CN110609091A - 一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，包括声发射信号采集仪，计算机安装有基于matlab的软件平台，所述基于matlab的软件平台用于对声发射信号数据进行分析处理；所述基于matlab的软件平台包括传感器标定模块，用于通过对给定信号与采集信号的对比，得出传感器的灵敏度；信号处理模块，用于通过傅里叶变换、小波变换、聚类分析，得出信号的幅值、频率、时间三者间的相互关系，以及信号聚类特征；参数分析模块，根据声发射信号参数随时间、频率等的变化特征，对混凝土力学行为进行判断；信号识别模块，用于实现声发射信号特征与混凝土损伤特征的对应，并进行源定位和损伤识别。本发明系统采用交互界面、结构设计合理、工作效率高、适用性强。
Description
技术领域
本发明属于计算机软件开发技术领域，具体涉及一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统。
背景技术
声发射技术作为一种动态的无损检测技术，主要于材料工程领域的研究。研究者借助声发射技术，实现对混凝土这种特殊人造复合材料破坏过程的监测和评价。该目标的实现过程主要包括传感器(探头)采集信号，计算机实时存储数据，数据处理与分析。其中数据处理部分起着承上启下的重要作用。数据处理既是对采集信号的归纳，分类，同时也对分析的结果存在重大的影响。
目前声发射仪器自带的信号数据处理系统，只能对采集到的信号进行傅里叶变换，小波变换等普遍处理方式，而缺乏针性。就混凝土材料来说，声发射数据的处理方式未考虑混凝土自身结构因素对声发射基本性能的影响，故其未能很好的处理与混凝土锈蚀损伤相关的信号。通过传感器采集到混凝土锈蚀损伤的信号数据，不能直接用于实验结果分析，而需要进行信号数据的二次处理，工作量极大。现需一种处理系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有声发射信号处理系统在的不足，本发明对用于锈蚀声发射信号处理的各类方法加以集成，形成一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，该处理系统能够有效提取声发射源特征，并进行声发射源定位和损伤识别。本发明采用交互界面、结构设计合理、工作效率高、适用性强。
本发明采取的技术方案为：
一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，包括：
声发射信号采集仪，用于获取声发射信号数据；
计算机，所述计算机安装有基于matlab的软件平台，所述基于matlab的软件平台用于对声发射信号数据进行分析处理；
所述基于matlab的软件平台包括：
传感器标定模块，用于通过对给定信号与采集信号的对比，得出传感器的灵敏度；
信号处理模块，用于通过傅里叶变换、小波变换、聚类分析，得出信号的幅值、频率、时间三者间的相互关系，以及信号聚类特征；
参数分析模块，根据声发射信号参数随时间、频率等的变化特征，对混凝土力学行为进行判断；
信号识别模块，用于实现声发射信号特征与混凝土损伤特征的对应，并进行源定位和损伤识别。
所述基于matlab的软件平台包括两大部分：主界面模块、各操作界面模块；
主界面模块包含对应传感器标定模块、信号处理模块、参数分析模块、信号识别模块的传感器标定界面按钮、信号处理界面按钮、参数分析界面按钮、信号识别界面按钮，在主界面模块中点击对应按钮，即可访问相关数据处理界面；
各操作界面模块包含传感器标定操作界面单元、傅里叶变换操作界面单元、小波变换操作界面单元、特征参数操作界面单元、b值法操作界面单元、聚类分析操作界面单元、源定位操作界面单元、损伤识别操作界面单元。
所述声发射信号数据为声发射信号采集仪采集并存储的.aed文件、或者经文件格式转化处理的.cvs文件。
所述声发射信号采集仪包括安装在混凝土试件上的探头，探头连接前置放大器，前置放大器连接采集模块，采集模块连接计算机主机，用计算机主机记录和存储数据，即得到声发射信号数据文件。
本发明一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，相较于现有声发射信号数据处理系统，本发明对象明确，主要针对钢筋混凝土锈蚀声发射信号数据的处理，操作界面简单，脉络清晰，极大地加快了数据处理速度，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明系统的声发射数据采集硬件连接示意图；
a-声发射源，b-波的传播；
图3为本发明系统的各功能模块连接框图；
图4为本发明系统的数据处理流程图。
具体实施方式
如图1～图4所示，一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，包括：
声发射信号采集仪1，用于获取声发射信号数据。
计算机，所述计算机安装有基于matlab的软件平台2，所述基于matlab的软件平台2用于对声发射信号数据进行分析处理。
该软件借助matlab平台强大的数据处理能力和图形显示功能可以清楚的表达计算结果。为保证采集波形不失真，声发射传感器的采样频率为10～50MHz，每分钟采集的声发射信号数据量通常在6×107～3×108之间，而仅就混凝土干湿循环中的一个通电加速锈蚀过程就需要2～3分钟，如此庞大的数据量需要用高效的数据运算处理软件，才能提高工作效率；声发射信号处理结果以数据图的形式显示，以便于与实验过程相对比，可清楚判别混凝土的损伤过程和力学行为，同时清楚的显示运算结果。如：通过有无热轧皮钢筋峰值频率(声发射信号)与腐蚀电位(电化学行为)的对比，得出在大于100kHz的高频范围内，有较多信号产生，可能意味着热轧皮破裂；源定位中，清楚直观的显示损伤源的位置和损伤类型。
计算机包括硬件部分：计算机主机4.4、键盘4.1、鼠标4.2，显示器4.3。软件部分：普通window系统(win7/win8/win10/win XP/Vista)。计算机主机4.4安装操作系统，同时安装matlab应用软件，声发射信号数据分析处理系统搭建在matlab上。搭建平台为美国MathWorks公司出品的商业数学软件matlab2018a。通过键盘4.1对声发射数据相关参数，在基于matlab的软件平台2中进行相应设置，通过显示器4.3显示输入内容。
所述基于matlab的软件平台2包括：
传感器标定模块2.1，用于通过对给定信号与采集信号的对比，得出传感器的灵敏度；
信号处理模块2.2，用于通过傅里叶变换、小波变换、聚类分析，得出信号的幅值、频率、时间三者间的相互关系，以及信号聚类特征；
参数分析模块2.3是针对声发射信号参数随时间、频率等的变化特征，结合实验结果对混凝土力学行为进行判断。
b值法：由公式lgN＝a-b·(AdB/20),对大于幅值AdB的统计计数的对数值与幅值AdB的进行线性拟合，得出b值，混凝土经历N个干湿循环，对每个干湿循环进行声发射数据采集并用b值法对采集的声发射数据进行分析得出N个b值，通过b值大小的变化的分析，判断混凝土损伤状态。
b值法最初由Gutenberg和Richer提出，用于评价地震，经Colombo等将其改进成是用来描述声发射幅值分布的变量，并引用到混凝土裂缝开展阶段的声发射数据分析中，发现b值与混凝土裂缝开展过程相关，当b值变小时反应着微裂缝正在形成，产生了大量的信号。
特征参数包括峰值频率、频数、撞击信号累计计数、撞击信号幅度。其中，峰值频率是指经过傅里叶变换，声发射信号波峰处对应的频率；频数和撞击信号累计计数是反应声发射活动的频度和总量，用于声发射活动性评价；撞击信号幅度是对声发射信号波形特征的描述。
信号识别模块2.4，用于实现声发射信号特征与混凝土损伤特征的对应，并进行源定位和损伤识别。
源定位实现对混凝土损伤位置的定位，以便用户可以直观确定混凝土的损伤位置。本发明软件采用空间定位法，将地震定位计算中的Geiger算法引入声发射定位计算中。在混凝土受力状态下，建立声发射源(x，y，z)与各传感器位置(xi，yi，zi)之间的空间定位模型，其中TiO为声发射源到达各探头的时长，由P波初至时刻拾取算法确定，υ为纵波传播速度由超声波检测仪获得，同时假设纵波在混凝土试块中的传播速度υ不变。运用Geiger算法进行迭代计算，假定一个初始的声发射源，通过不断修正初值，使使目标函数中时间残差ri最小(≤0.051)(ri＝ti+t0-Ti0(x，y，z))。经实验验证，在模拟±2μs的时间误差的情形下，其计算结果仍在可接受的范围内。
损伤识别实现对混凝土损伤源损伤类型的判定，矩张量反演分析法是用来分析地震震源特性的，由于声发射与地震监测的相似性，Ohstu将简化的格林函数矩张量分析(SIGMA)引入声发射数据分析中，采用相对反演的方式，先求取矩张量的特征值：
e1，e2，e3(e1≥e2≥e3)，然后按e1/e1＝X+Y+Z、e2/e1＝0-Y/2+Z、
e3/e1＝-X-Y/2+Z求出剪切比X，张拉偏量Y和张拉各项同性比Z。依据Ohstu文献中的大量实验，按X＜40％为张拉裂缝、40％≤X≤60％为混合裂缝、X≥60％为剪切裂缝来确定混凝土受力状态下，产生的裂缝损伤类型。
所述基于matlab的软件平台2包括两大部分：主界面模块、各操作界面模块；
主界面模块包含对应传感器标定模块2.1、信号处理模块2.2、参数分析模块2.3、信号识别模块2.4的传感器标定界面按钮、信号处理界面按钮、参数分析界面按钮、信号识别界面按钮，在主界面模块中点击对应按钮，即可访问相关数据处理界面。
各操作界面模块包含传感器标定操作界面单元、傅里叶变换操作界面单元、小波变换操作界面单元、特征参数操作界面单元、b值法操作界面单元、聚类分析操作界面单元、源定位操作界面单元、损伤识别操作界面单元。
所述声发射信号数据为声发射信号采集仪1采集并存储的.aed文件、或者经文件格式转化处理的.csv文件。.aed格式的文件是声华声发射采集系统特有的初始文件格式，只能在其自带的SAEU2S声发射系统中打开，不便于声发射数据在其他软件上进行处理和分析；而.csv格式是最通用的一种文件格式，它可以非常容易地被导入各种PC表格及数据库中。.csv文件用记事本和excel都能打开。将.aed文件转换为.csv文件，可便于采集到的声发射数据在matlab平台上的处理，提高工作效率。本系统中所用声发射数据文件格式基本为.csv格式，需要在声华声发射软件SAEU2S的文件格式转化框中将.aed转化为.csv格式。所述声发射信号采集仪1包括安装在混凝土试件3上的探头1.1，探头1.1连接前置放大器1.2，前置放大器1.2连接采集模块1.3，采集模块1.3连接计算机主机4.4，用计算机主机4.4记录和存储数据，即得到声发射信号数据文件。
探头1.1采用声华SR150N谐振式宽带传感器、富式1045S宽带传感器。整个采集过程用的传感器是声华SR150N谐振式宽带传感器；在传感器标定部分，采用富式1045S宽带传感器作为发生器。
前置放大器1.2采用声华PAⅠ宽带前置放大器。
采集模块1.3采用SAEU2S声发射采集箱。
打开matlab后，运行mian_check.m文件就可以进入系统主界面。选择所采集数据需要进行的数据分析处理方式，如傅里叶变换、小波变换、聚类分析、特征参数、b值法、源定位技术、损伤识别，进入声发射数据处理的子界面。子界面的操作基本上按照读入数据——数据计算——绘图——导出数据(或保存图片)——关闭界面的流程进行。
子界面具体操作步骤如下，以参数分析界面为例：
步骤1：在参数设置栏中，输入(或选择)进行混凝土声发射时声发射采集箱的采集参数,如门槛值、峰值频率、采样频率等。
步骤2：点击“读入文件(数据)”，选择需要进行分析处理的数据。如果跳出警告窗口，提示文件(数据)打开出错，请检查文件选择格式是否正确，或是否文件为空。
步骤3：点击“数据计算”按钮，同时会跳出数据分析计算进程工具条，提示用户数据计算分析是否完成。在数据计算分析过程中，不要进行其他操作，否则系统会自动判错，使运算暂停。
步骤4：选择需要的结果点击“峰值频率与时间分布”、“频率与频数”、“时间间隔与频数”、“撞击幅度值与累计数”显示相应数据分析图。
步骤5：分别点击“保存图片”、“导出数据”，选择路径，分别将数据和文件保存到目标文件夹下。
步骤6：点击“退出界面”，在主界面中选择其他的数据处理分析方式。或点击“重置”按钮重新选择数据，进行数据处理。
其他子界面操作与此子界面大致相同，在此不再赘述。
此外，在主界面上的传感器标定是针对整个声发射采集系统的灵敏度校准，由用户自行选择是否使用，使用方法：由信号发生器产生一个频率为20～1000kHz、5v的正弦信号，由传感器接收声发射采集仪采集，通过稳定输出量与引起该增量的输入增量之比，计算其灵敏度，进行声发射系统的灵敏标定。
Claims (4)
1.一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，其特征在于包括：
声发射信号采集仪（1），用于获取声发射信号数据；
计算机，所述计算机安装有基于matlab的软件平台（2），所述基于matlab的软件平台（2）用于对声发射信号数据进行分析处理；
所述基于matlab的软件平台（2）包括：
传感器标定模块（2.1），用于通过对给定信号与采集信号的对比，得出传感器的灵敏度；
信号处理模块（2.2），用于通过傅里叶变换、小波变换、聚类分析，得出信号的幅值、频率、时间三者间的相互关系，以及信号聚类特征；
参数分析模块（2.3），根据声发射信号参数随时间、频率等的变化特征，对混凝土力学行为进行判断；
信号识别模块（2.4），用于实现声发射信号特征与混凝土损伤特征的对应，并进行源定位和损伤识别。
2.根据权利要求1所述一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，其特征在于：所述基于matlab的软件平台（2）包括两大部分：主界面模块、各操作界面模块；
主界面模块包含对应传感器标定模块（2.1）、信号处理模块（2.2）、参数分析模块（2.3）、信号识别模块（2.4）的传感器标定界面按钮、信号处理界面按钮、参数分析界面按钮、信号识别界面按钮，在主界面模块中点击对应按钮，即可访问相关数据处理界面；
各操作界面模块包含传感器标定操作界面单元、傅里叶变换操作界面单元、小波变换操作界面单元、特征参数操作界面单元、b值法操作界面单元、聚类分析操作界面单元、源定位操作界面单元、损伤识别操作界面单元。
3.根据权利要求1所述一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，其特征在于：所述声发射信号数据为声发射信号采集仪（1）采集并存储的.aed文件、或者经文件格式转化处理的.cvs文件。
4.根据权利要求1所述一种混凝土锈蚀声发射信号数据分析处理系统，其特征在于：所述声发射信号采集仪（1）包括安装在混凝土试件（3）上的探头（1.1），探头（1.1）连接前置放大器（1.2），前置放大器（1.2）连接采集模块（1.3），采集模块（1.3）连接计算机主机（4.4），用计算机主机（4.4）记录和存储数据，即得到声发射信号数据文件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191224 |