CN113235676A - 基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法 - Google Patents

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何凤
陈茂
廖祯虎
任刃
邓树密
赵启强
苏波
周会迪
李波
杨璐铭
帅啸
张俊彦
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D33/00—Testing foundations or foundation structures
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D17/00—Excavations; Bordering of excavations; Making embankments
    • E02D17/02—Foundation pits
    • E02D17/04—Bordering surfacing or stiffening the sides of foundation pits

Abstract

本发明公开了基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法，方法包括通过向钢管支撑发射微波信号并接收钢管支撑反射的回波信号，并将回波信号换算为钢管支撑微动时程信号；经融合EMD和时频分析的欠定时程信号盲源分离算法分离测量单元钢管支撑微动时程信号后，应用EMD算法识别基坑钢管支撑的时变轴力；装置中，微波雷达设备的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；数据采集模块通过无线远程传输模块与数据处理模块连接；数据处理模块的信号输出端与显示模块的信号输入端连接。本申请一种非接触式测量方法，该方法测量精度高，作用距离远，能在各种复杂天气下稳定工作，成本较低。

Description

基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法
技术领域
本发明涉及基坑监测技术领域，尤其涉及一种基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法。
背景技术
基坑支护结构一般由桩、支撑组成，支撑所受轴力大小是了解监测结构物安全性的最重要的依据。钢管支撑轴力测试采用表面应变计、轴力计等。目前实际工程中，采用表面应变计、轴力计的轴力测试结果普遍误差较大，且实际安装操作繁琐，效率普遍较低。采用现有技术的设备及方法对基坑支护结构的钢管支撑轴力测试，存在影响支撑轴力测试结果的因素较多的问题，如传感器的精度、混凝土的收缩和徐变、周边环境温度变化以及围护结构、立柱之间的变形差异导致支撑受力类型的改变等。
因此需要研发出一种基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的方法，包括以下步骤：
S1、通过微波雷达设备向钢管支撑发射微波信号并接收钢管支撑反射的回波信号，并将回波信号换算为钢管支撑微动时程信号；
S2、经融合EMD和时频分析的欠定时程信号盲源分离算法分离测量单元钢管支撑微动时程信号后，应用EMD算法识别基坑钢管支撑的时变轴力。
具体地，步骤S2具体包括：
A1、找到信号x(t)所有的极值点；
A2、用3次样条曲线拟合出上下极值点的包络线emax(t)和emin(t)，并求出上下包络线的平均值m(t)，在x(t)中减去它:h(t)＝x(t)-m(t)；
A3、根据预设判据判断h(t)是否为IMF；
A4、如果不是，则以h(t)代替x(t)，重复以上步骤直到h(t)满足判据，则h(t)就是需要提取的IMFCK(t)；
A5、每得到一阶IMF，就从原信号中扣除它，重复以上步骤；直到信号最后剩余部分rn就只是单调序列或者常值序列；
A6、采用EMD法求得rn的频率信息，依据频率测轴力法得到对应的轴力。
进一步地，步骤A6中，依据频率测轴力法为：
Figure BDA0003088111080000021
式中：T为支撑钢管的轴力，m为单位钢管的质量，L为钢管的计算长度，fn为钢管的第n阶自振频率，n为振动阶数；
Figure BDA0003088111080000022
对同根钢管，轴力一定时，式(2)右边根号内为一常数，则有：
Figure BDA0003088111080000023
基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置，包括：
微波雷达采集模块；微波雷达采集模块包括微波雷达设备和用于反射信号的反射体装置；反射体装置安装在待测钢管支撑上；
用于数据自动采集、存储和预处理的数据采集模块；微波雷达设备的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；
无线远程传输模块；
用于FFT分析、经验模态分解、倒频谱、长数据连续记录及回放分析的数据处理模块；数据采集模块通过无线远程传输模块与数据处理模块连接；
显示模块；数据处理模块的信号输出端与显示模块的信号输入端连接。
具体地，微波雷达设备包括：
用于为整个设备供电的供电单元；
发射机；
发射天线；发射天线用于发射信号至待测钢管支撑；
接收机；发射机的信号输出端分别与发射天线的信号输入端和接收机的信号输入端连接；
接收天线；待测钢管支撑上的反射体装置用于反射信号至接收天线；
信号处理机；接收天线的信号输出端与接收机的信号输入端连接；接收机的信号输出端与信号处理机的信号输入端连接。
具体地，数据采集模块包括数据采集装置和短距离无线发射接收装置，采集装置的信号输出端与短距离无线发射接收装置的信号输入端连接，短距离无线发射接收装置的信号输出端与无线远程传输模块的信号输入端连接。
优选地，显示模块包括手机或计算机或平板电脑。
本发明的有益效果在于：
本申请基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置及方法，是一种非接触式测量方法，该方法测量精度高，作用距离远，能在各种复杂天气下稳定工作，成本较低。
附图说明
图1为本申请的工作状态示意图；
图2为本申请的结构框图；
图3为本申请中微波雷达设备的结构框图；
图4为本申请中微波雷达测试信号的时间-位移图；
图5为本申请中微波雷达测试信号的频谱图；
图6为本申请的方法流程图。
图中：1-微波雷达设备；2-钢管支撑；3-反射体装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图6所示，基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的方法，包括以下步骤：
S1、通过微波雷达向钢管支撑2发射微波信号并接收钢管支撑2反射的回波信号，并将回波信号换算为钢管支撑2微动时程信号；
S2、经融合EMD和时频分析的欠定时程信号盲源分离算法分离测量单元钢管支撑2微动时程信号后，应用EMD算法识别基坑钢管支撑2的时变轴力。
步骤S2具体包括：
A1、找到信号x(t)所有的极值点；
A2、用3次样条曲线拟合出上下极值点的包络线emax(t)和emin(t)，并求出上下包络线的平均值m(t)，在x(t)中减去它:h(t)＝x(t)-m(t)；
A3、根据预设判据判断h(t)是否为IMF；
A4、如果不是，则以h(t)代替x(t)，重复以上步骤直到h(t)满足判据，则h(t)就是需要提取的IMFCK(t)；
A5、每得到一阶IMF，就从原信号中扣除它，重复以上步骤；直到信号最后剩余部分rn就只是单调序列或者常值序列；
A6、采用EMD法求得rn的频率信息，依据频率测轴力法可得到对应的轴力。用频率法测定钢管支撑2轴力的依据是弦振动原理，在钢管两端近似铰支、垂跨度较小情况下，可得到支撑钢管的轴力与其自振频率之间的关系为：
Figure BDA0003088111080000061
式中：T为支撑钢管的轴力，m为单位钢管的质量，L为钢管的计算长度，fn为钢管的第n阶自振频率，n为振动阶数；
Figure BDA0003088111080000062
对同根钢管，轴力一定时，式(2)右边根号内为一常数，则有：
Figure BDA0003088111080000063
如图1和2所示，基于微波雷达对基坑钢管支撑2轴力监测的装置，包括：
微波雷达采集模块；微波雷达采集模块包括微波雷达设备1和用于反射信号的反射体装置3；反射体装置3安装在待测钢管支撑2上；
用于数据自动采集、存储和预处理的数据采集模块；微波雷达设备1的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；
无线远程传输模块；
用于FFT分析、经验模态分解、倒频谱、长数据连续记录及回放分析的数据处理模块；数据采集模块通过无线远程传输模块与数据处理模块连接；
显示模块；数据处理模块的信号输出端与显示模块的信号输入端连接。
如图3所示，微波雷达设备1包括：
用于为整个设备供电的供电单元；
发射机；发射天线；发射天线用于发射信号至待测钢管支撑2；
接收机；发射机的信号输出端分别与发射天线的信号输入端和接收机的信号输入端连接；接收机内置混频器和滤波器；
接收天线；待测钢管支撑2上的反射体装置3用于反射信号至接收天线；
信号处理机；接收天线的信号输出端与接收机的信号输入端连接；接收机的信号输出端与信号处理机的信号输入端连接。
发射机线性调频锯齿波信号，其中主功率信号通过发射天线向钢管支撑2发射，其余部分送入接收机作为混频器的本振信号；接收机通过接收天线接收钢管支撑2反射的回波信号。
如图2所示，数据采集模块包括数据采集装置和短距离无线发射接收装置，采集装置的信号输出端与短距离无线发射接收装置的信号输入端连接，短距离无线发射接收装置的信号输出端与无线远程传输模块的信号输入端连接。数据采集装置还内置4G通讯模块，数据采集模块能够监测数据进行自动采集、存储和预处理，剔除大量的无效和无用的数据；数据采集模块和微波雷达采集模块组成多级分布式无线通信网系统，传感器节点可根据施工需要任意增加删减节点，不影响整个系统的正常工作。
显示模块包括手机或计算机或平板电脑。
如图4所示，示出了微波雷达测试信号的时间-位移图；如图5所示，示出了微波雷达测试信号的频谱图。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过微波雷达设备向钢管支撑发射微波信号并接收钢管支撑反射的回波信号，并将回波信号换算为钢管支撑微动时程信号；
S2、经融合EMD和时频分析的欠定时程信号盲源分离算法分离测量单元钢管支撑微动时程信号后，应用EMD算法识别基坑钢管支撑的时变轴力。
2.根据权利要求1所述的基于边缘智能计算的油气视频安全监控方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
A1、找到信号x(t)所有的极值点；
A2、用3次样条曲线拟合出上下极值点的包络线emax(t)和emin(t)，并求出上下包络线的平均值m(t)，在x(t)中减去它:h(t)＝x(t)-m(t)；
A3、根据预设判据判断h(t)是否为IMF；
A4、如果不是，则以h(t)代替x(t)，重复以上步骤直到h(t)满足判据，则h(t)就是需要提取的IMFCK(t)；
A5、每得到一阶IMF，就从原信号中扣除它，重复以上步骤；直到信号最后剩余部分rn就只是单调序列或者常值序列；
A6、采用EMD法求得rn的频率信息，依据频率测轴力法得到对应的轴力。
3.根据权利要求2所述的基于边缘智能计算的油气视频安全监控方法，其特征在于，步骤A6中，依据频率测轴力法为：
Figure FDA0003088111070000011
式中：T为支撑钢管的轴力，m为单位钢管的质量，L为钢管的计算长度，fn为钢管的第n阶自振频率，n为振动阶数；
Figure FDA0003088111070000021
对同根钢管，轴力一定时，式(2)右边根号内为一常数，则有：
Figure FDA0003088111070000022
4.基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置，其特征在于，包括：
微波雷达采集模块；微波雷达采集模块包括微波雷达设备和用于反射信号的反射体装置；反射体装置安装在待测钢管支撑上；
用于数据自动采集、存储和预处理的数据采集模块；微波雷达设备的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接；
无线远程传输模块；
用于FFT分析、经验模态分解、倒频谱、长数据连续记录及回放分析的数据处理模块；数据采集模块通过无线远程传输模块与数据处理模块连接；
显示模块；数据处理模块的信号输出端与显示模块的信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置，其特征在于，微波雷达设备包括：
用于为整个设备供电的供电单元；
发射机；
发射天线；发射天线用于发射信号至待测钢管支撑；
接收机；发射机的信号输出端分别与发射天线的信号输入端和接收机的信号输入端连接；
接收天线；待测钢管支撑上的反射体装置用于反射信号至接收天线；
信号处理机；接收天线的信号输出端与接收机的信号输入端连接；接收机的信号输出端与信号处理机的信号输入端连接。
6.根据权利要求4所述的基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置，其特征在于，数据采集模块包括数据采集装置和短距离无线发射接收装置，采集装置的信号输出端与短距离无线发射接收装置的信号输入端连接，短距离无线发射接收装置的信号输出端与无线远程传输模块的信号输入端连接。
7.根据权利要求4所述的基于微波雷达对基坑钢管支撑轴力监测的装置，其特征在于，显示模块包括手机或计算机或平板电脑。
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