

具体方法是：将不同管道注浆质量（即管道注浆密实度C）所对应的频率信号进行Y方向排列，X方向为频率值，用颜色表示频率值的幅值大小。

图7a示出了采用本发明方法处理后的图像堆积结果，图7b示出了采用传统快速傅里叶变换处理后的图像堆积结果。

根据理论分析和数值计算的结果可知，当应力波在砼体中传播时，会在外部表面处发生反射，来回反射的应力波会形成一种特殊共振模式即瞬态共振模态。在激发点附近接收应力波回波信号并将信号通过快速傅里叶变换将应力波回波信号转换至频域中，就可以提取这种瞬态共振模态的频率值即瞬态共振频率。当砼体中管道内部注浆不密实时，会降低瞬态共振频率使其往低频方向偏移。管道注浆不密实程度越大，瞬态共振频率值往低频偏移程度越大。图7a、7b上，当管道注浆密实度为100%时，瞬态共振频率值为4000Hz左右，当管道注浆密实度为10%时，瞬态共振频率值往低频方向偏移至3000Hz左右。

从图7b可以看出，采用传统快速傅里叶变换处理后的堆积图像中，当管道注浆密实度小于等于10%时，才能明显的显示出往低频偏移的瞬态共振频率值，即传统的快速傅里叶变换处理方法对于放大这种因为管道注浆不密实而造成的瞬态共振频率低频偏移程度的能力不够，只有当管道注浆不密实度高达90%时，传统的快速傅里叶变换处理方法才能提取出这种偏移。因此采用传统快速傅里叶变换处理后的堆积图像只能判别注浆质量在10%以下时管道注浆不密实的情况。

从图7a可以看出，采用本发明的方法处理后的图像中，管道注浆质量在50%以下时，瞬态共振频率已出现了往低频偏移的现象，这说明，本发明的方法可以在管道注浆密实度为50%时，就能提取出因管道注浆不密实造成的瞬态共振频率低频偏移的情况，即将传统处理方法中可识别的10%管道注浆密实提升至50%的管道注浆密实度。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，包括如下步骤：

（1）基于砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料属性，根据管道注浆质量的多少，建立不同的管道注浆质量有限元模型；

（2）激发应力波并获取应力波检测信号：对任一管道注浆质量有限元模型，在砼体外壁对应管道中心位置处施加脉冲载荷，激发应力波，在砼体表面获取回波的时域信号，即应力波检测信号；

（3）对步骤（2）获取的应力波检测信号进行带通滤波处理；

（4）采用小波变换法提取带通滤波后应力波检测信号中的八阶细节信号D8；

（5）对八阶细节信号D8进行细化处理，然后利用快速傅里叶变换将所有细化处理后的八阶细节信号D8转换为频域信号；

（6）改变管道注浆质量，重复步骤（2）～（5）；

（7）将不同管道注浆质量所对应的频域信号，进行图像堆积显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（1）中，所述管道注浆质量有限元模型中包括砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料参数以及表征管道注浆质量的管道注浆密实度C，所述砼体、砼体中管道和管道中注浆体各自的材料参数包括砼体、管道和注浆体各自的弹性模量E、密度ρ和泊松比υ；管道注浆密实度C的表达式为

$C=\frac{H}{D}\×100\%$ ①；

式①中，D为管道的直径，H为注浆体的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（2）中，在砼体外壁所施加的脉冲载荷为接触时间为50us，幅值为100N的半正弦力；在脉冲载荷施加位置上方5cm处获取应力波检测信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（2）中，获取应力波检测信号时，采样间隔为1us，采样时间为2ms。

5.根据权利要求1所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（3）中，进行带通滤波处理时，通频带的低频段的截止频率小于频率f，高频段的截止频率大于频率f；其中，频率f表达式为：

$f=\frac{V}{2T}$ ②；

式②中，T为砼体的厚度，V为砼体的纵波波速。

6.根据权利要求1所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（4）中，小波变换法采用小波DB06。

7.根据权利要求1所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（5）中，细化处理的方法是在八阶细节信号D8的末端，使信号的时间长度加长3-8倍，并使加长的时间所对应的振动位移幅值为零。

8.根据权利要求7所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，在八阶细节信号D8的末端，使信号的时间长度加长5倍。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于小波提取的管道注浆质量应力波检测信号处理方法，其特征在于，步骤（7）中，图像堆积的方法为：将不同注浆质量所对应的频率信号进行Y方向排列，X方向为频率值，用颜色的深浅表示频率值的幅值。

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