CN108956764B - 一种爆炸复合管结合状态定量识别方法 - Google Patents

一种爆炸复合管结合状态定量识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，首先通过力锤在复合管的一端施加脉冲激励，在复合管的另一端使用加速度传感器采集振动响应信号x；然后，根据采集的振动响应信号x的特征构造经验小波变换的尺度函数和小波函数，并用于对振动响应信号进行模态分离；其次，将上述分离出的单频模态信号，确定采集到的有效模态信号，并计算最高阶模态信号希尔伯特包络
Figure DDA0001687136090000011
和最低阶模态信号希尔伯特包络
Figure DDA0001687136090000012
的能量比，作为检测指标；最后，依据检测指标识别复合管的结合状态。本发明公开的方法具有简单、可靠、易行，成本低，实时性强等特点，适用于现场实时定量识别管道的状态，实现了爆炸复合管结合状态的在线无损定量识别，具有重要的工程实用价值。

Description

一种爆炸复合管结合状态定量识别方法
技术领域
本发明属于机械结构健康状态检测技术领域，涉及一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法。
背景技术
爆炸复合管是利用炸药爆炸产生的巨大能量和冲击波，使衬管与基管发生高速碰撞，利用衬管与基管的相对变形使其相互结合，衬管和基管之间没有形成冶金结合界面，衬管和基管的结合主要靠基管和衬管之间的径向残余应力来维持。复合管结合状态的好坏直接影响其在工程中的应用，爆炸复合管的结合状态不良，在服役过程中会出现起皱、鼓包、分离、剥落等缺陷，造成其服役性能下降、失效，甚至引发事故和灾难性后果。因此，有效检测爆炸复合管结合状态，对扩展其应用范围，保证其使用安全性具有重要的工程实用价值。
目前常用的爆炸复合管结合状态检测方法有基于切割、拉伸、剪切和冲击试验等的破坏性抽检方法。这些方法检测成本高、效率低、误差大且无法实现在线定量检测，因此，一种能够实现结构在线、无损、定量检测的方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，解决了现有检测方法存在成本高、效率低以及无法在线定量检测的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1.振动响应信号的获取：通过力锤在复合管的一端施加脉冲激励，在复合管的另一端使用加速度传感器采集振动响应信号x；
步骤2.根据采集的振动响应信号x的特征构造经验小波变换的尺度函数和小波函数，并用于对振动响应信号进行模态分离；
步骤3.从步骤2分离出的单频模态信号，确定采集到的有效模态信号，并计算最高阶模态信号希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000021
和最低阶模态信号希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000022
的能量比，作为检测指标；
步骤4.依据检测指标识别复合管的结合状态。
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1通过FFT变换获得振动响应信号x的频谱f(ω)，ω为频率，搜索信号频谱的N个局部极大值，选取连续两个局部极大值的中间频率点作为频谱划分的边界ωn(n＝1,2,...,N-1)；
步骤2.2根据所确立的频谱划分边界构造经验小波变换的尺度函数
Figure BDA0001687136070000023
和小波函数
Figure BDA0001687136070000024
其构造过程分别如公式1和公式2所示：
Figure BDA0001687136070000025
Figure BDA0001687136070000031
其中，
Figure BDA0001687136070000032
ω为频率，ωn+1和ωn为频谱划分的边界；
对尺度函数
Figure BDA0001687136070000033
和小波函数
Figure BDA0001687136070000034
分别进行傅里叶逆变换，得到经验小波基函数的时域表示为：
Figure BDA0001687136070000035
Figure BDA0001687136070000036
步骤2.3基于步骤2.2构造的经验小波基函数对振动响应信号进行模态分离，其分解和单支重构过程如公式3和公式4所示：
逼近系数
Figure BDA0001687136070000037
为：
Figure BDA0001687136070000038
细节系数
Figure BDA0001687136070000039
为：
Figure BDA00016871360700000310
其中，x为采集的振动响应信号；
Figure BDA00016871360700000311
和
Figure BDA00016871360700000312
分别是φ1(t)和ψn(t)的共轭复数；f(ω)是x的傅里叶变换，τ和t为时间；
对分解后的小波系数进行单支重构，如公式5所示：
Figure BDA0001687136070000041
Figure BDA0001687136070000042
其中，f0(t)、fn(t)，n＝1,2,...,N为由经验小波变换得到的单频频模态信号。
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1从步骤2中基于小波变换分离出的单频模态信号中，确定采集到的有效模态信号，记为[ff1(t),ff2(t),...,ffK(t)]；
步骤3.2分别求最高阶模态信号ffK(t)的希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000043
和最低阶模态信号ff1(t)希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000044
步骤3.3计算检测指标Yindex，如公式6所示：
Figure BDA0001687136070000045
其中，Eh和El分别表示希尔伯特包络信号
Figure BDA0001687136070000046
和ff1(t)的能量，t为时间。
步骤4的具体实施过程是：依据检测指标Yindex识别管道结合状态，检测指标Yindex值越小，说明复合管的结合状态越差，反之则复合管的结合状态越好。
本发明的有益效果是，一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，解决了现有检测方法存在成本高、效率低以及无法在线定量检测的问题。利用经验小波变换实现模态信号的有效分离、基于单频模态信号构造随复合管结合状态单调变化的检测指标，实现了爆炸复合管结合状态的定量识别。其优点是，从振动响应信号中提取敏感特征信息、并基于模态信号构造单调检测指标，依据检测指标变化识别复合管结合状态，具有简单、可靠、易行，成本低，实时性强等特点，适用于现场实时定量识别管道的状态，实现了爆炸复合管结合状态的在线无损定量识别，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法的结合状态识别流程图；
图2是本发明的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法的符合实验结构示意图；
图3是为采用图2的装置采集的标准管的振动响应信号；
图4是图3振动响应信号的频谱图；
图5是本发明中基于经验小波变换对振动响应信号进行模态特征分离的结果图；
图6是图5中分离结果的频谱图；
图7是图5和图6中高阶模态信号ff3和低阶模态信号ff1的希尔伯特包络信号；
图8是采用本发明的方法的四种状态复合管识别结果图；
图9是基于时间熵指标的四种状态复合管识别结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，如图1所示，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1.振动响应信号的获取：通过力锤在复合管的一端施加脉冲激励，在复合管的另一端使用加速度传感器采集振动响应信号x；
步骤2.根据采集的振动响应信号x的特征构造经验小波变换的尺度函数和小波函数，并用于对振动响应信号进行模态分离；
步骤3.从步骤2分离出的单频模态信号，确定采集到的有效模态信号，并计算最高阶模态信号希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000061
和最低阶模态信号希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000062
的能量比，作为检测指标；
步骤4.依据检测指标识别复合管的结合状态。
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1通过快速傅里叶变换(FFT)获得振动响应信号x的频谱f(ω)，ω为频率，搜索信号频谱的N个局部极大值，选取连续两个局部极大值的中间频率点作为频谱划分的边界ωn(n＝1,2,...,N-1)；
步骤2.2根据所确立的频谱划分边界构造经验小波变换的尺度函数
Figure BDA0001687136070000063
和小波函数
Figure BDA0001687136070000064
其构造过程分别如公式1和公式2所示：
Figure BDA0001687136070000065
Figure BDA0001687136070000066
其中，
Figure BDA0001687136070000067
ω为频率，ωn为频谱划分的边界，ωn+1为频谱划分的边界；
对尺度函数
Figure BDA0001687136070000071
和小波函数
Figure BDA0001687136070000072
分别进行傅里叶逆变换，得到经验小波基函数的时域表示为：
Figure BDA0001687136070000073
Figure BDA0001687136070000074
步骤2.3基于步骤2.2构造的经验小波基函数对振动响应信号进行模态分离，其分解和单支重构过程如公式3和公式4所示：
逼近系数
Figure BDA0001687136070000075
为：
Figure BDA0001687136070000076
细节系数
Figure BDA0001687136070000077
为：
Figure BDA0001687136070000078
其中，x为采集的振动响应信号；
Figure BDA0001687136070000079
和
Figure BDA00016871360700000710
分别是φ1(t)和ψn(t)的共轭复数；f(ω)是x的傅里叶变换，τ和t为时间；
对分解后的小波系数进行单支重构，如公式5所示：
Figure BDA00016871360700000711
Figure BDA00016871360700000712
其中，f0(t)、fn(t)，n＝1,2,...,N为由经验小波变换得到的单频模态信号。
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1从步骤2中基于小波变换分离出的单频模态信号中，确定采集到的有效模态信号，记为[ff1(t),ff2(t),...,ffK(t)]；
步骤3.2分别求最高阶模态信号ffK(t)的希尔伯特包络
Figure BDA00016871360700000713
和最低阶模态信号ff1(t)希尔伯特包络
Figure BDA0001687136070000081
步骤3.3计算检测指标Yindex，如公式6所示：
Figure BDA0001687136070000082
其中，Eh和El分别表示希尔伯特包络信号
Figure BDA0001687136070000083
和ff1(t)的能量，t为时间。
步骤4的具体实施过程是：依据检测指标Yindex识别管道结合状态，检测指标Yindex值越小，说明复合管的结合状态越差，反之则复合管的结合状态越好。
本发明的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法主要是通过施加脉冲激励，获得管道的自由衰减振动响应信号，如图2所示，采用V型槽将复合管两端简支支撑，通过力锤在复合管左端1/10～1/5长度的位置之间施加脉冲激励，在距离右端1/10长度的位置用加速度传感器采集响应信号；本发明的方法的基本原理是：基于振动信号特性构造经验小波基函数，进而对振动响应信号进行经验小波变换，实现模态特征信号分离并确定采集到管道的有效模态信号；再计算有效模态信号中高阶模态信号和低阶模态信号的Hilbert包络，及其Hilbert包络信号的能量；高阶模态信号Hilbert包络能量与低阶模态信号Hilbert包络能量的比值作为检测指标，基于检测指标的变化，确定检测管道状态。指标值越大，管道结合状态越好。
具体的实施方式如下：
设计制作一组具有不同结合状态的复合管，该类管道由碳钢外管和不锈钢内管组成，1#管为结合状态良好的标准管，2#，3#和4#分别为具有微小损伤、小损伤和大损伤的结合不良的复合管。4种管道的具体参数如表1所示，从表中可以看出，所有管道都是等材质，等外径，等壁厚和等长度的基管和衬管同轴装配得到的。
表1复合管基本尺寸参数
Figure BDA0001687136070000091
实验装置如图2所示，采用V型槽将复合管两端简支支撑，通过力锤在复合管左端1/10～1/5长度的位置之间施加脉冲激励，在距离右端1/10长度的位置用加速度传感器测量响应信号，数据采集仪采集加速度响应信号。采样频率为3200Hz，采集点数为5000。采集的1#管时域信号及其频谱如图3和图4所示。基于经验小波变换对振动响应信号进行模态特征分离，结果如图5和图6所示，从图中可知各阶模态信号被成功分解到不同的频带中。从图5和图6可确定，ff3(即f2频带)为采集到的最高阶模态信号，ff1(即f0频带)为采集到的最低阶模态信号。然后，如图5所示，计算ff3(即f2频带)和ff1(即f0频带)的Hilbert包络信号，结果如图7所示，依据如下公式计算检测指标：
Figure BDA0001687136070000092
基于检测指标Yindex的归一化检测结果如图8和表2所示，从图8和表2中可知，标准管道的指标值最大，随着管道损伤的增加，指标值在减小。说明所构造的检测指标可以作为判断管道结合状态的指示指标。
表2基于检测指标的管道识别结果
Figure BDA0001687136070000101
本发明的一种爆炸复合管结合状态的定量识别方法，首先，通过对简支复合管施加脉冲激励获得管道的振动响应信号；然后，基于响应信号的特征构造经验小波基函数，并用于振动响应信号的模态特征分离；再计算采集到的模态信号中高阶模态信号和低阶模态信号的Hilbert包络。其次，基于模态信号的Hilbert包络能量比构造检测指标；最后，依据所构造的检测指标值的大小，判定管道的状态。该方法检测精度高、成本低、简单可靠，可实现复合管在线无损定量检测，具有重要的工程实用价值。
本发明的一种爆炸复合管结合状态的定量识别方法相比于现有技术主要的优势是：(1)利用经验小波变换对振动响应信号进行模态分离，目前现有技术利用自适应双树复小波变换对振动响应信号进行模态分离；相比于自适应双树复小波变换，本发明的经验小波变换具有小波基函数构造过程简单，操作方便，计算速度快等优点；
(2)本发明构造的检测指标为：高阶模态信号希尔伯特包络能量与低阶模态信号希尔伯特包络能量之比
Figure BDA0001687136070000111
其中，Eh和El分别表示高阶模态信号和低阶模态信号的希尔伯特包络信号
Figure BDA0001687136070000112
和ff1(t)的能量；结合了高阶模态信号和低阶模态信号对复合管状态的敏感性，构造指标；现有技术基于某一阶模态信号对复合管结合状态的敏感性构造时间熵指标，本发明的检测指标结合了更多的特征信息，其敏感性明显高于目前使用的时间熵指标。
表3基于时间熵指标的管道识别结果
Figure BDA0001687136070000113
对比图8和图9以及表2和表3可知，随着复合管结合状态的变化，本发明的检测指标的变化量明显大于时间熵检测指标，即本文中构造的检测指标的识别效果明显优于时间熵检测指标。

Claims (2)

1.一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：
步骤1.振动响应信号的获取：通过力锤在复合管的一端施加脉冲激励，在复合管的另一端使用加速度传感器采集振动响应信号x；
步骤2.根据采集的振动响应信号x的特征构造经验小波变换的尺度函数和小波函数，并用于对振动响应信号进行模态分离；
步骤3.从步骤2分离出的单频模态信号，确定采集到的有效模态信号，并计算最高阶模态信号希尔伯特包络
Figure FDA0002765612420000011
和最低阶模态信号希尔伯特包络
Figure FDA0002765612420000012
的能量比，作为检测指标；
步骤4.依据检测指标识别复合管的结合状态；
所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1通过FFT变换获得振动响应信号x的频谱f(ω)，ω为频率，搜索信号频谱的N个局部极大值，选取连续两个局部极大值的中间频率点作为频谱划分的边界ωn(n＝1,2,...,N-1)；
步骤2.2根据所确立的频谱划分边界构造经验小波变换的尺度函数
Figure FDA0002765612420000013
和小波函数
Figure FDA0002765612420000014
其构造过程分别如公式1和公式2所示：
Figure FDA0002765612420000015
Figure FDA0002765612420000021
其中，
Figure FDA0002765612420000022
ω为频率，ωn+1和ωn为频谱划分的边界；
对尺度函数
Figure FDA0002765612420000023
和小波函数
Figure FDA0002765612420000024
分别进行傅里叶逆变换，得到经验小波基函数的时域表示为：
Figure FDA0002765612420000025
Figure FDA0002765612420000026
步骤2.3基于步骤2.2构造的经验小波基函数对振动响应信号进行模态分离，其分解和单支重构过程如公式3和公式4所示：
逼近系数
Figure FDA0002765612420000027
为：
Figure FDA0002765612420000028
细节系数
Figure FDA0002765612420000029
为：
Figure FDA00027656124200000210
其中，x为采集的振动响应信号；
Figure FDA00027656124200000211
和
Figure FDA00027656124200000212
分别是φ1(t)和ψn(t)的共轭复数；f(ω)是x的傅里叶变换，τ和t为时间；
对分解后的小波系数进行单支重构，如公式5所示：
Figure FDA0002765612420000031
Figure FDA0002765612420000032
其中，f0(t)、fn(t)，n＝1,2,...,N为由经验小波变换得到的单频频模态信号；
步骤3的具体过程如下：
步骤3.1从步骤2中基于小波变换分离出的单频模态信号中，确定采集到的有效模态信号，记为[ff1(t),ff2(t),...,ffK(t)]；
步骤3.2分别求最高阶模态信号ffK(t)的希尔伯特包络
Figure FDA0002765612420000033
和最低阶模态信号ff1(t)希尔伯特包络
Figure FDA0002765612420000034
步骤3.3计算检测指标Yindex，如公式6所示：
Figure FDA0002765612420000035
其中，Eh和El分别表示希尔伯特包络信号
Figure FDA0002765612420000036
和ff1(t)的能量，t为时间。
2.如权利要求1所述的一种爆炸复合管结合状态定量识别的方法，其特征在于，所述步骤4的具体实施过程是：依据检测指标Yindex识别管道结合状态，检测指标Yindex值越小，说明复合管的结合状态越差，反之则复合管的结合状态越好。
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