基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的系统与方法，根据检测的声发射信号获取振幅—振铃计数、振幅—撞击数、振铃计数/撞击数—累积撞击数的相关图，获得振幅分布范围、频率的分布范围、累积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数以及损伤类型判定标准将损伤程度进行归类，得出损伤类型。本发明可以动态实时的判别，可准确判断预应力混凝土梁构件在各个受力阶段的损伤类型，为损伤预警提供技术支撑。灵敏度高，操作简单，便于局部、整体分析构件的健康状况，适用于对加固、翻建的预应力混凝土结构损伤程度的预测。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，尤其是一种基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类 型的系统与方法。

背景技术

桥梁结构的建设与国际民生密切相关，当前，预应力桥梁结构在工程上广泛应用，取得 了许多有益的成果，随着工程健康监测技术的发展，许多无损检测技术应用到桥梁领域，如 射线检测、超声波检测、涡轮检测等。射线检测可以穿透物体并与物体发生物理化学作用， 通过射线的强弱判断构件的损伤，但设备比较昂贵，超声波检测对构件的形状与表面平整度 要求较高，涡轮检测技术易受干扰，影响因素多。声发射技术是另外一种检测技术，其原理 概况如下：构件内部发生损伤过程中，在外界荷载的作用下会以弹性波的形式的释放应力能。 弹性波到达构件表面会引起构件的表面振动，通过声发射传感器的声电转换原理将弹性波引 起的构件的表面位移转换成电信号，再经过放大器将原信号进行放大,之后通过滤波器滤波后 传至采集仪并在显示器上显示出来。

现有的声发射技术检测预应力桥梁结构的损伤的装置主要是声发射传感器、放大器、滤 波器、集成化的采集系统和显示器，通过同轴电缆分别将声发射传感器与放大器相连，放大 器与滤波器相连、滤波器与集成化采集系统相连、集成化采集系统与显示器相连，这就形成 了普通的声发射检测装置。在进行构件的损伤类型的判别主要是通过参数（振幅、振铃计数、 能量、持续时间）的大小进行简单的判别，具有一定的主观性，不利于科学的实时的评估构 件的损伤类型，为了对构件进行科学的评估提供了一种结合结构设计原理将构件的受力阶段 进行区分还没有有效的检测设备与方法，是本发明所要解决的技术问题。

申请公布号为CN102680579A的中国发明专利申请，提供了一种基于声发射传感器阵列 的混凝土内部缺陷检测方法，它避开常用的超声波法、地质雷达法、X射线法和红外线成像 法采用的主动检测方法导致的局限性，利用被动的声发射无损检测技术，通过声发射检测仪 依次对混凝土板内部缺陷的声发射信号进行传播速度、波长计算，利用波束形成技术对声发 射信号进行方位估计，最后用双六角型声发射阵列对混凝土内部缺陷进行定位。基于声发射 检测技术及阵列波束形成技术，整个混凝土内部缺陷定位过程简单快速，定位精度高，可以 对大型混凝土结构实现实时动态检测，在结构的诊断、保养和维护方面起到了重要作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于声发射技术判别预应力混凝土梁 结构损伤类型的系统及方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采集声发射信号；

（2）对时间参数设置滤值，做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图、振铃计 数/撞击数—累积撞击数相关图；

（3）判断步骤（2）中所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中的振幅分 布范围、峰值振幅是否相同，并且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰 值对应的振铃计数/撞击数与该时段内总的振铃计数/撞击数是否相同；若二者均相同，进行步 骤（6）；否则进行步骤（4）；

（4）对比时间参数相关性更高的参数进行滤值，做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞 击数相关图、振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图；

（5）判断步骤（4）中所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中振幅分布 特征是否相同，且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰值对应的振铃计 数/撞击数与该时段内总的振铃计数/撞击数是否相等；若均相同，且遗漏撞击数小于总撞击数 的10%；则进行步骤（6）；否则重复步骤（2）；

（6）确定步骤（2）所述时间参数滤值表示的时段内的声发射信号的振幅分布范围、累 积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数，对能量最大的信号进行傅里叶变换得到波形的时频分 布特征，确定频率的分布范围；

（7）根据步骤（6）所得的振幅分布范围、频率的分布范围、累积撞击数峰值对应的振 铃计数/撞击数以及损伤类型判定标准将损伤程度进行归类，得出损伤类型。

优选地，所述步骤（7）损伤类型判定标准为：

声发射信号的振幅小于50dB、频率分布为0-100kHz、0≤累积撞击数峰值对应的振铃计 数/撞击数≤2.2，为微裂缝阶段；

声发射信号的振幅为50-61dB、频率分布为30-150kHz、2.2＜累积撞击数峰值对应的振 铃计数/撞击数≤15，为粘着裂缝阶段；

声发射信号的振幅为61-80dB、频率分布为50-150kHz、15＜累积撞击数峰值对应的振铃 计数/撞击数≤54，为水泥石裂缝阶段；

声发射信号的振幅大于80dB、频率分布为70-150kHz、54＜累积撞击数峰值对应的振铃 计数/撞击数≤74，为骨料裂缝阶段。

优选地，所述比时间参数相关性更高的参数为振铃计数或能量。

优选地，所述判别预应力混凝土梁结构损伤类型的方法，在所述步骤（1）之前还包括通 过断铅试验确定声发射传感器的最大间距、阀值、波速、采样频率、采样长度、闭锁时间、 参数间隔的步骤。

基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的系统，包括依次相连的声发射传感 器、程控放大器、带通滤波器、数据采集仪、损伤类型处理器和显示器，其特征在于，所述 损伤类型处理器包括：

数字式信号传输接口，用于从数据采集仪接收声发射信号；

数据存储模块，用于存储数据；

数据处理和图形处理模块，用于根据设定的参数滤值过滤声发射信号，根据所得到的声 发射信号做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图、振铃计数/撞击数—累积撞击数 相关图，并判断所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中的振幅分布范围、峰 值振幅是否相同，并且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰值对应的振 铃计数/撞击数与总的振铃计数/撞击数是否相同；

振幅、振铃计数/撞击数、频谱特征分析模块，用于确定声发射信号的振幅分布范围、撞 击数峰值对应的振铃计数/撞击数，对能量最大的信号进行傅里叶变换得到波形的时频分布特 征，确定频率的分布范围；

损伤类型判断模块，用于根据振幅特征、累积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数、频谱 特征以及损伤类型的评判标准，将损伤程度进行归类，判定损伤类型。

本发明所述方法具有以下优点：

1）实时对声发射信号进行反馈，灵敏度高，操作简单、安全性高等优点，对构件的损伤 类型可以动态实时的判别，便于局部、整体分析构件的健康状况，适用于对加固、翻建的预 应力混凝土结构损伤程度的预测。

2）本发明的系统通过损伤类型处理器获取振幅—振铃计数、振幅—撞击数、振铃计数/ 撞击数—累积撞击数的相关图，可准确判断预应力混凝土梁构件在各个受力阶段的损伤类型， 为损伤预警提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明所述基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的方法的流程图。

图2为基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于 此。

本发明主要用于监测预应力混凝土梁损伤类型，声发射信号具有动态、实时、损伤来自 构件内部，适用于评价损伤对构件的危害程度、操作简便等优点，可以实时分析判别构件内 部缺陷的发展状况。

如图2所示，本发明所述基于声发射技术判别预应力混凝土梁结构损伤类型的系统，包 括依次相连的声发射传感器、程控放大器、带通滤波器、数据采集仪、损伤类型处理器和显 示器。所述声发射传感器、程控放大器、带通滤波器、数据采集仪用于采集预应力混凝土梁 结构的声发射信号，所述损伤类型处理器用于对采集预应力混凝土梁结构的声发射信号进行 数据处理并判定损伤类型，显示器用于显示数据。

具体的，所述损伤类型处理器包括：

数字式信号传输接口，用于从数据采集仪接收声发射信号；

数据存储模块，用于存储数据；

数据处理和图形处理模块，用于根据设定的参数滤值过滤声发射信号，根据所得到的声 发射信号做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图、同一振幅的振铃计数/撞击数— 撞击数相关图，并判断所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中的振幅分布范 围、峰值振幅是否相同，并且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰值对 应的振铃计数/撞击数与该时段内总的振铃计数/撞击数是否相同；

振幅、振铃计数/撞击数、频谱特征分析模块，用于确定声发射信号的振幅分布范围、累 积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数，对能量最大的信号进行傅里叶变换得到波形的时频分 布特征，确定频率的分布范围；

损伤类型判断模块，用于根据振幅特征、累积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数、频谱 特征以及损伤类型的评判标准，将损伤程度进行归类，判定损伤类型。

本发明所述判别预应力混凝土梁结构损伤类型的系统的检测流程如图1所示。

（1）使用声发射传感器、程控放大器、带通滤波器、数据采集仪采集声发射信号。

具体地，通过断铅试验确定声发射传感器的最大间距、阀值、波速、采样频率、采样长 度、闭锁时间、参数间隔。通过声发射传感器采集声发射信号，经过程控放大器放大，再通 过带通滤波器将频率范围外的声发射信号进行滤除，传输至采集仪。程控放大器的放大增益 可选择40dB或20dBd将信号放大100倍或10倍，具体按照实际需要进行设置，噪声多时放 大100倍，噪声少时放大10倍。

（2）对时间参数设置滤值，提取待检测时段内的声发射信号，并根据改时段内的发送信 号做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图、振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图。

（3）判断步骤（2）中所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中的振幅分 布范围、峰值振幅是否相同，并且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰 值对应的振铃计数/撞击数与该时段内总的振铃计数/撞击数是否相同；若二者均相同，进行步 骤（6）；否则进行步骤（4）。

（4）对振铃计数或能量进行滤值，做出振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图、 振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图。

（5）判断步骤（4）中所述的振幅—振铃计数相关图、振幅—撞击数相关图中振幅分布 特征是否相同，且判断振铃计数/撞击数—累积撞击数相关图中累积撞击数峰值对应的振铃计 数/撞击数与该时段内总的振铃计数/撞击数是否相等；若均相同，且遗漏撞击数小于总撞击数 的10%；则进行步骤（6）；否则重复步骤（2）。

（6）确定步骤（2）所述时间参数滤值表示的时段内的声发射信号的振幅分布范围、累 积撞击数峰值对应的振铃计数/撞击数，对能量最大的信号进行傅里叶变换得到波形的时频分 布特征，确定频率的分布范围。

（7）根据步骤（6）所得的振幅分布范围、频率的分布范围、累积撞击数峰值对应的振 铃计数/撞击数以及以下损伤类型判定标准，将损伤程度进行归类，得出损伤类型。

损伤类型判定标准为：

声发射信号的振幅小于50dB、频率分布为0-100kHz、0≤累积撞击数峰值对应的振铃计 数/撞击数≤2.2，为微裂缝阶段；

声发射信号的振幅为50-61dB、频率分布为30-150kHz、2.2＜累积撞击数峰值对应的振 铃计数/撞击数≤15，为粘着裂缝阶段；

声发射信号的振幅为61-80dB、频率分布为50-150kHz、15＜累积撞击数峰值对应的振铃 计数/撞击数≤54，为水泥石裂缝阶段；

声发射信号的振幅大于80dB、频率分布为70-150kHz、54＜累积撞击数峰值对应的振铃 计数/撞击数≤74，为骨料裂缝阶段。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。