CN108205016A - 声发射塔吊安全检测的工控机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声发射塔吊安全检测的工控机系统。该声发射塔吊安全检测的工控机系统包括：数据采集存储模块，其用于选择存储路径、选择采集通道和设置采集参数；数据处理及分析模块，其用于参数分析、信号去噪和特征信号提取；以及结果显示及输出模块，其用于提供操作及交互界面。该声发射塔吊安全检测的工控机系统利用声发射技术实现精密测量，实现早期损伤的预警，对损伤的扩展能够监测，采样率和转换率均高，能够实现高精度、高灵敏度测量。

Description

声发射塔吊安全检测的工控机系统

技术领域

本发明涉及塔吊安全检测领域，特别涉及一种声发射塔吊安全检测的工控机系统。

背景技术

塔吊是一种常用的起重设备，在使用中长期受多种载荷的作用，其承载焊接结构是容易发生损伤的部位，近年来已有很多关于塔吊安全事故的报道，因此塔吊的的安全性非常重要。塔吊检测主要以停机定检、监检为主，检查内容主要包括：安装全过程的文件检查、资料核对、现场检查及人员检查等。常规检测耗时耗力，无法及时检测到运行过程中所产生的损伤和扩展。同时，即使常规检测合格后，依然存在运行中的损伤事故风险。

目前除了常规检测手段，技术上追求能够对塔吊进行实时检测并实现预警，从而避免发生重大安全事故。以下介绍一种塔吊安全检测系统的设计方案，但在工程实际中，仍然是常规手段的检测为主。

常规手段的检测的一种塔吊安全检测系统的主要组成，电源系统、风速传感器、形变测量模块、温湿度传感器、倾角传感器、电机模块以及人机交互模块。系统启动后，风速传感器、温湿度传感器、倾角传感器将所测得的测量值，传送至主控；经主控与风力预设值、塔身倾角预设值(相关国家标准规定：风力大于6级时停止工作，塔身倾斜度小于2/1000)等对比，若测量值小于预设值，系统工作；若该值大于预设值，系统报警。系统运行后，能够不断测量变形等测量值，测量值超出预设值即发出报警，从而实现安全监测目的。人机交互模块实现实时显示，方便驾驶员直观监测运行过程。

此技术方案能够实现对塔吊运行过程中的宏观状态，如：环境风速、变形量、倾斜量等实现监测，但这只是塔吊工作的最低安全保证。塔吊事故中存在很大比例的断裂等严重事故，是承载结构及局部应力集中等引起的，这些易发事故的部位更值得关注，因为承载的原因，事故发生的非常快速且严重，常规检测及以上方案的检测不能发现隐含的损伤和损伤的扩展，进而不能实现更有效的早期预警。

现有塔吊安全检测技术中，常规检测技术含量低，不能发现隐含损伤及预警，只能做基本的安全检查，确保塔吊的安装、操作、维护等符合安全规定；上文介绍的一种安全检测技术方案，利用多传感器检测塔吊的变形量等物理参数，对于塔吊这种大型起重设备，测量值易受多种因素干扰，且只能保证最低的安全条件，实际应用意义不大。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单合理的声发射塔吊安全检测的工控机系统，该声发射塔吊安全检测的工控机系统利用声发射技术实现精密测量，实现早期损伤的预警，对损伤的扩展能够监测，采样率和转换率均高，能够实现高精度、高灵敏度测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种声发射塔吊安全检测的工控机系统，该声发射塔吊安全检测的工控机系统包括：数据采集存储模块，其用于选择存储路径、选择采集通道和设置采集参数；数据处理及分析模块，其用于参数分析、信号去噪和特征信号提取；以及结果显示及输出模块，其用于提供操作及交互界面。

优选地，上述技术方案中，数据采集存储模块具有连续采集模式和触发采集模式。

优选地，上述技术方案中，数据处理及分析模块的参数分析包括：对波形进行RMS值、最高单频、最高单频幅值、峰值个数进行参数历经分析，以及对存储的信号进行某通道的波形提取，并进行STFT时频分析。

优选地，上述技术方案中，数据处理及分析模块还包括：FFT频谱分析模块、信号截取模块、小波去噪及分解重构模块。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该声发射塔吊安全检测的工控机系统利用声发射技术实现精密测量，对大量的数据进行去噪、提取特征等优化处理，实现实时处理并得出有用的信息，并在信号处理基础上，实现早期损伤的预警，对损伤的扩展能够监测，采样率和转换率均高，能够实现高精度、高灵敏度测量。

附图说明

图1为本发明的声发射塔吊安全检测系统的结构示意图。

图2为本发明的声发射塔吊安全检测系统的工控机结构示意图。

图3为本发明的声发射塔吊安全检测系统的数据处理及分析模块的信号处理流程图。

图4为本发明的声发射塔吊安全检测系统的数据处理及分析模块的数据样本处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明具体实施方式的声发射塔吊安全检测系统的具体结构包括：声发射传感器1、前置放大器2、数据采集卡3和工控机4，其中，被测对象5的表面经处理后，使用耦合剂与声发射传感器1连接，经传输电缆连接前置放大器2、数据采集卡3、工控机4，通过工控机4设置采集参数。开始采集数据后，将采集的数据输送到工控机4，调用工控机4的功能模块实现处理、分析及结果输出。

具体来讲，声发射传感器1采用北京声华SRI150型传感器，内置40dB前放，主要参数：使用温度：-20～50℃；接口：BNC侧面；频率范围：60kHz～400kHz(金属材料产生的声发射大部分是在超声范围，声发射的频率多在100～300kHz)；谐振频率：150kHz；灵敏度峰值：＞115dB；防护等级：IP66。SRI150型传感器参数满足塔吊金属母材声发射范围，声发射信号很微弱。

前置放大器2与声发射传感器1连接，用于放大声发射传感器1采集的声发射信号，优选的，前置放大器2为40dB放大器，内置在所选用的SRI150型传感器内部，其安装、接线、携带方便，减少了噪声环节。信号传输方案采用电缆线，经济实用。

数据采集卡3是声发射检测系统的核心部件，其性能决定了整个系统的性能。数据采集卡3包括：NI 9223C系列模块和NI cDAQ-9171单槽USB采集机箱，实现工程现场的便捷采集方案。NI 9223C系列模块具有4个差分通道，每通道1MS/s同步采样率；±10V测量范围，16位分辨率，精度0.00306V；-40到70℃工作温度范围，5g抗振动，50g抗冲击。同时为了能够实现便携式方案，数据采集卡模块配合NI cDAQ-9171CompactDAQ单槽USB采集机箱，实现工程现场的便捷采集方案。该结构具有体积小、易携带，高采样率、16位高精度，在性能参数上实现了最优匹配，兼顾了速度和精度。同时，数据采集卡加机箱的组合，轻易能够实现将来的系统升级扩容，只需换一个多卡槽机箱，此数据采集卡可重复使用，并可配不同性能参数的数据采集卡或其他信号处理模块。

如图2所示，工控机4包括：数据采集存储模块6、数据处理及分析模块7和结果显示及输出模块8。数据采集存储模块是系统的基础功能，具有选择存储路径、选择采集通道、设置采集参数等；数据处理及分析模块具有参数分析、信号去噪和特征信号提取等功能；结果显示及输出模块为提供良好的操作及交互界面。

其中，数据采集存储模块具有连续采集模式和触发采集模式，连续采集即为正常的连续采样采集数据，触发采集可一定程度解决数据量过大的问题，通过合理设置阈值，能够在产生触发信号的情况下开始将信号写入文件。设置采集参数包括：通道选择、输入范围、采样频率等。文件存储格式选择了NI主推的一种二进制记录文件TDMS(Technical DataManagement Streaming)格式，这种格式的文件能够方便被其他函数调用，文件中包含了通道等基本信息，存储速度快。TDMS格式是本课题在数据存储方面是一种非常不错的选择。利用软件的并行处理能力，DAQ进程和TDMS存储进程并行执行，采用在单While循环中同时进行信号采集和存储的设计，这样能够减少软件延迟，加快数据的存储速度，结构简单易管理。

数据处理及分析模块主要用于对波形进行RMS值、最高单频、最高单频幅值、峰值个数进行参数历经分析，并对存储的信号进行某通道的波形提取，并进行STFT时频分析。

为后期实验数据的分析提供了支持。数据处理及分析模块还包括：FFT频谱分析模块、信号截取模块(可按时间段或偏移量截取)、小波去噪及分解重构模块，完善了整个系统功能。

如图3所示，数据处理及分析模块的信号处理过程包括：

(1)信号去噪

声发射信号的特点决定了其易受噪声干扰，尤其是测得的微弱有用声发射信号被噪声淹没会影响检测的有效性。从大量噪声背景中检测识别出缺陷声发射信号，是声发射技术研究的难点，本文研究的对象为塔吊承载焊接结构，因检测现场的噪声丰富且复杂多变，如果偶发的因素造成噪音干扰信号的频谱和感兴趣的裂纹缺陷频谱重叠，普通的去噪方式将不再有效，很难进行分离。本设计采用了小波分析的去噪方法，小波分析给声发射信号去噪提供了强大的工具，使去噪更加精细，能在去噪的同时保留尽可能多的细节信号。经实验分析，设计了采用Db14小波基函数进行三层小波分解的方案，通过软件编程实现信号的小波去噪，同时，降低算法的时间利于实时处理。

(2)特征信号提取

通过对塔吊金属母材的大量实验分析，选用了Db14小波进行5层分解，将D1和D2层进行信号重构，不仅进一步压缩信号的信号量，同时保留了关键频带和信号主要能量。

(3)模式识别

本设计方案采用BP神经网络对采集到的声发射信号进行严重度的识别，通过严重度的划分，再结合声发射信号的活跃度指标，对信号进行安全评价，实现预警功能。

模式识别中，在去噪、重构信号处理后的基础上，采用最高单频频率参数和最高单频幅值参数两个进行综合识别。

BP神经网络参数设计：使用三层网络结构，三层网络设计主要包括：输入层、隐层、输出层。输入输出层设定：样本的特征向量个数即为输入节点数，样本划分的类别可定为输出层节点数。本文选则了40个点的特征参数，其中最高单频及最高单频幅值两个参数各取20个特征点，因此输入节点定为40，本文对声发射信号的识别为严重程度，划分了三个等级：根据截取的信号的RMS值分布，将1v以下定为第一级，1v至2v定为第二级，2v以上定为第三级，对应输出分别为0，1，2。输出设置为1×60的向量，输出节点可设为1；隐层设定为7，效果较理想；传递函数的选择：传递函数主要有S型对数函数logsig、正切函数tansig，线性函数purelin，经过测试，本文选择隐含层对数函数tansig，输出层采用线性函数purelin。

如图4所示，数据样本处理步骤：

(a)选Db14小波进行三层小波分解去噪，去噪具体方法如上文处理步骤；

(b)对去噪后的样本信号进行Db14小波五层分解，重构D1和D2层信号；

(c)对重构信号进行参数历经图分析，并提取历经参数。如最高单频频率参数，20ms信号按每1ms计算，共得到20个参数点，最高单频幅值参数处理方法相同。由此可以构造具有40参数的单个样本，根据需要采集适合大小的有效输入样本集，训练样本集越大，识别精度越高。

对采集分析软件的功能模块优化，加入了按时间精确截取数据段的模块，如下图。通过对数据样本的后期梳理及更精确的提取，能够有效提高识别率。利于发现细微有用声发射信号。

(4)安全评价

将声发射信号的严重程度按提取的特征信号分为了三个等级，定义为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。参考压力容器声发射检测评价技术，考虑到工程应用中不存在加压及保压的过程，将声发射信号按发生频度划分源的活跃程度，可分为非活、一般、中等、强活四等。将这两个指标联合形成安全评价等级划分，如下表：

表格1

塔吊的工作环境中因有人员参与施工作业等，为安全考虑表1的安全评价等级划分偏保守，A代表安全；B代表轻微裂纹，不用复检；C代表中度裂纹，考虑停工复检；D代表严重裂纹，危险。

取实验中一段声发射信号。在截取声发射信号分析后得到几个声发射信号严重度为Ⅰ级，声发射的频度前段间断有声发射信号，属一般频度，后半部分连续几个声发射信号属中等频度，综合评价等级为B级，为轻微裂纹。由此可实现对塔吊重点结构如焊接结构等处的声发射信号进行初步安全性的评价。

本申请具有以下技术优点：

1、实现塔吊安全的动态在线无损检测，系统携带方便、测量精度高、反应灵敏。由于采用了声发射技术，无需对塔吊停机进行检测，塔吊工作过程中，按操作方案及检测位置布设传感器，即可实时采集并分析声发射信号；采用的NI采集卡方案，采样频率高、分辨率高，能够捕捉到精细的微裂纹声发射信号，确保不遗漏有用信号；整体方案设计采用了便于携带及可扩展性，操作方便。

2、对塔吊重点承载部位的损伤，尤其是微观损伤的产生、扩展能够实现最早期的发现及预警。本设计方案针对塔吊的金属结构件内部损伤进行检测，相比于通过普通位移传感器测量宏观位移物理量，更加精细，能够发现隐藏的早期损伤部位及程度，从而在微裂纹形成宏观断裂等严重损伤之前，被检测发现。

综上，该声发射塔吊安全检测系统利用声发射技术实现精密测量，对大量的数据进行去噪、提取特征等优化处理，实现实时处理并得出有用的信息，并在信号处理基础上，实现早期损伤的预警，对损伤的扩展能够监测，采样率和转换率均高，能够实现高精度、高灵敏度测量。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种声发射塔吊安全检测的工控机系统，其特征在于，包括：

数据采集存储模块，其用于选择存储路径、选择采集通道和设置采集参数；

数据处理及分析模块，其用于参数分析、信号去噪和特征信号提取；以及

结果显示及输出模块，其用于提供操作及交互界面。

2.根据权利要求1所述的声发射塔吊安全检测的工控机系统，其特征在于，所述数据采集存储模块具有连续采集模式和触发采集模式。

3.根据权利要求1所述的声发射塔吊安全检测的工控机系统，其特征在于，所述数据处理及分析模块的参数分析包括：对波形进行RMS值、最高单频、最高单频幅值、峰值个数进行参数历经分析，以及对存储的信号进行某通道的波形提取，并进行STFT时频分析。

4.根据权利要求1所述的声发射塔吊安全检测的工控机系统，其特征在于，所述数据处理及分析模块还包括：FFT频谱分析模块、信号截取模块、小波去噪及分解重构模块。