CN110514745B - 一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，属于无损检测技术领域。本发明实现方法为：将两个及以上的声发射传感器固定于缆索之上，同时获取各个传感器声发射信号的波形，每两个相邻传感器接收到的信号作为一组断丝声发射信号。对得到的各组断丝声发射信号进行时频分析，分别得到各组信号的时频图。使用门限法得到各组时频图中定位频率下对应信号分量到达两传感器的时刻t1和t2，将所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率作为定位频率。根据定位公式，计算出断丝点分别到每组传感器的距离差Δd，则断丝点到该组1号传感器的距离为(Δd+l)/2，l为该组传感器之间的距离。由此实现对缆索断丝位置的确定。

Description

一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法
技术领域
本发明涉及一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，用于确定斜拉索桥缆索发生断丝时断丝点的位置，属于无损检测技术领域。
背景技术
缆索作为斜拉桥的核心承力部件，其质量直接关联到桥梁的安全，而缆索的质量主要受其内部钢丝断裂程度的影响，在桥梁运营过程中，缆索长期受到动态荷载，环境腐蚀，应力腐蚀和疲劳等因素的作用，这些因素均有可能会导致缆索中的钢丝在使用过程中断裂，因此为了确保斜拉索桥安全和可靠性，可以基于声发射技术对缆索断丝进行有效定位。
由于声发射信号在固体内的传播过程中具有频散效应，即不同频率的信号传播速度不同，原始信号的传播速度无法统一表示，因此不能直接由原始信号的到达时间差来计算位置，为了解决频散效应，当前的声发射损伤定位方法主要有两种。一种是基于对到达时间差进行拟合的思想，该方法需要大量不同位置的损伤信号作为样本，如果信号源发生了变化，则定位精度也会受到影响。一种是基于对原始信号进行分解和重构的算法，该方法在数据量较大的情况下，其计算复杂度会很高。因此需要提出一种适应能力强、定位精度高、且能够克服频散效应的算法。
发明内容
为了解决缆索断丝定位中频散效应所带来的问题，本发明公开一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法主要解决的技术问题是：基于多频声发射信号分析实现对缆索断丝位置的确定，具有适应能力强，定位精度高的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，将两个及以上的声发射传感器固定于缆索之上，同时获取各个传感器声发射信号的波形，每两个相邻传感器接收到的信号作为一组断丝声发射信号。对得到的各组断丝声发射信号进行时频分析，分别得到各组信号的时频图。使用门限法得到各组时频图中定位频率下对应信号分量到达两传感器的时刻t1和t2，将所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率作为定位频率。根据定位公式，计算出断丝点分别到每组传感器的距离差Δd，则断丝点到该组1号传感器的距离为(Δd+l)/2，l为该组传感器之间的距离。由此实现对缆索断丝位置的确定。
本发明公开的一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，包括如下步骤：
步骤一、将两个或两个以上的声发射传感器分别固定于缆索之上，当缆索内出现断丝声发射现象时，同时获取到各个传感器所接收到的声发射信号的波形，每两个相邻的传感器所接收到的断丝声发射信号均作为一组断丝声发射信号。
步骤二、对步骤一所获取到的各组断丝声发射信号进行时频分析，分别得到各组断丝声发射信号的时频图，对于时频图中的每一个数据点，其横坐标对应该点的频率，纵坐标对应该点的时刻，该点的值对应该频率和时刻下的信号分量的能量密度的大小。
步骤三、使用门限法计算出步骤二得到的各组时频图中定位频率下对应的信号分量到达两传感器的时刻t1和t2，并找到所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率作为定位频率。
步骤3.1：将两个声发射传感器固定于缆索上，在两传感器所在位置之间制造多次位置已知的断丝声发射信号，同时获取到两传感器所接收到的声发射信号的完整波形，并对信号采用步骤二中的时频分析方法进行时频分析，得到对应的时频图；
步骤3.2：对步骤3.1中得到的时频图中的每一行分别做归一化；
步骤3.3：对步骤3.2中归一化后的每个断丝声发射信号对应的两传感器的时频图中的每一行，分别记录下该行点的值第一次超过门限值时该点所在的列，该列对应的时刻即作为该行对应频率的信号分量到达该传感器的时刻，将两传感器的到达时刻相减，计算出每个断丝声发射信号在各个频率下的分量对应的到达时间差Δt＝t1-t2；
步骤3.4：使用拟合方法对步骤3.3中计算出来的到达时间差Δt及对应的断丝点到两个传感器的已知距离差之间的关系进行线性拟合，对每个频率，以到达时间差Δt为数据点的横坐标，距离差为数据点纵坐标，绘制出数据点的拟合直线，找到所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率即为定位频率。
步骤3.4所述拟合方法优选最小二乘法。利用最小二乘法求解出散点图中所有点的拟合直线表达式为
Figure BDA0002187538200000021
式中
Figure BDA0002187538200000022
Figure BDA0002187538200000023
对每一幅散点图，定义S为图上所有点和拟合直线之间的残差平方和，则有
Figure BDA0002187538200000024
选取所有散点图中残差平方和S最小的散点图对应的频率作为计算时间差所用的频率。
步骤四、根据定位公式，计算出断丝点到分别到每组传感器的解算距离差Δd，判断每组l与Δd之间的大小关系。如果Δd小于l，说明断丝点位于该组传感器之间，则由这组的Δd即可得到断丝点到该组传感器中的传感器1的距离。
步骤四的具体实现方法如下：
步骤4.1：使用定位公式计算出断丝点到该组传感器的距离差Δd，所述定位公式为：
Δd＝(t1-t2)v
其中：
Δd为断丝点到该组传感器之间的距离差，
t1为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该组传感器中的传感器1的时刻，
t2为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该组传感器中的传感器2的时刻，
v为定位频率下的声发射信号分量的传播速度，步骤3.4中定位频率下对应的拟合直线的斜率，即为定位频率下的声发射信号分量的传播速度v。
步骤4.2：定义l为该组传感器之间的距离，判断每组l与Δd之间的大小关系，如果Δd和l相等，则断丝点位于该组传感器的同侧，如果Δd小于l，则断丝点位于该组传感器之间；
步骤4.3：重复步骤4.1-4.2，遍历所有组的传感器，直至找到断丝点位于传感器之间的那一组，则断丝点到该组传感器中的传感器1的距离为(Δd+l)/2，即实现对缆索断丝位置的确定。
还包括步骤五：基于步骤四确定的多频声发射信号的缆索断丝位置解决相关工程技术问题。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于多频声发射信号到达时间差的缆索断丝位置确定的方法，使用门限法计算出信号的时频图像中每个频率下的信号分量对应的到达时间差，能够有效解决固体中声发射信号传播过程中的频散效应。
2、本发明公开的一种基于多频声发射信号到达时间差的缆索断丝位置确定的方法，使用最小二乘线性拟合法确定到达时间差过程中最适合的频率以及该频率下声发射信号的传播速度，适应能力强，定位精度高。
附图说明
图1为本发明公开的一种多频声发射信号到达时间差的缆索断丝位置确定的方法的总体流程图；
图2为门限法计算定位频率下对应的信号分量到达两传感器时刻的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的一种基于多频声发射信号到达时间差的缆索断丝位置确定的方法，具体实现步骤如下：
步骤一、将两个声发射传感器使用夹具分别固定于待测缆索的两端，并在传感器和缆索的接触面上涂以耦合剂，对传感器进行供电，传感器输出信号传输至计算机为用户程序所读取，用户程序若读取到两个传感器中任意一个传感器的输出电压超过预设阈值，则认为缆索内产生了声发射现象，并将当前时刻往前的一个小时间段内以及往后一个小时间段内两传感器所接收到的信号予以存储，作为一组断丝声发射信号。所述阈值为采集系统的最大噪声值，针对不同检测对象应适当调整。
步骤二、对步骤一所获取的两个声发射信号做连续小波变换，选取合适的尺度和时间范围，得到声发射信号的时频图像，设时频图像中所选取的尺度的总数为M，对应的分析频率分别为fi(i＝1,2,…,M)，所分析的时刻点的总数为N，对应的时刻分别为tj(j＝1,2,…,N)，则时频图像中的点的值所对应的小波系数分别为WTf(fi,tj)。
步骤三、使用门限法计算出步骤二得到的时频图像中，定位频率下对应的信号分量到达两传感器的时刻t1和t2。
步骤三流程图如图2所示，具体实现方法如下：
步骤3.1.1：定义定位频率为fl，选取步骤二中获取到的两个信号的时频图像中，fl对应的小波系数WTf(fl,tj)(j＝1,2,…,N)，对两组小波系数各自做归一化得到WTfn(fl,tj)(j＝1,2,…,N)；
步骤3.1.2：设门限值为0.2，对步骤3.2.1中归一化后的两组小波系数WTfn(fl,tj)(j＝1,2,…,N)，分别记录下两行中，点的值第一次超过门限值时对应的列，该列对应的时刻即可作为定位频率下的声发射信号分量到达传感器的时刻t1和t2。
所述定位频率的获取方法如下：
步骤3.2.1：按照步骤一中的信号获取方法，获取多组位置已知的断丝声发射信号，定义当前总共有K组信号，则断丝信号源与到传感器1与传感器2之间的距离差分别为Δdp(p＝1,2,…,K)，对每组信号采用步骤二中的方法进行时频分析，得到对应的时频图像；
步骤3.2.2：对步骤3.2.1中得到的每组时频图像中的每一行分别做归一化；
步骤3.2.3：设门限值为0.2，对步骤3.2.2中归一化后的每组时频图像中的每一行，分别记录下该行点的值第一次超过门限值时该点所在的列，该列对应的时刻即可作为该行对应频率的信号分量到达该传感器的时刻，将两传感器的到达时刻相减，即可计算出每组信号在各个频率下的分量对应的到达时间差，定义频率为fi、距离差为Δdp时，对应计算得到的到达时间差为Δtip。
步骤3.2.4：对于每一个频率fi，以距离差Δdp(p＝1,2,…,K)为数据点的纵坐标，以步骤3.2.3中计算出来的该频率下的到达时间差Δtip(p＝1,2,…,K)为数据点的横坐标，计算出数据点的拟合直线，则拟合直线的表达式为：
Figure BDA0002187538200000051
式中
Figure BDA0002187538200000052
Figure BDA0002187538200000053
对每一个频率fi，定义S为该频率下的拟合直线和数据点之间的残差平方和，即
Figure BDA0002187538200000054
选取所有散点图当中，残差平方和S最小的散点图对应的频率，即为定位频率。
步骤四、根据定位公式，计算出断丝点的位置到该组传感器中的传感器1的距离d。
步骤四所述的定位公式为：
Figure BDA0002187538200000055
其中：
l为两个传感器之间的距离，
t1为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该传感器1的时刻，
t2为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该传感器2的时刻，
v为定位频率下的声发射信号分量的传播速度，步骤3.2.4中的拟合直线的斜率
Figure BDA0002187538200000056
即作为定位频率下的声发射信号分量的传播速度v。
步骤五：按照步骤一至四所述的一种基于多频声发射信号到达时间差的缆索断丝位置确定的方法进行实际断丝定位测试，解决相关工程技术问题。
由于实际断丝数据量较少，选取传感器间距为12m时，断丝点与1号传感器分别相距4m和10m的两组数据用于频率的选择和声发射信号传播速度的计算。
由于两组数据对应的距离差之比为-1：2，经过计算，当所选频率为26KHz时，对1号传感器4m的断丝信号算得的时间差为-0.7910ms,10m的断丝信号算出的时间差为1.5825ms，时间差之比最接近-1：2；进而求得该频率下声发射信号的传播速度为5.056km/s。
用这两项数据对实际断丝数据进行分析定位，得到的结果如表1所示。由图可知，定位算法的误差均不超过5％，其中当传感器间距为12m时，定位误差小于0.4％，说明该方法可以满足定位要求。此外，当传感器间距增大到30米以上时，由于此时传感器接收到的信号幅值衰减明显，所以定位的准确度明显的下降，因而对定位结果造成一定的影响。
表1实际断丝实验定位结果
Figure BDA0002187538200000061
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、将两个或两个以上的声发射传感器分别固定于缆索之上，当缆索内出现断丝声发射现象时，同时获取到各个传感器所接收到的声发射信号的波形，每两个相邻的传感器所接收到的断丝声发射信号均作为一组断丝声发射信号；
步骤二、对步骤一所获取到的各组断丝声发射信号进行时频分析，分别得到各组断丝声发射信号的时频图，对于时频图中的每一个数据点，其横坐标对应该数据点的频率，纵坐标对应该数据点的时刻，该点的值对应该频率和时刻下的信号分量的能量密度的大小；
步骤三、使用门限法计算出步骤二得到的各组时频图中定位频率下对应的信号分量到达两传感器的时刻t1和t2，并找到所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率作为定位频率；
步骤四、根据定位公式，计算出断丝点到分别到每组传感器的解算距离差Δd，判断每组l与Δd之间的大小关系；如果Δd小于l，说明断丝点位于该组传感器之间，则由这组的Δd即可得到断丝点到该组传感器中的传感器1的距离；
步骤三实现方法为，
步骤3.1：将两个声发射传感器固定于缆索上，在两传感器所在位置之间制造多次位置已知的断丝声发射信号，同时获取到两传感器所接收到的声发射信号的完整波形，并对信号采用步骤二中的时频分析方法进行时频分析，得到对应的时频图；
步骤3.2：对步骤3.1中得到的时频图中的每一行分别做归一化；
步骤3.3：对步骤3.2中归一化后的每个断丝声发射信号对应的两个传感器的时频图中的每一行，分别记录下每一行的数据点的值第一次超过门限值时该数据点所在的列，每一行的数据点的值第一次超过门限值时该数据点所在的列对应的时刻即作为每一行对应频率的信号分量到达该传感器的时刻，将两个传感器的到达时刻相减，计算出每个断丝声发射信号在各个频率下的分量对应的到达时间差Δt＝t1-t2；
步骤3.4：使用拟合方法对步骤3.3中计算出来的到达时间差Δt及对应的断丝点到两个传感器的已知距离差之间的关系进行线性拟合，对每个频率，以到达时间差Δt为数据点的横坐标，距离差为数据点纵坐标，绘制出数据点的拟合直线，找到所有数据点和拟合直线之间的残差平方和最小时对应的频率即为定位频率。
2.如权利要求1所述的一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，其特征在于：步骤四的实现方法为，
步骤4.1：使用定位公式计算出断丝点到该组传感器的距离差Δd，所述定位公式为：
Δd＝(t1-t2)v
其中：
Δd为断丝点到该组传感器之间的距离差，
t1为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该组传感器中的传感器1的时刻，
t2为步骤三中获取的定位频率下的声发射信号分量到达该组传感器中的传感器2的时刻，
v为定位频率下的声发射信号分量的传播速度，步骤3.4中定位频率下对应的拟合直线的斜率，即为定位频率下的声发射信号分量的传播速度v；
步骤4.2：定义l为该组传感器之间的距离，判断每组l与Δd之间的大小关系，如果Δd和l相等，则断丝点位于该组传感器的同侧，如果Δd小于l，则断丝点位于该组传感器之间；
步骤4.3：重复步骤4.1-4.2，遍历所有组的传感器，直至找到断丝点位于传感器之间的那一组，则断丝点到该组传感器中的传感器1的距离为(Δd+l)/2，即实现对缆索断丝位置的确定。
3.如权利要求1所述的一种基于多频声发射信号的缆索断丝位置确定的方法，其特征在于：步骤3.4所述拟合方法选最小二乘法；利用最小二乘法求解出散点图中所有点的拟合直线表达式为
Figure FDA0002558572650000021
式中
Figure FDA0002558572650000022
Figure FDA0002558572650000023
对每一幅散点图，定义S为图上所有点和拟合直线之间的残差平方和，则有
Figure FDA0002558572650000024
选取所有散点图中残差平方和S最小的散点图对应的频率作为计算时间差所用的频率。
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