CN104297345A - 一种一维结构的不连续在线检测方法 - Google Patents

Abstract

一种一维结构的不连续在线检测方法，包括选择检测导波；布置检测点，每个检测点包括振动信号收发装置和数据处理装置；利用所述的传感器进行振动信号测量；计算统计量、群速度和衰减率；计算振动信号的时间频率谱；利用不同传感器的回波利用相同结构不连续在不同传感器测得的振动信号a₁和a₂中回波时刻t_1n和t_2n的先后判断结构不连续在激励装置的左侧或者右侧；计算结构不连续点与激励装置的距离；计算各结构不连续处的散射系数；类型识别。本发明能够快速定位结构不连续，识别不连续类型，对于诸如管道、钢轨等重要的一维结构上的缺陷，实时掌握并正确估计其位置和损伤程度，检测速度快，不影响管道运输、轨道交通等的正常运行。

Description

一种一维结构的不连续在线检测方法

技术领域

本发明涉及一维结构不连续的在线检测方法，属于无损检测领域。

背景技术

钢轨、管道等重要一维结构，由于外界环境的动力冲击、摩擦、人为破坏等影响，在使用过程中不可避免的会产生磨损、疲劳损伤、破裂等结构缺陷，对社会安全和国家利益造成重大影响。因此，实时监控这类一维结构的缺陷位置和程度，是确保运营安全和经济利益的必要措施。

我国传统的一维结构检测方法，主要依靠离线式检测和人工检测。重要的一维工程结构主要是管道和钢轨，这些长距离一维结构的检测多采用超声波扫描的方式，这些检测方法缺乏实时性，不能在线实时监测一维结构的健康状况。例如钢轨的检测常利用轨道探伤车，利用超声波对轨道的表面进行扫描，轨道探伤车虽然检测准确度高，但价格昂贵、运行成本高，检测时影响正常的轨道运营且存在轨底等检测盲区，无法满足当前我国铁路高速化、重载化对轨道安全性进一步提高的要求。其次是现在先进的检测技术都在国外，相比之下我国缺乏在线式一维检测方法。基于上述原因，在国内外已有成果的基础上，开展一维结构不连续的在线检测方法，对于保障工程结构的安全运转，提高我国工业水平的提高具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种一维结构不连续在线检测方法，以实现不连续的快速定位和类型识别。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①选择检测导波；

②在待检测的一维结构上布置检测点，每个检测点包括振动信号收发装置和数据处理装置，所述的振动信号收发装置包括至少一个激励装置和分别设置在该激励装置两边的两个传感器；

③利用所述的传感器进行振动信号测量；

④通过计算振动信号的统计量和检测导波的群速度、衰减率，进行系统自检，计算得到的统计量、群速度和衰减率进一步用于之后的不连续检测；

⑤计算振动信号的时间频率谱，利用该时间频率谱识别不连续点的回波时间；

⑥利用不同传感器的回波利用相同结构不连续在不同传感器测得的振动信号a₁和a₂中回波时刻t_1n和t_2n的先后判断结构不连续在激励装置的左侧或者右侧：

当t_1n-t₁₀<t_2n-t₂₀，则结构不连续位于激励装置的左侧；

当t_1n-t₁₀>t_2n-t₂₀，则结构不连续位于激励装置的右侧；

其中，直达波的时刻为t₁₀和t₂₀，第n个回波的时刻为t_1n和t_2n，n＝1,2,3…；回波的时刻t_mn为频率f的函数，m＝1,2,3，…表示传感器编号；

⑦计算结构不连续点与激励装置的距离，公式如下：

$L_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{f_1-f_2}{\&Integral;}_{f_2}^{f_1}{v}_g(t_{\mathrm{mn}}-t_{m0})\mathrm{df}$

$x_L=\frac{1}{4}(-2x_1+L_{1n}+L_{2n})$

$x_R=\frac{1}{4}(L_{1n}-2x_2+L_{2n})$

其中，v_g为检测导波的群速度，该群速度是频率f的函数，L_mn为回波时刻t_mn对应的回波的传播距离，x_L左侧的结构不连续至激励装置的距离，x_R为的结构不连续至激励装置的距离。

⑧利用测量到的振动信号计算各结构不连续处的散射系数，具体是：

首先，截取振动信号a₁和a₂中以t₁₀和t₂₀的时刻为中心、且长度等于脉冲持续时间的脉冲信号，得到直达波a₁₀和a₂₀；

截取振动信号a₁和a₂中以t_1n和t_2n的时刻为中心、且长度等于脉冲持续时间的脉冲信号，得到回波a_1n和a_2n；

对直达波和回波进行频谱分析，得到直达波波幅为A₁₀、A₂₀，回波波幅为A_1n、A_2n；

然后，根据反射系数的计算公式计算出结构不连续处对应的反射系数r_M：

$r_M=\frac{1}{2}(\frac{A_{1n}}{A_{10}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{1n}}+\frac{A_{2n}}{A_{20}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{2n}})$

其中，δ为所选检测导波在待检一维结构中的衰减率，衰减率δ是频率f的函数；

⑨对一维结构不连续进行类型识别，具体是：

构建该一维结构反射系数的专家数据库；

根据步骤⑧求得的反射系数，与专家数据库中典型不连续的反射系数曲线相比较，专家数据库中

与该不连续的反射系数偏差最小的曲线对应的不连续类型即为该不连续所属的类型。

所述的检测导波的选择依据为对潜在的结构不连续敏感，且在待检测一维结构中传播时具有小的衰减率。

所述的检测点的布置依据的原则为：相邻检测点的有效检测区段间有一定重合度，每个检测点的有效检测区段为该点分别向左右延伸，延伸的距离为所选检测导波的有效传播距离的一半。

所述的检测点的最小单位为一个激励装置和二个传感器，定义波导长度的延伸方向为x轴，激励装置的位置为x＝0，传感器的位置分别为x＝x₁和x＝x₂。可以通过更多的激励和传感器以增加系统冗余度。

所述的激励装置为在一维结构中产生特定模式的机械导波的装置。

所述的激励装置是压电换能器、电磁激振器或激光激振器。

所述的传感器组为加速度传感器、速度传感器或位移传感器中的一种或几种任意组合。

所述振动信号的测量，在典型结构的情况下，激励装置根据所选检测导波的类型产生沿一维结构传播的导波脉冲，在激励装置左侧和右侧的传感器测量得到的振动信号分别为a₁和a₂。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用能在一维结构上的长距离传播、对潜在的不连续敏感的长距离检测导波，能进行高实时性、大范围的无损检测，能够快速定位结构不连续，识别不连续类型。对于诸如管道、钢轨等重要的一维结构上的缺陷，能够实时掌握并正确估计其位置和损伤程度，检测速度快，不影响管道运输、轨道交通等的正常运行。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明的典型检测节点布置示意图；

图3是本发明方法中振动信号测量时直达波与回波示意图；

图4是本发明方法具体实施方式中测量的振动信号时域图，其中a₁与a₂分别为左侧和右侧传感器测得的振动信号；

图5是本发明方法具体实施方式中测得的振动信号a₁的时间频率谱；

图6是本发明方法具体实施方式中典型不连续的反射系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，首先选择一种便于测量的导波模式用于钢轨的结构缺陷检测，导波的选择依据两点：(a)对潜在的不连续敏感，(b)在一维结构中传播时具有较小的衰减率。

参照图2，检测节点间隔500m，每个检测节点包括1个激励装置和2个传感器。包括1个信号激励装置与2个传感器。

所述激励装置采用20×20×1mm、耐压达到300V，谐振频率为25kHz的压电陶瓷片。

所述传感器采用2个检测频率范围为0～40kHz的加速度传感器。

所述振动信号的测量，在典型结构的情况下，激励装置根据所选检测导波的类型产生沿一维结构传播的导波脉冲，在激励装置左侧和右侧的传感器测量得到的振动信号分别为a₁和a₂，如图4所示。

由振动信号通过短时傅里叶变换的方式获得振动信号时间频率谱P₁和P₂，如图5所示。直达波的时刻记为t₁₀和t₂₀，第n个回波的时刻为t_1n和t_2n(n＝1,2,3…)。回波的时刻t_mn(m＝1,2；n＝1,2,3,…)为频率f的函数。

利用相同结构不连续在不同传感器测得的振动信号a₁和a₂中回波时刻t_1n和t_2n的先后判断结构不连续在激励的左侧或者右侧。若t_1n-t₁₀<t_2n-t₂₀，则结构不连续位于不连续的左侧；反之，若t_1n-t₁₀>t_2n-t₂₀，则结构不连续位于不连续的右侧。

所选检测导波的群速度为v_g，群速度是频率f的函数。回波时刻t_mn对应的回波的传播距离为L_mn

$L_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{f_1-f_2}{\&Integral;}_{f_2}^{f_1}{v}_g(t_{\mathrm{mn}}-t_{m0})\mathrm{df}$

在激励装置左侧的结构不连续与激励的距离x_L

$x_L=\frac{1}{4}(-2x_1+L_{1n}+L_{2n})$

在激励装置右侧的结构不连续与激励的距离x_R

$x_R=\frac{1}{4}(L_{1n}-2x_2+L_{2n})$

所述的散射系数为反射系数，即该结构不连续类型识别方法基于透射系数，步骤7)、8)分别如下：

截取振动信号a₁和a₂中在t₁₀和t₂₀的时刻附近，长度等于脉冲持续时间的一半的脉冲信号，得到直达波a₁₀和a₂₀。截取a₁和a₂中在t_1n和t_2n的时刻附近，长度等于脉冲持续时间的一半的脉冲信号，得到回波a_1n和a_2n。对直达波和回波进行频谱分析，得到的直达波波幅为A_1n、A_2n，回波波幅为A_1n、A_2n。

用定位到的不连续的距离x_L、x_R，根据反射系数的计算公式计算出结构不连续处对应的反射系数r_M

$r_M=\frac{1}{2}(\frac{A_{1n}}{A_{10}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{1n}}+\frac{A_{2n}}{A_{20}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{2n}})$

根据求得的反射系数，与专家数据库中典型不连续的反射系数曲线相比较。钢轨上典型不连续的反射系数如图6所示。通过最小二乘法计算测量的反射系数r_M与不同不连续类型的反射系数曲线的偏差值，计算得到的偏差值最小的曲线为该类型不连续的典型反射曲线，待检的结构不连续类型与该曲线对应的典型不连续类型相同。

Claims (8)

1.一种一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①选择检测导波；

②在待检测的一维结构上布置检测点，每个检测点包括振动信号收发装置和数据处理装置，所述的振动信号收发装置包括至少一个激励装置和分别设置在该激励装置两边的两个传感器；

③利用所述的传感器进行振动信号测量；

④通过计算振动信号的统计量和检测导波的群速度、衰减率，进行系统自检，计算得到的统计量、群速度和衰减率进一步用于之后的不连续检测；

⑤计算振动信号的时间频率谱，利用该时间频率谱识别不连续点的回波时间；

⑥利用不同传感器的回波利用相同结构不连续在不同传感器测得的振动信号a₁和a₂中回波时刻t_1n和t_2n的先后判断结构不连续在激励装置的左侧或者右侧：

当t_1n-t₁₀<t_2n-t₂₀，则结构不连续位于激励装置的左侧；

当t_1n-t₁₀>t_2n-t₂₀，则结构不连续位于激励装置的右侧；

其中，直达波的时刻为t₁₀和t₂₀，第n个回波的时刻为t_1n和t_2n，n＝1,2,3…；回波的时刻t_mn为频率f的函数，m＝1,2,3，…表示传感器编号；

⑦计算结构不连续点与激励装置的距离，公式如下：

$L_{\mathrm{mn}}=\frac{1}{f_1-}{\&Integral;}_{f_2}^{f_1}{v}_g(t_{\mathrm{mn}}-t_{m0})\mathrm{df}$

$x_L=\frac{1}{4}(-2x_1+L_{1n}+L_{2n})$

$x_R=\frac{1}{4}(L_{1n}-2x_2+L_{2n})$

其中，v_g为检测导波的群速度，该群速度是频率f的函数，L_mn为回波时刻t_mn对应的回波的传播距离，x_L左侧的结构不连续至激励装置的距离，x_R为的结构不连续至激励装置的距离。

⑧利用测量到的振动信号计算各结构不连续处的散射系数，具体是：

首先，截取振动信号a₁和a₂中以t₁₀和t₂₀的时刻为中心、且长度等于脉冲持续时间的脉冲信号，得到直达波a₁₀和a₂₀；

截取振动信号a₁和a₂中以t_1n和t_2n的时刻为中心、且长度等于脉冲持续时间的脉冲信号，得到回波a_1n和a_2n；

对直达波和回波进行频谱分析，得到直达波波幅为A₁₀、A₂₀，回波波幅为A_1n、A_2n；

然后，根据反射系数的计算公式计算出结构不连续处对应的反射系数r_M：

$r_M=\frac{1}{2}(\frac{A_{1n}}{A_{10}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{1n}}+\frac{A_{2n}}{A_{20}}{e}^{-\mathrm{\&delta;}{L}_{2n}})$

其中，δ为所选检测导波在待检一维结构中的衰减率，衰减率δ是频率f的函数；

⑨对一维结构不连续进行类型识别，具体是：

构建该一维结构反射系数的专家数据库；

根据步骤⑧求得的反射系数，与专家数据库中典型不连续的反射系数曲线相比较，专家数据库中与该不连续的反射系数偏差最小的曲线对应的不连续类型即为该不连续所属的类型。

2.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的检测导波的选择依据为对潜在的结构不连续敏感，且在待检测一维结构中传播时具有小的衰减率。

3.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的检测点的布置依据的原则为：相邻检测点的有效检测区段间有一定重合度，每个检测点的有效检测区段为该点分别向左右延伸，延伸的距离为所选检测导波的有效传播距离的一半。

4.根据权利要求3所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的检测点的最小单位为一个激励装置和二个传感器，定义波导长度的延伸方向为x轴，激励装置的位置为x＝0，传感器的位置分别为x＝x1和x＝x2。可以通过更多的激励和传感器以增加系统冗余度。

5.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的激励装置为在一维结构中产生特定模式的机械导波的装置。

6.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的激励装置是压电换能器、电磁激振器或激光激振器。

7.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述的传感器组为加速度传感器、速度传感器或位移传感器中的一种或几种任意组合。

8.根据权利要求1所述的一维结构的不连续在线检测方法，其特征在于，所述振动信号的测量，在典型结构的情况下，激励装置根据所选检测导波的类型产生沿一维结构传播的导波脉冲，在激励装置左侧和右侧的传感器测量得到的振动信号分别为a₁和a₂。