CN112924542A - 一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法、装置、服务器及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法、装置、服务器及可读存储介质,所述方法包括:获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。本发明提供了一种现场原位准确测量岩石、混凝土及充填体强度质量的技术手段,克服了现有室内测量强度质量的技术弊端。
Description
技术领域
本发明属于强度检测技术领域,具体涉及一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法、装置、服务器及可读存储介质。
背景技术
目前,测量岩石强度质量的方法大多为室内测量。但是,室内测量使用的岩样一般通过现场定点取回岩块或岩心获得,无法代表目标区域全范围岩石,测量结果与实际结果相比存在较大误差。由此,若想确定大范围内岩石强度,需在现场建立覆盖全区域的原位测试网络以测量岩石强度质量。
另外,在资源开采中,充填法开采被广泛应用,对于开采全周期而言,混凝土体及充填体的强度和稳定性影响着开采安全。进行混凝土及充填体强度质量评估,有助于分析其力学性能并评估其质量和稳定性,可以为矿山安全开采和充填工作提供理论支撑。室内实验中,会对不同配比、不同浓度及不同龄期的混凝土或充填体进行强度测试以确定其力学性能,这对前期的混凝土浇筑、充填体充填等工作有指导作用,但是无法确保现场混凝土、充填体的质量和稳定性。
综上,寻求一种现场原位有效测量岩石、混凝土及充填体强度质量的手段,对岩石、混凝土及充填体力学性能分析、质量评估及稳定性分析来说是重要且必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法、装置及可读存储介质,用于实现现场原位准确测量岩石、混凝土及充填体强度质量。
一方面,本发明提供一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法,包括如下步骤:
获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;
确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;
触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;
将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。
可选地,所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式按照如下方式获取:
采集现场数据,所述现场数据是布设传感器后,通过触发主动震源采集到的震源信号;
利用所述现场数据计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;以及采集现场岩石和/或混凝土和/或充填体的强度质量;
基于若干组频率衰减、波速、幅值降低因子和强度质量拟合出所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式,拟合的所述多项式为包括指数和/或正弦和/或余弦和/或对数的显式函数;
其中,包含指数的所述多项式如下所示:
式中,Q(x)表示强度质量;频率衰减因子s、波速V、幅值降低因子p分别为多项式Q(x)中的变量x1、x2、x3,k1、k2、k3分别为变量x1、x2、x3的系数,k0为常数项,i、j、k分别为变量x1、x2、x3的指数。
可选地,所述频率衰减、波速以及幅值降低因子的计算公式如下:
式中,s为频率衰减,(x0,y0,z0)为主动震源的位置坐标,(xr,yr,zr)为采集点的位置坐标,Δf为频率衰减值,所述频率衰减值Δf采用直线测量方式得到或利用曲线长度计算函数得到,直线测量时满足:Δf=f0-fr,f0为主动震源信号初始频率,fr为接收信号频率,;
p为幅值降低因子,ΔA为幅值下降量,所述幅值下降量ΔA采用直线测量方式得到或利用曲线长度计算函数得到,直线测量时满足:ΔA=A0-Ar,A0为主动震源信号初始幅值,Ar为接收信号幅值。
可选地,所述测量域类型包括点域、线域、面域、体域。
第二方面,本发明提供一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量装置,其特征在于:包括:通讯连接的主动震源触发装置、采集终端服务器及智能感知监测服务器;
其中,所述主动震源触发装置用于触发主动震源、同步采集回波信号,并将回波信号转化为电信号;所述采集终端服务器,用于获取电信号并将其转化数字信号;所述智能感知监测服务器,用于处理集成的数字信号并采用所述岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法确定岩石或混凝土或充填体的强度质量。
可选地,所述主动震源触发装置中发射探头和接收探头为分离式一体化封装结构,所述发射探头与所述接收探头之间设有隔音板,所述隔音板为高密度树脂纤维隙孔芯板。
可选地,所述主动震源触发装置中发射探头采用珊瑚形悬挂支撑方式固定,所述发射探头的支撑件内含有极细氧化铝树脂纤维的吸音材料。
可选地,所述主动震源触发装置包括:依次连接的编码开关、中央处理器、PWM模块、推挽输出端、高频变压器及超声波换能器;
其中,编码开关用于控制所述中央处理器,所述中央处理器控制所述PWM模块产生频率、占空比、脉冲个数可调的方波信号并输入至所述推挽输出端;所述推挽输出端用于驱动所述高频电压器将低压直流信号转化为高压脉冲信号;所述超声波换能器用于在所述高压脉冲信号的驱动下在介质中产生不同频率、不同幅度的振动信号;所述振动信号的回波再返回到所述超声波换能器,并由所述超声波换能器转换为电信号后输送至采集终端服务器;
所述方波信号以脉冲群形式传播。
常规的主动震源发射驱动器采用正弦波间隙驱动,发射探头发射信号平稳但存在瞬时振幅小、衰减快、传输距离近的缺陷,本发明为了实现高频率、远距离的信号传输,控制生成脉冲群络波形,使得发射头吸收频段变宽,可发射瞬时高能量振动信号,形成一种激发态,满足高频率和远距离的信号传输。
第三方面,本发明还提供一种服务器:包括处理器和存储器,所述存储器内存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行所述岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法的步骤。
第四方面,本发明提供一种可读存储介质,存储了计算机程序,所述计算机程序被处理器调用以执行所述岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法的步骤。
有益效果
1.本发明提供的一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法,其创造性地实现了现场原位测量岩石、混凝土及充填体强度质量,即基于现场采集的数据得到强度质量。其中,本发明构建的多项式中将强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子相结合,将强度质量的计算聚焦于频率衰减因子、波速及幅值降低因子这三个变量,为现场准确测量强度质量奠定了基础。
2.本发明进一步提供的测量装置中使用传感器触发主动震源信号时同步采集回波信号。为了保证传感器收发一体化的效果,本发明一方面考虑到传感器收发一体化存在发射信号对信号接收产生强干扰,进而本发明发射探头与接收探头采用分离式一体化封装设计,发射头与接收头之间用隔音板隔开,保证了信号的独立性;二方面考虑到传感器到收发一体化时,发射探头会产生余震,余震时间长将影响回波的有效性,进而本发明采用珊瑚形悬挂支撑方式固定发射探头,增强刚性、提高瞬态响应,并灌入极细氧化铝树脂纤维作为吸音材料,减小余震的影响。
附图说明
图1为本发明实施例测量装置应用示意图(灰色圆柱为传感器,所有传感器由同一套装置系统控制);
图2为本发明实施例测量装置系统原理图;
图3为本发明实施例提供的发射探头和接收探头的结构位置示意图;
图4为本发明实施例线-面-体域监测示意图:(a)线监测,(b)面监测,(c)体监测(灰色圆柱为传感器,蓝色阴影为可监测范围)。
具体实施方式
本发明提供一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法,用于实现现场原位有效测量岩石、混凝土及充填体强度质量,克服实验室测量的弊端。为此,下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1:
本发明提供的一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法的关键性内容为构建岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式。由于本发明应用目的是现场测量岩石、混凝土及充填体的强度质量,因此优选构建多项式时选择现场数据进行拟合。多项式的生成过程包括:现场数据采集以及数据拟合。
现场数据采集:
步骤1:根据现场需求确定测量域,测量域可以选择是点、线、面或体域,本发明对此不进行限定。
一般而言,根据现场考察、相关地质资料查阅及测量需求分析,确定点、线、面或体监测方式及测量域范围。
步骤2:基于测量域设计监控网络,确定主动震源位置并布置传感器。
本实施例中考虑1m~100m的单个传感器可监测范围,根据测量域范围设计监测网络,并确定主动震源位置以及布置传感器。
步骤3:触发主动震源并采集现场数据以及获取岩石、混凝土及充填体的强度质量;
通过主动震源触发装置触发主动震源、释放主动震源信号,并进行信号采集。其中,获取岩石、混凝土及充填体的强度质量的方式不进行局限,可以采用现场采样进行检测,也可以采用其他手段获取。
得到现场数据后根据前述阐述的频率衰减、波速以及幅值降低因子的计算公式计算频率衰减、波速以及幅值降低因子。
步骤4:数据拟合。其中,将若干组频率衰减、波速、幅值降低因子和强度质量拟合出所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式,所述多项式如下所示:
式中,频率衰减因子s、波速V、幅值降低因子p分别为多项式Q(x)中的变量x1、x2、x3,k1、k2、k3分别为变量x1、x2、x3的系数,k0为常数项,i、j、k分别为变量x1、x2、x3的指数。
其他可行的实施例中,上述多项式可以是可以根据实测数据将该函数拟合成包括指数、正弦、余弦、对数等运算的显式函数,本发明对此不进行具体的限定。
基于现场数据构建的多项式,本发明将其应用于实际现场测量的场景下,其过程如下:
S1:获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;
S2:确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;
S3:触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;
S4:将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。得到强度质量可以对岩石、混凝土及充填体进行质量评估,评估方式以及规则,本发明不进行具体的限定。
应当理解,本实施例中强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式是基于现场数据进行拟合的,其他可行的实施例中,本发明对此不进行具体的限定。
实施例2:
如图2所示,本实施例提供的一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量装置,其包括通讯连接的主动震源触发装置、采集终端服务器及智能感知监测服务器。其中,本实施例中的强度质量测量装置的震源可调频率范围为1Hz~60KHz,覆盖距离最远可到震源点外100m处。
主动震源触发装置用于触发主动震源并同步采集回波信号,其具体包括:依次连接的编码开关、中央处理器、PWM模块、推挽输出端、高频变压器及超声波换能器。在一些实施例中,主动震源触发装置还包括信号显示屏。采集终端服务器主要包括信号接收模块、数模转换器及采集终端集线器。智能感知监测服务器主要包括智能感知监测系统(智能感知显示平台)及数据接收处理模块。
其中,主动震源触发装置上还设有发射探头和接收探头,由于本发明采用触发主动震源信号时同步采集回波信号的传感器收发一体化设计。而传感器收发一体化的有效性保证存在两个方面的困难:(1)发射信号对接收干扰严重(2)发射探头会有余震,余震时间长影响回波的有效性。对此本发明进行如下改进,如同3所示:(1)为保证信号的独立,采用发射探头与接收探头分离式一体化封装设计,发射头与接收头之间用隔音板隔开,隔音板材料选用高密度树脂纤维隙孔芯板。(2)为减小余震的影响,采用珊瑚形悬挂支撑方式固定发射探头,增强刚性、提高瞬态响应;并灌入极细氧化铝树脂纤维作为吸音材料。其中,利用仿真软件构建的变形和应力分布,设计珊瑚形悬挂支撑方式固定发射探头,并以振幅较小的点作为连接点,灌入吸音材料。
基于上述功能模块的划分,本发明的强度质量测量装置的工作原理如下:
(1)通过旋钮调节编码开关控制中央处理器;
(2)由PWM模块产生频率、占空比、脉冲个数可调的方波信号;
(3)方波信号到达场效用管推挽电路(推挽输出端)后,通过驱动高频电压器将低压直流信号转化为高压脉冲信号;
(4)通过驱动超声波换能器在介质中产生不同频率、不同幅度的振动信号
(5)振动信号的回波通过传感器回到超声波换能器,转化为电信号后到达信号接收模块;
(6)电信号经模数转换器被转化为数字信号,到达采集终端;
(7)通过采集终端集线器集成所有采集终端信号;
(8)所集成的信号传入数据接收处理模块;
(9)处理后相关数据和波形由智能感知显示平台输出及显示。
其中,常规的主动震源发射驱动器采用正弦波间隙驱动,发射探头发射信号平稳但瞬时振幅小、衰减快、传输距离近。为实现高频率、远距离的信号传输,本发明根据实际应用差别,实时调节方波信号的波形频率、占空比和脉冲个数。调节过程为3个步骤:固定适中占空比和脉冲个数,调节频率,绘制频谱曲线,找到谐振频率;然后调节占空比,使压电陶瓷进入激发态,固定占空比;最后调节脉冲个数,绘制功率曲线,功率达到最大时固定脉冲个数。通过调节方波信号使其以脉冲群形式传播。通过产生特定的脉冲群,使发射回路的等效RLC形成高Q值(品质因素),由此发射头吸收频段变宽,可发射瞬时高能量振动信号,形成一种激发态。
从上述架构可知,本实施例中,所述强度质量测量装置利用主动震源触发装置触发主动震源,同步采集回波信号并将回波信号转化为电信号;再利用采集终端服务器获取电信号并将其转化数字信号;最后智能感知监测服务器利用集成的数字信号并采用实施例1所述的方法计算得到岩石或混凝土或充填体的强度质量。提供了一套可以在现场原位测量强度质量的装置。
在一些可行的方式中,本发明还提供了一种服务器:包括处理器和存储器,所述存储器内存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行所述岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法的步骤。
譬如执行强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式构建程序:
步骤1:根据现场需求确定测量域,测量域可以选择是点、线、面或体域,本发明对此不进行限定。
步骤2:基于测量域设计监控网络,确定主动震源位置并布置传感器。
步骤3:触发主动震源并采集现场数据以及获取岩石、混凝土及充填体的强度质量;
步骤4:数据拟合,其中,将若干组频率衰减、波速、幅值降低因子和强度质量拟合出所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式。
譬如执行利用多项式进行现场强度质量的实时检测:
S1:获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;
S2:确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;
S3:触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;
S4:将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。
其中,各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的具体内容。
第四方面,本发明提供一种可读存储介质,存储了计算机程序,所述计算机程序被处理器调用以执行所述岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法的步骤。
譬如执行强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式构建程序:
步骤1:根据现场需求确定测量域,测量域可以选择是点、线、面或体域,本发明对此不进行限定。
步骤2:基于测量域设计监控网络,确定主动震源位置并布置传感器。
步骤3:触发主动震源并采集现场数据以及获取岩石、混凝土及充填体的强度质量;
步骤4:数据拟合,其中,将若干组频率衰减、波速、幅值降低因子和强度质量拟合出所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式。
譬如执行利用多项式进行现场强度质量的实时检测:
S1:获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;
S2:确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;
S3:触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;
S4:将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。
其中,各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的具体内容。
应当理解,在本发明实施例中,所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit,CPU),该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如,存储器还可以存储设备类型的信息。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质,其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元,例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备,例如所述控制器上配备的插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card,SMC),安全数字(Secure Digital,SD)卡,闪存卡(Flash Card)等。进一步地,所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要强调的是,本发明所述的实例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,不脱离本发明宗旨和范围的,不论是修改还是替换,同样属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量方法,其特征在于:包括如下步骤:
获取岩石、混凝土及充填体的强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式;
确定待测现场的测量域范围,再基于所述测量域范围确定主动震源位置并布设传感器;
触发主动震源并采集震源信号,再利用震源信号计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;
将频率衰减、波速以及幅值降低因子代入所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式得到待测现场中岩石或混凝土或充填体的强度质量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式按照如下方式获取:
采集现场数据,所述现场数据是布设传感器后通过触发主动震源采集到的震源信号;
利用所述现场数据计算频率衰减、波速以及幅值降低因子;以及采集现场岩石和/或混凝土和/或充填体的强度质量;
基于若干组频率衰减、波速、幅值降低因子和强度质量拟合出所述强度质量与频率衰减、波速以及幅值降低因子的多项式,拟合的所述多项式为包括指数和/或正弦和/或余弦和/或对数的显式函数;
其中,包含指数的所述多项式如下所示:
式中,Q(x)表示强度质量;频率衰减因子s、波速V、幅值降低因子p分别为多项式Q(x)中的变量x1、x2、x3;k1、k2、k3分别为变量x1、x2、x3的系数,k0为常数项,i、j、k分别为变量x1、x2、x3的指数。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述频率衰减、波速以及幅值降低因子的计算公式如下:
式中,s为频率衰减,(x0,y0,z0)为主动震源的位置坐标,(xr,yr,zr)为采集点的位置坐标,△f为频率衰减值,所述频率衰减值△f采用直线测量方式得到或利用曲线长度计算函数得到,直线测量时满足:△f=f0-fr,f0为主动震源信号初始频率,fr为接收信号频率,;
p为幅值降低因子,△A为幅值下降量,所述幅值下降量△A采用直线测量方式得到或利用曲线长度计算函数得到,直线测量时满足:△A=A0-Ar,A0为主动震源信号初始幅值,Ar为接收信号幅值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述测量域类型包括点域、线域、面域、体域。
5.一种岩石、混凝土及充填体的强度质量测量装置,其特征在于:包括:通讯连接的主动震源触发装置、采集终端服务器及智能感知监测服务器;
其中,所述主动震源触发装置用于触发主动震源、同步采集回波信号,并将回波信号转化为电信号;所述采集终端服务器,用于获取电信号并将其转化数字信号;所述智能感知监测服务器,用于处理集成的数字信号并采用权利要求1-4任一项所述方法确定岩石或混凝土或充填体的强度质量。
6.根据权利要求5所述的强度质量测量装置,其特征在于:所述主动震源触发装置中发射探头和接收探头为分离式一体化封装结构,所述发射探头与所述接收探头之间设有隔音板,所述隔音板为高密度树脂纤维隙孔芯板。
7.根据权利要求5所述的强度质量测量装置,其特征在于:所述主动震源触发装置中发射探头采用珊瑚形悬挂支撑方式固定,所述发射探头的支撑件内含有极细氧化铝树脂纤维的吸音材料。
8.根据权利要求5所述的强度质量测量装置,其特征在于:所述主动震源触发装置包括:依次连接的编码开关、中央处理器、PWM模块、推挽输出端、高频变压器及超声波换能器;
其中,编码开关用于控制所述中央处理器,所述中央处理器控制所述PWM模块产生频率、占空比、脉冲个数可调的方波信号并输入至所述推挽输出端;所述推挽输出端用于驱动所述高频电压器将低压直流信号转化为高压脉冲信号;所述超声波换能器用于在所述高压脉冲信号的驱动下在介质中产生不同频率、不同幅度的振动信号;所述振动信号的回波再返回到所述超声波换能器,并由所述超声波换能器转换为电信号后输送至采集终端服务器;
所述方波信号以脉冲群形式传播。
9.一种服务器,其特征在于:包括处理器和存储器,所述存储器内存储了计算机程序,所述处理器调用所述计算机程序以执行权利要求1-4任一项所述方法的步骤。
10.一种可读存储介质,其特征在于:存储了计算机程序,所述计算机程序被处理器调用以执行权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。
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