结构应变检测论文

结构应变检测论文（精选8篇）

结构应变检测论文 第1篇

承载结构，尤其是现代大型结构，如飞机、桥梁、建筑等，在其长期复杂的工作环境中，将承受动载荷的作用以及各种突发性外界因素的影响，一些部件会受到损伤，可能导致结构性能下降，甚至破坏。如果不能及时识别出结构的损伤状况，并实施相应的措施，损伤可能在短时间内导致结构发生灾难性的后果。J.B.Kosmatka[1]指出：损伤识别技术首先要具有以下几种能力：(1)：判断损伤的存在；(2)：定位损伤；(3)：损伤程度的判定，包括损伤的类型、几何大小及严重程度。通过查阅大量相关文献发现，现有的损伤识别技术已能较好解决前两个层次的问题，然而由于实际测量环境和测量误差及其本身理论的不够完善等因素导致对第三个层次的研究还不够充分，在对噪声影响下的研究比较缺乏。

在结构损伤识别中，通常将损伤简化为结构刚度的损失，这将导致结构的动力特性，如模态频率和固有振型发生变化。近年来，基于动力学参数进行损伤诊断的研究不断深入。本文基于单元模态应变能的概念，导出了进行结构损伤识别的指标，并进行了无噪声影响以及有噪声影响下的相关验证。研究表明，本文方法仅需结构损伤前后的低阶模态振型和单元刚度矩阵，即使在有噪声的影响下，也能方便而正确地进行损伤诊断，有一定的工程应用价值。

2、理论推导

定义结构损伤前后第j单元关于第i阶模态的单元模态应变能为：

式中，上标h、d分别代表损伤前后的模态参数，[Kj]为第j单元的刚度矩阵。

当第j单元产生了损伤时，定义其损伤前后的模态应变能变化(MSEC)为：

根据文献[2]的研究成果，可用损伤前的单元刚度矩阵近似地代替损伤后的单元刚度矩阵，一方面由于损伤后的单元刚度矩阵未知，另一方面，这样可以使得损伤后的模态应变能变化对损伤更加敏感。

因此，式（7）可以写为：

引用单元模态应变能变化率(MSECR)为结构损伤识别指标：

为了更有效地确定损伤单元的位置，可同时用多阶模态振型来定位损伤：

3、算例与分析

3.1 仿真算例

图1所示的矩形等截面简支梁参数为：长l=5m，宽b=0.3m，高h=0.5m，截面惯性矩I=0.003125m4，弹性模量E=2 G P a，泊松比μ=0.3，密度ρ=2 7 0 0 k g/m3。

本文对简支梁结构损伤前后的动力性能进行了分析，利用单元弹性模量降低的方式模拟损伤，提取出结构的模态参数和单元刚度信息（忽略其中的纵向振动模态），并设置了多种损伤工况进行了研究，以下表所列10种工况为主：

根据式（1 1）和式（1 2）损伤指标的计算结果，可得如下各图：

从上图中可以看出单元模态应变能变化率指标对简支梁各个位置的损伤均能准确而明显地确定。产生损伤的单元，其模态应变能变化率较之完好的单元明显要高，在图上就表现为突变；同时，与损伤单元相邻单元的模态应变能变化率也较完好的要高，而远离损伤位置的单元模态应变能变化率就要低。损伤单元发生在近端、远端或中央（图4～图6：工况1～工况3），在无噪声影响的情况下，利用1阶模态即可清晰指示损伤位置。对多处位置同时发生损伤的情况，如图7（工况4）所示，利用单元模态应变能变化率，也可以准确地实现定位。

图8为不同损伤程度在模态应变能变化率中的反映，随着损伤程度的增加，无损单元的模态应变能变化率不断相对地减小，使损伤单元的位置便愈加突出，损伤定位效果就越好。

3.2 模态测试误差对损伤指标的影响

影响损伤指标的一个主要因素是模态测试误差，模态测试误差一般是指由于采集的加速度信号中混入一定成分的噪声，使分析得到的模态参数与结构真实的模态参数间存在一定的误差。为了使仿真效果更为真实，研究测试误差对损伤指标的影响是有必要的[3]。用在[-1,1]区间呈高斯分布的随机数rand来模拟测试误差，并将其以式(13)的形式添加到参与损伤指标计算的模态振型中。对第j阶模态振型，误差添加方式为：

其中，分别是加噪声前后第i阶振型的第j个分量，б为测试误差水平，

根据式（6）的误差添加方式，计算了上述简支梁结构在多种工况下的单元模态应变能变化率指标，如以下各图所示：

结果表明,单元3损伤5%时,在有1%噪声影响下,利用1阶模态会有较少的误判(图9～工况5);而当噪声水平达到3%时,利用1阶模态就会发生明显的误判(图10～工况6);此时采用3阶模态后,发现结果能够清晰而正确地指示损伤位置(图1 1～工况7)。

单元3损伤5%时,在有4%噪声影响下,利用3阶模态会时有误判(工况8);此时采用5阶模态,获得的损伤指标图基本正确(图1 2～工况9);而对3阶测试振型进行多此平均处理后,所得的损伤指标图就能够清晰而正确地指示损伤位置(图13～工况10)。图14表明了3单元损伤5%时,在不同噪声水平下,利用前3阶模态即可清晰而正确指示损伤位置。

4、结论

1)模拟试验表明:基于单元模态应变能变化率的结构损伤诊断方法简便有效,对于各个位置的损伤及多处损伤均能有效识别,便于实际应用。

2)即使在有一定噪声的影响下,本文所提指标亦能进行有效识别,表明其具有一定的抗噪能力。

3)结构模型的误差、随机噪声对测试振型的影响对结构损伤诊断都有一定的影响,在实际中使用本文方法进行损伤识别时,将不可避免地遇到噪声的影响,此时建议在对原始模型进行修正的基础上,采用多阶模态或多次平均处理,以获得清晰而准确的损伤识别指标图,较好地改善结构损伤检测的结果。

4)本文的研究对单元模态应变能方法应用于实际提供了一定的参考,然而与实际情况还是有一些不同,下一步主要需研究测试振型不完备和环境噪声双重影响下的解决之道,以更好地指导实际的应用。

摘要：基于单元模态应变能的概念,推导了基于单元模态应变能变化率的结构损伤识别方法,该方法仅以结构破损前后的模态振型和单元刚度矩阵为诊断信息。然而在实际的损伤检测中,将不可避免地遇到测试噪声的影响。因此,本文还对一定噪声影响下的单元模态应变能方法进行了研究,并提出了噪声影响下的解决措施。研究表明,即使有一定的噪声影响,根据此方法利用低阶测试模态振型数据,仍能得到较好的损伤诊断结果,并且方法简便,便于实际应用。

关键词：损伤识别,模态分析,噪声,单元模态应变能

参考文献

[1]J.B.Kosmatka and J.Oliver.Development of an In-Flight Structural Health Monitoring System for Composite Unmanned Aircraft[J].Structural Dynamics,and Materials Conference,2006,5

[2]史治宇,罗绍湘,张令弥.结构破损定位的单元模态应变能变化率法[J].振动工程学报.1998

结构应变检测论文 第2篇

【关键词】铁道行业；低应变检测；修改意见

1、低应变检测原理

当混凝土桩的物理强度远大于桩周边土的物理强度时，在桩顶沿垂直方向激发弹性应力波，应力波沿桩身传播，当遇到桩底持力层及桩身质量缺陷位置上的波阻抗与正常混凝土波阻抗存在差异时，会部分应力波反射。

（1）通过分析缺陷反射波

①相位变化、频率变化、多次反射性可判断桩基的缩径、扩径、松散、夹泥、离析、断桩等质量缺陷现象。

②振幅的大小可判断缺陷的程度。

③桩身缺陷位置应按下式计算：

式中：L′—测点至桩身缺陷的距离（m）；

△T′—时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；

△f′—幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差（Hz）；

c—桩身波速（m/s），无法确定时用桩身波速平均值替代。

（2）桩底反射信号明确时可以验证桩长。

L=cm●△T

式中：L—桩长（m）；

△T—测得的桩底反射信号时间（ms）；

cm—桩身波速平均值（m/s）。

桩身波速平均值的确定：当桩长已知、桩底反射信号明显时，选取相同条件下不少于5根Ⅰ类桩的桩身波速计算而得。

2、目前《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008中对数据判定的规定

桩身完整性类别应结合缺陷出现的深度、测试信号衰减特性以及设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况，按表1所列实测时域或幅频信号特征进行综合判定。

目前《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008的判断标准存在重大漏洞，判断桩等级时，未将摩擦桩与嵌岩桩区别开，未对桩底反射相位进行描述，容易将不合格桩误判成合格桩。

3、工程实例

3.1实例1

合福铁路泾县某特大桥5号墩6号桩，桩长17.5米，设计强度等级C30，龄期7天，设计为嵌岩桩。该墩总共8根基桩，设计长度相同，波形相近。设计文件中地质情况如下：从桩头向下依次为地表腐质土、粘性土、强风化砂岩、弱风化砂岩。采用低应变法检测，桩底反射明显，波速实测波形如下：（检测日期2011年5月2日）

上述波形如果按现行《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008进行桩类别判定应为I类桩。但经过笔者的经验此桩桩底反射桩号明显且与入射波同向，是典型的摩擦桩桩底反射信号。通过取芯验证，发现此桩桩底位于强风化砂岩上，承载力与设计的弱风化砂岩相差很大，达不到设计强度，此桩虽然桩身完整，但承载力远远达不到设计值，属于不合格桩。后经设计院重新验算后补强，在此墩上补了8根桩长相同的基桩。

3.2实例2

合福铁路泾县某某河特大桥12号墩4号桩，设计桩长7米，设计强度等级C30，龄期12天，设计为嵌岩桩。设计地质情况如下：从桩顶向下依次为粘性土、强风化花岗闪长岩、弱风化花岗闪长岩。该墩总共8根基桩，设计长度相同，有四根桩波形相近，实测波形如下：

该墩另4个桩波形相近，实测波形如下：

对比上述两个波形可以发现1图桩底反射与入射波相同，是典型的摩擦桩桩底反射信号。2图在桩底反射时刻前有明显的与入射波相位相反的信号，是典型的嵌岩桩信号。但如果按现行《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008进行判断则4号桩应判成I类。通过取芯验证发现桩底全风化，报验单提供的基桩嵌岩1.0米，并进入弱风化花岗闪长岩，未达到设计要求，后该四根变更加长3米，原桩位冲孔重新灌注新桩，复测合格。

3.3实例3

武广铁路客运专线友谊水库1号大桥6号墩，7号桩。设计桩长16米，桩径1米，C30强度等级。6号墩设计全部为嵌岩桩。地质情况由桩顶向下依次为1-1粉质黏土，硬塑，夹少量碎石，Ⅱ类等级，σ0=150kPa

1-2粉质黏土，硬塑，Ⅱ类等级，σ0=180kPa

1-3碎石土，中密～松散，Ⅲ类等级，σ0=250kPa

1-4淤泥质粉质黏土，软塑，Ⅱ类等级，σ0=80kPa

2-1板岩，全风化，呈土状，Ⅲ类等级，σ0=250kPa

2-2板岩，强风化，呈碎块状和小柱状，节理发育，Ⅳ类等级，σ0=350kPa

2-3板岩，弱风化，呈短柱状，节理较发育，Ⅳ类等级，σ0=600kPa

检测时龄期14天。桩底同向反射明显，波速3800m/s。实测波形如下：

6号墩6号桩实测波形如下：可以看出6号桩桩底反相反射波显，是典型的嵌岩桩

通过分析7号桩及与6号桩对比，可以发现7号桩为摩擦桩，6号桩为嵌岩桩。判断7号桩应是不合格桩。后对7号桩进行取芯检测，混凝土芯样长度12.2米，对桩底下部继续取样发现，桩底下部20cm是岩石芯样，穿过此范围过的1.5米范围内是含水量很大的粘土，后判断此处是一小型溶洞。后将桩身变更为16米，原桩位冲孔重新灌注新桩。但按现行《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008进行判断则7号桩也应判成I类。

4、建议

通过上述几个工程实例可以看出：现行《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008中对桩的类别判断未区分嵌岩桩与摩擦桩，建议增加如下条款：

当基桩设计成嵌岩桩时，采用低应变法检测时，当桩底反射信号明显且与入射波同相时，就判为四类桩。

参考文献

结构应变检测论文 第3篇

1 桩基检测目的

灌注桩的成孔是在桩位处的地下或水下完成的, 施工工序多, 质量控制难度大, 稍有不慎易产生断桩等严重缺陷。因此, 灌注桩的质量检测就显得格外重要, 它是桩基质量检查与验收中的一个关键部分。灌注桩基通常存在4个方面的问题:一是钻孔倾斜, 在钻进过程中遇到孤石等地下障碍物使得钻孔倾斜, 由于该类事故无法通过基桩检测手段测定, 只能在施工过程进行垂直度检验。二是钻进过程坍孔, 此种情况易造成断桩、沉渣、孔径突变等缺陷。三是充盈系数过大, 由于成孔工艺、地质条件等原因使得充盈系数达到1.3甚至更大, 造成材料浪费和桩刚度不一致等弊病。四是灌注过程对桩身完整性造成断桩、夹泥、离析、缩径、孔底沉渣、桩头浮浆等质量问题。因此灌注桩施工工艺较复杂, 施工较难控制, 容易出现质量问题。

所以基桩检测目的是:一是了解其承载力情况, 对基桩承载力进行检测, 达到判定与评价基桩承载力是否满足设计要求的目的;二是对基桩桩身质量进行检测, 查明桩身的完整性, 查清缺陷及其位置, 以便对影响桩承载力和寿命的桩身缺陷进行必要的补救, 以保证工程质量, 不留下事故隐患, 同时达到对桩身质量普查的目的。

目前国内常用的检测方法有:

1) 钻孔抽芯法:由于大直钻孔灌注桩的设计荷载一般较大, 用静力试桩法有许多困难, 所以常用钻机在桩身上沿长度方向钻取芯样, 通过对芯样的观察和试压芯样, 确定桩身的质量。但这种方法只能反映钻孔范围内的小部分混凝土质量, 而且设备庞大、费工费时、价格昂贵, 不宜作为大面积检测方法, 而只能用于抽样检查, 或作为无损检测结果的校核手段。

2) 埋管式声波透射法:在预埋声测管之间并联接受声波, 通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化, 对桩身完整性进行检测的方法。

3) 高、低应变动力检测法:根据作用在桩顶上动荷载能量是否使桩土之间发生塑性位移或弹性位移而把动力测桩分为高、低应变2种方法。桩动测法具有以下优点: (1) 仪器设备轻便, 检测速度快; (2) 动力测桩除了与静力试桩一样能检测单桩承载力外, 还有桩身结构完整性检测、沉桩能力分析、桩动态特性测定等功能; (3) 可区分破坏模式是土的破坏还是桩身结构破坏。 (4) 不仅可得到单桩总承载力, 还可进行侧阻力分布和端阻力值的估计。

2 低应变反射波法的基本原理

目前在桥梁桩基检测过程中常用反射波法。其基本原理是:通过在桩顶施加激振信号产生应力波, 该应力波沿桩身传播过程中, 遇到不连续界面 (如蜂窝、夹泥、断裂、孔洞等缺陷) 和桩底面时, 将产生反射波, 检测分析反射波的传播时间、幅值和波形特征, 就能判断桩的完整性, 如图1所示。

假设桩为一维线弹性杆, 其长度为L, 横截面积为A, 弹性模量为E, 质量密度为ρ, 弹性波速为C (C2=E/ρ) , 广义波阻抗为Z=AρC;推导可得桩的一维波动方程

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假设桩中某处阻抗发生变化, 当应力波从介质Ⅰ (阻抗为Z1) 进入介质Ⅱ (阻抗为Z2) 时, 将产生速度反射波Vr和速度透射波Vt。

令桩身质量完好系数β=Z1/Z2, 则有

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缺陷的程度根据缺陷反射的幅值定性确定, 缺陷位置根据反射波的时间tx由下式确定

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现场检测时, 应对被检工程进行现场调查, 搜集有关被检工程地质资料、基桩设计图纸和施工记录、监理日志等, 了解施工工艺及施工过程中出现的异常情况。根据桩径大小, 围绕桩芯沿桩身对称布置2～4个检测点, 每个检测点记录的有效信号数不小于3个, 且检测波形具有良好的一致性, 以便通过叠加平均提高信噪比。传感器安装应根据被检现场的实际情况采用石膏或化学粘结剂 (黄油、胶泥) 等粘结, 并保证传感器与桩顶面的紧密接触和垂直。激振点宜选择在桩顶中心部位, 并选择合适重量的激振力锤和锤垫。一般情况下, 应力波反射法所采集的较好波形应具有以下几个特征: (1) 多次锤击的波形重复性好; (2) 波形真实反映桩的实际情况, 完好桩桩底反射明显; (3) 波形光滑, 不应含毛刺或振荡波形; (4) 波形最终回归基线。

3 实测曲线判读解释的基本方法

由于实际施工的复杂及不确定性, 造成桩身实测信号复杂, 因而要科学地判别桩的质量, 不仅要有好的仪器设备、完善的分析系统, 还要有丰富的实测、分析经验。桩身完整性分析宜以时域曲线为主, 辅以频域分析, 并结合施工情况、岩土工程勘察资料和波形特征等因素进行综合分析判定。

先进行原始时域信号分析, 初步判断桩身完整性。再进行频域分析, 判断桩身完整性和信号频率成分, 为进一步的时域分析作准备。进行深入时域分析, 对信号进行数字滤波 (平滑) 、指数放大等处理, 以便去掉无关信号, 将桩身完整性的各种反映充分展现出来, 便于准确分析。

进行波形时域、频域分析判读时, 应注意以下情况:

1) 多数情况下同一信号的时域、频域分析结果能够很好地统一和相互验证, 但必须注意缺陷位置的计算公式所存在的误差和时域、频域分辨率的矛盾, 缺陷位置和桩长应以时域计算为准。

2) 当时域信号中非桩土系统引起的干扰振荡较严重时, 时域局限性较大, 应以频域分析为主体。

3) 桩身存在多个等间距缺陷时, 时域难以区分深部缺陷反射与浅部缺陷的多次反射, 而分析频域的基频和频差可对其加以识别。

4) 激振锤和传感器选用不当时, 也有浅部缺陷时域不明而频域清晰的情况。

5) 柔性桩桩底反射平缓, 时域很难定位, 频域则更显得合理。

6) 对于离析、缩颈、裂隙等缺陷状的区分时, 时域频域的相互印证有时特别重要, 离析处的谐振峰多见低缓形式, 而裂隙的谐振峰较尖锐。

但是, 目前在应用中还存在一些不足:基本上不能对截面的变化做出定量评定, 而只能对桩身缺陷做出定性与定位的判断;对许多具有中等程度缺损桩, 较难对其合格性做出判断;在通过对桩身阻抗变化的分析中, 很难判定缺陷的具体类型, 必须结合工程地质条件、桩型、成桩工艺和施工纪录等进行综合判断。

4 实际应用

该桩为广东湛江地区雷州市曹家中桥2-左桩。本次检测使用RS-1616 (P) 型基桩动测仪, 采用的速度型传感器。该桩桩长30 m、摩擦桩、桩径1.2 m。在检测过程中发现在桩身2.5 m处明显存在波阻抗界面和桩身截面积变化的情况, 波形如图2所示。

后来经过开挖验证, 证实该处存在断桩现象, 如图3所示。

5 结 语

运用应力波反射法检测钻孔灌注桩的施工质量, 具有检测速度快、费用低、便于全面普查桩的质量、判别桩的完整性和质量缺陷, 是一种值得推广的方法。而鉴于存在的应用问题, 应结合取芯、开挖等直接检测法的检测结果进行比对验证, 同时总结不同桩型易出现的质量事故, 获取实际经验, 提高检测结果的可靠性、结果评价的合理性。

摘要：简要介绍了钻 (冲) 孔灌注桩检测方法, 并主要介绍了低应变反射波法的基本原理及影响基桩质量检测波形的因素, 实际运用低应变反射波法判读钻 (冲) 孔灌注桩, 该方法具有检测速度快、经济, 便于全面普查桩的质量、判别桩的完整性和质量缺陷, 是一种值得推广的方法。

关键词：桩基检测,低应变反射波法,桥梁工程

参考文献

[1]JGJ 106—2003, 建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[2]林辉, 吕宜媛, 戴民, 等.低应变反射波法在灌注桩桩身完整性检测中的应用[J].浙江水利科技, 2007.

[3]李继华.旋挖钻孔灌注桩低应变检测与分析[J].安徽地质, 2008.

基桩长度低应变法检测改进设计 第4篇

关键词：桩长检测,低应变,基桩

桩长的检测具有实际工程应用意义,桩长检测最直接的检测方法是开挖或钻孔取芯验证,但难度较大。低应变反射波法以其快速、简捷得到广泛应用,一般情况下仍是第一选择。但随着桩侧土的阻尼增大,桩端反射信号减弱,直至无法识别。在基桩完整性试验中,得以识别桩端反射信号才能保证检测结果的可靠。如何取得最大检测长度,应通过现场试验,按能否识别桩底反射信号来确定该方法是否适用。

1 增强桩底反射信号

1.1 加大激振能量

受桩周土约束、激振能量、桩身材料阻尼和桩身截面阻抗变化的影响,应力波从桩顶至桩底再从桩底反射回桩顶的传播为能量和幅值逐渐衰减的过程,有些时候很难识别桩底反射。通过现场试验,依据能否识别桩底反射信号,选择合适的激振设备。手锤越重、接触面刚度越小、应力波频率越低,则激振能量越大。

我国援建东南亚某国桥梁工程,桩径2.0m,桩长约100m,普通的手锤、力棒无法满足要求。检测人员利用工程地质勘察用的标准贯入装置设计了反射波法专用的穿心锤,每次下落高度保持一致,便于接收信号的一致性;同时,穿心锤重达56 kg,在锤底粘贴软橡胶,收到了很好的效果。

1.2 数字滤波

数字滤波是通过算法排除可能的干扰,提高检测精度的一种手段,又称软件滤波。滤波是波形分析处理的重要手段之一,是对采集的原始信号进行加工处理,它是为了将测试信号中无用的或次要成分的波滤除掉,使波形更容易分析判断。一般多采用最小二乘平滑滤波、普通数字带通滤波。在实际工作中,多采用低通滤波,而低通滤波频率上限的选择尤为重要,选择过低,容易掩盖浅层缺陷,选择过高,起不到滤波的作用。高通滤波是滤掉50 Hz以下信号。

1.3 指数放大

连续介质体内质点的振动随时间指数衰减,均匀无限介质体内传播的一维平面应力波幅值也随距离而呈指数衰减,正因如此,测试信号中包含有桩底反射的后期质点振动信号一般要比入射波质点振动信号低很多,以至于在同一计算机屏幕显示的前提下,常常不易识别桩底反射信号。

指数放大可以在确保入射波信号不削波的情况下,使底部信号得以清晰地显现出来。具体地讲,就对中下部信号按指数函数进行放大,起始时刻定为(0.4～0.6)L/c,起始时刻的放大倍数为1。但是,指数放大可导致波形失真,过分突出了桩深部的缺陷,甚至可能“制造”出一个桩底反射。但适当地进行指数放大,作为显示深部缺陷和桩底的一种手段,仍是可行的。

指数放大的倍数取决于桩长及桩周介质,桩越长,放大倍数应取得越大;桩周介质越坚硬,放大倍数也应设定得越大。指数放大的倍数不宜太大,2～20倍较为合适。

1.4 频谱分析

1.4.1 倒频谱

有条件时,还可采用倒频谱等分析方法,以突出桩底反射信号。

自1963年Bogert等人提出了功率倒频谱以来,倒频谱在许多方面得到广泛的应用。倒频谱定义为信号频谱的频谱,用于识别信号频谱中的周期成分。本质上来说,倒频谱是将功率谱数据视为信号,对功率谱所做的谱。

《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2003)条文说明:可对速度幅频信号曲线进行二次谱分析,作为桩身缺陷的程度及位置判定的辅助分析手段。倒频谱方法可作为功率谱方法的一种补充和验证。

1.4.2 最大熵谱(MEM谱)

目前,在桩的动力分析中,一般进行的是快速傅立叶变换(简称FFT谱),但它有一定的不足之处,如分辨率容易受数据长短的影响等,导致了在桩基检测分析中有一定的局限性,如对缺陷频率反映的不够细等缺点。

针对FFT谱的局限性,Burg在1967年首先提出了最大熵谱分析方法(以下简称MEM法)。他不认为观测数据以外的数据全为零,没有固定的窗口函数,从而克服了传统方法的固有缺陷,提高了谱的分辨率。MEM法的出现,被认为是频谱分析中的一大突破。

笔者采用最大熵谱法对某预制桩低应变动测信号进行频谱分析,从结果看,其分辨率比傅氏谱高(图1)。

1.5 小波分析

根据低应变反射波法检测桩身完整性的原理可知,当应力波在桩身中传播时,首先要受到桩与土的吸收和散射引起衰减,其次在桩身出现波阻抗变化或截面变化的地方要发生反射和透射。对于桩身中存在缺陷的类型不同、位置不同、缺损程度不同,应力波的传播速度和波形也不同。此外,由于不同介质衰减系数的不同及不同界面反射波和透射波的路径不同,在桩顶得到的检测信号所含的频率成分也不同。因此基桩低应变动测信号具有时变谱特性。

(a)最大熵谱;(b)傅氏谱

小波分析方法在信号处理方面具有得天独厚的优越性。因为小波分析方法是一种时频分析方法,即某频域中的信息和时域内某时刻的信息具有直接对应关系。这与傅立叶变换在频域上进行的分析是不同的。传统的傅立叶变换只能在整体上给出信号的奇异性表述,而无法刻画其局部特征。小波分析方法是对傅立叶分析的改进。它具有良好的时频局部化特性,可以聚焦到信号的任意细节,因此被誉为分析信号的数学显微镜。用它来探测正常信号和反常信号间的细微差别无疑再合适不过。

小波滤波属非线性滤波方法,近年来日益受到人们的重视。Park,Hyung-Choon等提出了基于谐波小波分析(HWAW,Harmonic Wavelet Analysis of Wave)的桩身完整性诊断方法。美国PDI公司的PIT-W等低应变动测数据处理程序都提供了小波滤波的功能。

1.6 提高信噪比

在桩基动测中,随机干扰信号主要来源于仪器自身的噪声、自然环境中的随机扰动以及锤击桩头时锤击瞬间由于桩介质密度的非均匀性而产生的杂波等。由随机信号的特性,可以认为其信号所出现的频率、相位、幅值没有规律性,但是,在相同条件下,多次进行信号采样,其随机干扰波是服从一定的统计规律的。即在相同条件下进行无限次采样时,其随机信号的算术平均值趋于零。叠加平均是消除随机噪声和提高信噪比的有效手段。

1.7 采样设置

信号采样时设置不同的采样间隔,取得多组信号,分析时采用时域、频域联合分析方法。

2 桩身混凝土波速

2.1 传统做法

在验证性检测桩长时,波速是判定桩身缺陷位置时的重要参数。波速同骨料品种、水灰比、水泥种类、成桩工艺、混凝土养护条件、工程地质与水文地质条件等都有关系。但在同一工地,以上条件基本相同,各桩的波速值也应接近,一般约有±(5%～10%)的变化幅度,不会相差悬殊。具体可按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2003)中的规定,选取不少于5根I类桩的桩身波速值计算其平均值便可。

2.2 双加速度计法

当某根桩露出地面且有一定的高度时,可沿桩长方向间隔一可测量的距离段安置两个测振传感器,通过测量两个传感器的响应时差,计算该桩段的波速值,以该值代表整根桩的波速值。

由于实测了两个速度曲线,可采用下式计算桩身平均波速:

式中:c为桩身平均波速;Δz为加速度传感器A1和A2之间的已知距离;Δt为到达加速度传感器A1和A2的时间差。

目前,美国PDI公司生产的双通道PIT基桩完整性测试仪(图2)已具备现场精确测量2倍速度信号的能力。

PIT-VV具有两个数据通道,可以支持两个加速度传感器进行数据采集。当接入顶置式加速度传感器时,可以完成常规单速度测试;当接入两个侧置式加速度传感器时,可以实现双速度法测试;当接入内置传感器的力锤(第二个加速度通道)时,可以进行瞬态机械阻抗法测试。双速度法测试采用两个侧置式加速度传感器安装在桩侧表面,通过实测两条速度曲线计算混凝土波速以及提取上行波速度曲线,进而判断桩身完整性(图3)。

(a)实测速度曲线;(b)互相关曲线

求波速的关键问题是如何从两条曲线上确定应力波到达的时间。传统方法是凭肉眼观察应力波曲线开始上升的点,将其确定为应力波到达时刻。但是该方法有一定的随意性,特别是当信号受到干扰时,就会产生更大的误差。

同源信号由于信号传播距离不同,估计到达不同接收器或接收器阵列之间的时间延迟方法有很多种,其中互相关是最基本的时间延迟估计方法之一。互相关函数具有较强的抑制噪声的能力,能对有噪声的信号进行时延估计而得到较好的结果。

2.3 自由桩动测法

对于预制桩,检测人员可在桩基施工期间,在空气介质中进行一次检测。由于检测相对容易、判释简单,可以采集足够数量的样本进行分析统计,从而得到工程采用预制桩在空气介质中的平均波速。对于灌注桩,可按照混凝土设计强度等级、配合比等制作模型桩。

2.4 声波转换法

实践证明,由于激振方法和所用传感器类型不同,对同一根基桩,由低应变反射波法检测获得的混凝土纵波速度一般较超声波法明显偏低。然而,由于对它们的差别至今尚缺乏深入的研究,将这两者之间进行可靠的定量转换目前尚存在困难,继而妨碍了在工程中更好地综合利用这两种方法的检测资料进行混凝土质量评判。例如,对长径比大的钻孔桩或多节预制桩,用低应变反射波法检测时,会因桩端反射信号不易准确识别而难以确定出桩的平均波速乃至桩身缺陷的准确深度;但若能实现两种方法所得波速的转换,则可以借助于埋管声波透射法或桩顶部一定长度内桩身超声波的实测波速来推算低应变反射波法的桩身平均波速,上述工程问题便能够迎刃而解。

陈龙珠等人的研究成果表明,混凝土构件的超声波速与1.054倍低应变动测波速之比为1.03～1.12,并随着材料粘性系数和激振频率的增大而增大,但随着混凝土龄期、弹性模量和强度等级的增加而减小。

3 时差的计算方法

计算桩身波速时,《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)规定Δt取速度波第一峰与桩底反射波峰间的时间差(峰-峰点时差)。但是,实践中经常发现反射波形较入射波形宽缓,高频入射脉冲尤甚。笔者建议,对于桩身材料强度高、混凝土龄期长的摩擦桩,Δt以“沿-升”(起升沿-起升沿)法读取为宜。

4 结束语

作为一种简便、经济且相对精确的检测方法,低应变检测方法在桩长检测中得到了广泛的应用,但是仍然存在许多局限性与不足。笔者结合自身经验,从多个方面对低应变检测方法进行改进,可为相关技术人员提供参考,使其更好地服务于工程建设。

低应变法在检测桩身完整性时,通过增强桩底反射信号、合理使用信号处理方法及合理确定波速等手段,保证了桩长检测的可行性。

参考文献

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桩基低应变动力检测技术简介 第5篇

关键词：桩基础,低应变,动力检测,机械阻抗法

桩基础作为一种基础形式,在高层建筑、铁路、公路、港口码头、电力、石油钻井平台、水利等工程中得到了广泛的应用。公路桥梁工程中大量采用钻孔灌注桩,桩基础属隐蔽工程。为保证成桩质量的安全性、可靠性,桩基检测技术变得越来越重要。桩基检测的主要方法有:动力参数法、共振法、锤击贯入法、机械阻抗法、水电效应法、波动方程法、桩基动测分析法等。 本文以低应变动力检测技术为例介绍。

桩基动力检验方法主要分为大应变法和小应变法。大应变法的实质就是用动测法来确定桩的极限承载力,并且还可以检测桩身的完整性。小应变法是在桩土产生很小的弹性变形情况下测得振动参数,对检验桩身结构完整性,如断桩、离析、缩(扩)颈等具有很好的效果,同时还可以测定单桩容许承载力。

1 桩基础

桩基础采用不同的材料(木、钢筋混凝土、钢材)、不同的截面(方形、圆形、空心、实心)和不同的成桩方法(预制、现场灌注、打入法、压入法)支承在不同的土层上作为各类工程结构物的基础(建筑物的低桩承台,桥梁或码头的高桩承台),具有很好的承载特性。1)桩支承于坚硬的(基岩、密实的卵砾石层)或较硬的(硬塑黏性土、中密砂等)持力层上,具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力,足以承担构筑物的全部竖向荷载(包括偏心荷载)。2)桩基具有很大的竖向单桩刚度(端承桩)或群桩刚度(摩擦桩),在构筑物自重或相邻荷载影响下,不会产生过大的不均匀沉降,并能保证构筑物的倾斜不超过允许范围。3)箱、筏承台底土分担上部结构荷载。如德国法兰克福展览会大楼,筒中筒结构,桩筏基础,56层,高256 m,仅用64根ϕ1 300 mm钻孔桩,长度26.9 m～34.9 m,建筑物总重1 880 MN,筏底土分担25%的荷载。4)桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩,在地震引起的浅层土液化与震陷的情况下,桩基凭靠深部稳固土层仍具有足够的抗压与抗拔承载力,从而确保构筑物的稳定,且不产生过大的沉陷与倾斜。

2 桩基低应变动力检测

2.1 目的

检测目的在于了解被测桩的桩身完整性和桩身混凝土质量,初步判断桩端土支承强弱,进而对桩基质量做出评价,以确保建设工程的质量。以某工程为例,该工程采用500 mm×500 mm截面的预制钢筋混凝土打入桩。测试时(截桩后)桩长为8.0 m左右,桩端持力层为砂砾层。桩身混凝土强度等级为C40,单桩竖向承载力的特征值为2 000 kN。现场测试采用的主要方法为瞬态机械阻抗法。

2.2 机械阻抗法的概念及判据

机械阻抗法是桩基动力检测的一种方法,它通过测定施加给桩顶的激励(敲击)和桩的动态响应来识别桩的动态特性,对桩的动态特性进行分析计算,即可判断桩身混凝土的质量、缺陷的类型及在桩身的位置。在取得了一定的动静对比资料后,可推算桩的承载力。再根据实测导纳曲线的形状即可对桩的质量做出评估,并可推算桩的承载力。判据如下:1)完好桩:L0与实际桩长接近,Kd接近各桩的平均值,N0小于各桩的平均值,与理论值N接近,曲线无异常;2)断桩:L0小于实际桩长,曲线无桩尖反射,N0>N,Kd较低;3)缩颈:可看到桩尖处的反射和缩颈处的反射,N0>N,Kd较低;4)扩径:N0<N或N0接近N,Kd较高,曲线有反映主体及扩径处的频差;5)离析:Δf不明显,Vp较低;6)桩底沉渣:当第一波峰的频率f0接近Vp/4L时,沉渣较少;f0≪Vp/4L时,沉渣较厚或桩身有较大缺陷。在取得了本地区动静对比经验系数η值后,再规定容许沉降经验值[S],就可以推算单桩的承载力标准值Rk:Rk=[S]Kd/η。

2.3 桩的检测

根据JGJ 106-2003建筑桩基检测技术规范规定,低应变方法适用于检测混凝土桩的桩身完整性,判断桩身缺陷的程度及位置,并要求根据桩身完整性检测结果,给出每根桩的桩身完整性类别。桩身完整性分类如表1所示。

2.4 检测仪器及设备

1)主机采用成都工程检测研究所研制生产的ZK-7E智能测桩仪。该仪器专为桩基检测设计,具有动态范围高、智能化电脑控制及数据处理、多通道、高可靠性与兼容性等特点。可同时采用瞬态机械阻抗法或反射波法测桩。2)笔记本电脑:SHARP PⅡ266,内存32 M,硬盘3.2 G。3)加速度传感器:型号为YD-84D,灵敏度12.92 mV/(cm·s-1)。4)速度传感器:频率响应为10 Hz～1 200 Hz,灵敏度337 mV/(cm·s-1)。5)力传感器:5144型,测量范围为60 kN,灵敏度4.36 pc/N。6)打印机:EPSON-5800L型激光打印机。7)力锤及力棒系列:铁头、尼龙纤维头、木质头等可选。

2.5 测试

测试前将桩头打磨平整,牢固粘结各类传感器,用力棒及小锤敲击桩中心,每根桩敲击激发一般为7次(5次瞬态机械阻抗法,2次反射波法)。用放置于桩顶边缘的速度(或加速度)传感器接受响应信号。 由原始记录(略)可知,本次测试仪器配置选择合理,测试方法正确,波形清晰可靠,各种资料齐全,可据此对基桩质量进行解释和评价。

2.6检测结果与结论

本工程测桩30根,检测结果见表2(部分)。其中:Ⅰ类桩28根,满足设计要求;Ⅱ类桩2根,满足设计要求。

3结语

桩基础检测的方法很多,如反射波法、超声波法、机械法等,每一种方法都有其适用范围和特性。迄今为止,桩基低应变动力检测技术尚未完全成熟,随着桩基检测理论和实践的不断发展,在建立桩—土动力作用的力学机理及相关理论的同时,发展先进的测量技术和对测试信号的正确解释,桩基动测技术在工程中的应用将会越来越广泛。

参考文献

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[7]楼晓明,洪毓康,陈强华.群桩基础地基中的竖向附加应力性状研究[J].岩土工程学报,1996,18(4):20-26.

基桩高应变动力试验的检测风险探讨 第6篇

随着我国城市化进程步伐加快,高层建筑如雨后春笋般突起,软土地区桩基工程预应力管桩的应用越来越多,基桩高应变动力试验应运而生。桩基动力检测技术具有费用低、快速、轻便等优点,越来越受到工程检测的重视和欢迎。高应变动力试验检测技术及设备自20世纪80年代初引进我国已近30年。回顾高应变动力检测在我国的历史,该检测方法及规模从一开始的不成熟到逐步完善,1978年始我国东南大学土木工程系唐念慈教授在渤海石油平台桩基工程中采用波动方程分析程序,完成打桩过程监测[1]。1991年中国建筑科学研究院会同四川省建研院和福建省建研院编写建工标准——锤击贯入法试桩规程[2],该标准是JGJ 106的雏形。1997年,中国建筑科学研究院编制了中华人民共和国行业标准——JGJ 106-97基桩高应变动力检测规程。从这时候开始,基桩高应变动力检测在我国规范化,检测方法和仪器设备更加完善,2003年又编写了建筑基桩检测技术规范[3],进一步规范了检测锤击设备、仪器、人员、分析参数的要求。高应变动力试验为我国工程建设桩基质量控制起到重要作用。然而,经过近30年的工程实践,高应变动力试验检测也有它的不足之处,检测风险随之而来,也曾遭到工程界的质疑。本文将从检测方法及工程中遇到的问题阐述高应变检测的风险性。

1 检测原理

高应变动力试桩的基本原理[5]:用重锤冲击桩顶,使桩—土产生足够的相对位移,以充分激发桩周土阻力和桩端支承力,通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接收桩的应力波

信号,应用应力波理论分析处理力和速度时程曲线,从而判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。

假设桩为一维线弹性杆,测点下桩长为L,横截面积为A,桩材弹性模量为E,桩材质量密度为ρ,桩身内应力波传播速度(俗称弹性波速)为C(C2 =E/ρ),广义波阻抗或桩身截面力学阻抗为Z=AρC;其桩身应力应变关系可写为:

假设土阻力是由静阻力和动阻力两部分组成:R=Rs+Rd。

推导可得桩的一维波动方程:

分析方法采用Case法和实测曲线拟合法。

记冲击速度峰对应时间为t1,t2为桩底反射对应时间,t2=t1+2L/C,根据实测的力、速度曲线F(t),V(t)推导可得Case法判定桩的承载力计算公式为:

对于等截面桩,桩顶下第一个缺陷对应的完整性系数由下式计算:

其中,Rx为缺陷点X以上的桩周土阻力。

缺陷位置可根据缺陷反射波的对应时间tx由下式确定:

实测曲线拟合法采用了较复杂的桩—土力学模型,选择实测力或速度或上行波作为边界条件进行拟合,拟合完成时计算曲线应与实测曲线基本吻合,桩侧土摩阻力应与地质资料基本相符,贯入度的计算值应与实测值基本吻合,从而获得桩的竖向承载力和桩身完整性。

2 高应变的检测风险及对策

2.1 风险一

高应变动力试验对浅部水平整合型断裂缺陷不能分辨或检测不出来的风险,承担浅部缺陷漏检的风险。为避免出现该类风险,必须采用高低应变两种检测方法同时进行检测。如某工地ϕ300 mm的预应力管桩,桩身位于桩顶下1.6 m出现水平断裂,其下部桩身完好。用高应变动力试验未能检出,低应变能检测,实测动测曲线见图1,但未能准确定位。后采用开挖验证,如果仅仅使用高应变检测,而不使用其他方法,高应变检测存在漏检的风险。究其原因:高应变锤击产生脉冲较宽,浅部缺陷的反射脉冲叠加在入射脉冲中,使检测的高应变动力实测曲线难以分辨,造成漏检。而低应变反射波法试验激发的脉冲较窄,频带较宽,分辨率较高,故能分辨,但随着浅部缺陷越靠近桩顶,低应变反射波法越难准确定位。

2.2 风险二

当桩基设计为摩擦桩,预应力管桩沉桩贯入度大时,用打桩柴油锤进行高应变动力试验,动测承载力往往偏低,承担低估检测承载力结果的风险。为避免这类风险出现,在制定检测方法时,应采用高应变与静载荷试验配合进行检测,高应变检测应根据荷载大小采用锤重较轻的自由落锤测试,使测试的贯入度减小。

2.3 风险三

高应变动力试验,初打试验与复打试验动测承载力结果不一致,一般初打承载力较低,复打承载力较高,有时两者承载力值相差50%以上,承担高估或低估检测承载力结果的风险。为避免这类风险出现,尽量使用复打测试结果提供测试承载力,并配合静载试验,建立同类型工地的承载力提高系数,加快检测周期。

2.4 风险四

当桩径较大、桩长较长时,高应变动力试验未能将桩打动,未能激发极限承载力,使动测结果偏低,承担检测结果不准确的风险。为避免出现这类风险,应提高试验锤击设备的重量,采用重锤低击的试验方法。

2.5 风险五

在软土底层较薄,地质条件较好,桩尖入岩较深,桩端持力层岩石较硬,桩长较短的桩基,高应变动力试验动测承载力与实际相比较低,承担低估检测承载力结果的风险。应对的策略是分析时采用阻力后延法,或结合静载试验校核动测承载力。

2.6 风险六

在上覆深厚的软土层,然后立即进入坚硬的岩层地质条件下成桩,高应变动力试验最后几锤将桩身打坏,由于检测不当造成桩身损坏,承担检测被索赔的风险。为避免出现这类风险,在满足检测目的的情况下,尽量使用重量较轻的锤,并降低落距,测试时监测桩身打击的最大拉应力不超过限值。

2.7 风险七

带深基坑的桩基检测先后顺序问题,高应变动力试验检测是在基坑开挖前检测,检测结果桩身完整,基坑开挖过程中,由于开挖顺序及基坑支护不当,产生基坑土体水平位移,造成桩身被推断等损坏,承担检测桩身完整性能否代表实际的风险。为避免出现这类风险,需合理安排检测顺序,尽量在基坑开挖完成后进行桩身完整性检测。

2.8 风险八

高应变动力试验用CAPWAPC程序进行曲线拟合法承载力分析时,使用桩土参数模型与实际岩土不符,造成检测承载力不准确,承担检测承载力不准确的风险。为避免出现这类风险,必须适当安排静载试验进行承载力校核,建立地区经验。

3结语

为提高高应变动力试验检测结果的准确度,应该从接受委托到检测结果分析全过程进行质量控制,并注意如下几点:

1)尽可能地收集检测工地的成桩工艺、地质条件、设计情况、相邻工程成功的经验等;2)严密制定检测方案,尽可能多种检测方法配合使用,提高检测准确度;3)根据经验和场地条件选择适当的锤击设备、分析软件及桩土模型;4)适当地在不同的地质单元和不同的桩型工程中开展动静对比,积累地区经验。

参考文献

[1]王雪峰,吴世明.基桩动测技术[M].北京:科学出版社,2001.

[2]CECS 35∶91,锤击贯入法试桩规程[S].

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[4]刘冬青,邹铁军.桩基动测技术应用现状及存在的问题[J].山西建筑,2008,34(8):133-134.

基于信号相关性微弱应变信号检测 第7篇

微弱信号主要是指被噪声淹没、幅度很小的信号[1]。进行信号检测时,微弱信号检测技术不同于一般的检测技术,其注重的是如何抑制噪声和提高信噪比。一般情况下,往往通过低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器甚至陷波器,来滤除信号中的一些干扰信号,但对于微弱信号检测单纯利用滤波器不能有效的检测出有用信号,它存在以下的缺陷:

1) 不能有效的提高信噪比[1,2]。根据信号和噪声的不同频率特性,采用了低通和带通滤波器。虽然低通滤波器能有效的抑制高频信号,常用于有用信号缓慢变化的场合,但是对于低频段的噪声,却无能为力。如果被测信号是固定频率f0的正弦信号,采用带通滤波器则可以有效的抑制通带f0±Δf之外的各种频率的噪声。带通滤波器的带宽2f越小,品质因数Q值越高,滤波的效果越好。但是,Q值太高的带通滤波器往往不稳定[3],所以其2f很难作的很小,这是滤波的效果受到影响。而且,带通滤波器对于与f0同频率的干扰噪声是无能为力的。

2) 放大倍数高,信号易失真[1,4]。微弱信号的幅值很小,为了提高检测的灵敏度,必须对信号进行很大倍数的放大,以满足系统的测量精度。但是,放大倍数太高会引起信号失真。

1信号相关性分析

本文在研究材料力学实验系统的应变信号、噪声相关性的基础上,以纯弯梁正应力测定为实例,进一步分析微弱应变信号与噪声的相关特性,为信号相关性检测技术提供具体参数。相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的,相关函数是两个时域信号相似的一种度量[5]。确定性信号的不同时刻取值一般都具有较强的相关性;而对于干扰噪声,因为其随机性较强,不同时刻取值的相关性一般较差,利用这一差异可以把确定信号和干扰信号区分开来。因此,在此类信道中采用时间相关检测技术是有效的。

相关运算分为自相关和互相关。互相关函数定义为[6]:

undefined (1)

对于自相关函数,只需将互相关函数中的y(t)换成x(t)即可:

undefined (2)

在实际相关分析中,一般以有限的记录长度进行运算。以有限的时间取代无限时间的积分时,会产生误差。分析证明,为保证因记录长度有限而造成的误差最小,对积分时间的选取需满足如下的条件[7]:

1) 选择记录长度T≥5T0,其中T0是信号中最低频率分量的周期;

2) 两个信号的时差τ应在记陆长度T的20%以内。

设u(t)是含有噪声的周期被届测信号,其可表示为:

u(t)=u0(t)+e(t)=U0msin(wt+ϕ)+e(t)

其中:u0(t)为有用信号,棋幅值为U0m,角频率为w,初相角为ϕ,e(t)是均值为0的高斯白噪声。引入与有用信号同频率的参考正弦信号为:

y(t)=Asinw(t+τ) (3)

其中τ是时间位移。两者的相关函数为:

其中,undefined为信号周期,n(n≥5)是正整数。

由于参考信号y(t)与噪声信号互不相关,且二者的均值为0,当n∞时,Rxy的极限为0,则:

undefined (5)

由上式可看出:Rxy(τ)正比例于有用信号的幅值。

由上面的分析知:利用参考信号与有用信号具有相关性,而与随机噪声相互独立、互不相关的特性,可以减少甚至消除随即噪声对检测结果的影响。利用模拟鉴相器实现检波[7]。模拟鉴相器具有乘法功能,其输出为:

通过低通滤波器将上式中的后两项滤除,则噪声的大部分将被有效的滤除掉。通过鉴相器可以实现信号的相关运算。

2微弱应变信号检测方案

2.1参考信号的选取

参考信号可以是正弦波也可以是方波,从前面的分析可知,相敏检波器的输出信号正比于参考信号的幅度,为了保证输出信号具有一定的精度,必须保证参考信号的幅度保持更高级的精度,这在实际实现时可能会有一定的难度。此外,模拟乘法器器件还存在一定的非线性,其输出除了主要成分u(t)y(t)之外,还可能含有u2(t)y(t),u3(t)y(t)等项,当噪声信号比较强时,由Vundefined(t)Vr(t)项产生的噪声平方项会含有较大的直流分量,这可能导致较大的输出误差。所以,采用方波信号作为参考信号,但要求这个方波信号满足正负半周期比为1∶1,也就是占空比为50%[7]。

输入的参考信号为方波信号,将其进行傅立叶变换可表示为:

undefined (7)

2.2相敏检波

相关运算时将被检测信号u(t)直接与参考信号y(t)相乘,而所乘的参考信号与被检测信号具有相同的频率和相位,这种调幅波具有极性变化,即在信号过零线时,其幅值发生由正到负(或由负到正)的突然变化,此时调幅波的相位也相应地发生180°的相位变化,此种调制方法称为抑制调幅。抑制调幅波必须采用同步解调即相敏检波解调(Phase Sensitive Demodulator,PSD)的方法,方能反映出原信号的幅值和极性。

2.3微弱应变信号检测方案

根据前文的分析可知确立信号检测方案,首先根据被测信号的特点选择合适的参考信号,以便在信号解调时能够有效地检出有用信号。为了消除谐波及其它高频信号的影响,通过一个带通滤波器滤除信号相关运算中产生的谐波信号,带通滤波器的通带带宽应该适当的窄,以保证滤波的效果。最后,在相敏检波时采用同步解调的方法。根据以上的信号处理流程可以确立如图1的信号检测方案。

3结论

设计时以max038作为信号发生器,通过设置产生10MHz方波信号,以此信号作为参考信号区参与相关运算,以AD534为基础设计相敏检波器。通过实验采集到一组微应变数据,如表1所示:

在现场进行数据采集时,为便于观察数据,将yi放大10000倍。实际数据采集曲线如图2所示。

实验证明:采用微弱信号检测方法进行信号调理的效果明显好于常规信号检测方法,采用微弱信号检测原理与方法对材料力学微应变信号进行检测能够有效的提高信号的信噪比,从而能够在强干扰信号环境下对材料力学微应变信号进行检测。

本文创新点:基于信号相关性原理分析了被检测信号中的有用信号及噪声的相关性特征:参考信号与被检测信号中的有用信号具有相关性,而与噪声信号没有相关性;利用这一特征,通过采用参考信号将被检测信号经过相关的转换处理,实现从噪声中检测出微弱的应变信号。

摘要：材料力学微应变测量实验中,试件在较小负荷作用下所产生的应变信号十分微弱,而各种噪声较被测应变信号强很多倍,因此在信号检测时要设法提高信号的信噪比。所以,基于信号相关性,利用相关检测法将被测信号中的有用信号与噪声进行分离,以实现微弱应变信号的有效检测。

关键词：信噪比,信号相关性,微弱信号,参考信号

参考文献

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结构应变检测论文 第8篇

关键词：NiosⅡ,低应变,SoPC,检测系统

信息化、自动化、智能化、高集成度已经成为当今工程技术领域的发展趋势,并广泛应用于各个领域。可编程片上系统(SoPC)技术将中央处理器、内存、I/O接口以及大型可编程数字逻辑单元融合到单块FPGA芯片上,使得整个系统小型化、集成度高、灵活性强、功耗低且成本低廉。

基桩的低应变完整性测试因其简单易用及较低的成本,被广泛用于分析和评价基桩的工程建造质量。大多数传统的低应变桩身检测仪器都采用独立的单元:包括信号调制单元、模数转换器、存储器、微控制器及其外围电路和PC104工控机。因此,其很难在功耗、成本及抗噪性上令人满意。本文提出了一种基于以Altera NiosⅡ软核处理器为核心单元的SoPC的智能低应变反射波检测系统。该系统的硬件结构包括信号采集单元、存储器模块、电源模块、LCD触摸屏、USB/UART接口及SoPC模块Altera CycloneⅡEP2C8。

1 低应变反射波法简介

大多数的基桩缺陷检测都是基于音波回音法,低应变反射波法也不例外。在该方法中,通过直径4～5 cm的小锤敲击基桩顶部得到震源。再利用基桩上的加速度计来捕获记录加速度的变化情况,进而计算得到速度时间曲线[1]。其示意图如图1所示。

图1中横坐标为速度,纵坐标为时间。该测试记录能反映出震源波在桩内的运动情况。根据一维波理论,声波信号的幅度是一个与基桩阻抗相关的函数。因此,基桩的长度及缺陷的位置便可由式(1)计算得到。

其中,D为声波反射的深度,V为波速,t为声波在基桩中运动的时间。

实际应用中,利用测试时得到的数据,可以通过式(2)来计算其深度[2]。

其中fsr为模数转换器的采样频率,N为采样次数。

因为选用的是加速度计,速度的值可由式(3)得到:

其中i为自然数,ai为加速度值,Vi为对应的速度值,ai可由模数转换器的转换结果乘以加速度计的系数计算得到。

2 系统组成与设计原理

根据上述介绍,不难得知系统设计的关键便是获取低应变反射波的波速及模数转换器的采样频率。整个系统由加速度传感器、信号采集单元、SoPC模块、电源模块及其他外设电路组成,如图2。

将加速度传感器按照规范要求,安装在桩头磨好的位置,用黄油等介质进行耦合。用手持小锤进行敲击后,进入检测进程。首先由信号采集单元收集加速度传感器的输出信号,信号经过与加速度传感器输出端并联的电阻处理,由电流信号变为电压信号,并通过滤波器处理滤掉高频噪音后,经模数转换器捕获超过阈值电压的信号,并将转换后的信号存储到外部闪存中。最后由控制核心模块读取闪存中的数值并进行数据处理,将采集到的反射波形显示到系统的触摸显示屏上。并可通过USB/UART接口,将这些数据传输给PC机。

3 系统的硬件设计

3.1 SoPC模块设计

基于CycloneⅡFPGA EP2C8的SoPC模块是整个系统的核心。如图3所示,NiosⅡ软核处理器通过定义了主从设备之间接口与通信时序的Avalon交换式总线连接多个IP核[3]。SoPC Builder也支持在设计中整合自定义的IP核。

根据系统结构需求,IP核的设计如下:

NiosⅡ/经济型软核处理器:SoPC Builder中包含三种可选的软核处理器[4]。NiosⅡ/经济型软核处理器具备最小的体积,完全能满足本设计的应用需求。

片上存储器:EP2C8 FPGA提供165 888 bit的RAM内存,共计36个M4k的存储块。

定时器模块提供了系统所需的时钟中断。

并行输入输出模块(PIO)通过2 bit的二进制信号来控制滤波器的截止频率,并负责检测触发信号。

串行外设接口(SPI)作为从属设备来与模数转换器通信。

通用异步收发器(UART)提供了人机交互接口。反射波数据经过采集和调制后,可以通过USB-UART转换芯片CP2102将其由SoPC模块上传至电脑做进一步的处理。这里,USB接口可被视作一个虚拟的通用异步收发器来访问。

LCD模块用来控制分辨率为320240的液晶触摸屏,其参数可自行定制。

EPCS、CFI和SDRAM控制器的作用是控制外围扩展存储器。EPCS控制器在系统启动时从EPCS4(串行配置芯片)下载硬件配置文件到FPGA。CFI(通用闪存接口)控制器具备32 Mb的Avalon接口(S29AL032),SDRAM控制器同样也具备64 Mb的Avalon接口,为访问存储器提供了便利。系统运行中,闪存存储配置文件,而SDRAM存储各类数据。

所有的模块将由用户或SoPC Builder指派不同的地址。NiosⅡ处理器通过Avalon总线访问这些模块或外部设备。

3.2 信号采集模块

选择用于低应变反射波检测系统的加速度传感器,必须使其与小锤在敲击后产生的反射波的频率匹配。一般来说,用于基桩无损检测的有效信号频率为0～2 kHz,加速度传感器LC0104T正好满足这个条件,其敏感度为100 mV/g,量程为50 g,且频率范围达到9 kHz,安装谐振点为27 kHz。基于SoPC的信号采集模块信道噪声低,精度高,如图4。

加速度传感器的输出端与20 kΩ的电阻并联,将电流信号转换成毫伏级的电压信号。在信号传输过程中,用二阶有源巴特沃斯低通滤波器来优化信号,并过滤掉高频噪声。NiosⅡ通过PIO可以控制4个可编程中断的频率,分别是500 Hz、1 kHz、2 kHz和4 kHz。

AD7764是一种高性能、高速率、24位的Σ-Δ型A/D转换器,融合了宽输入带宽、高速率的特性,312 k Hz输出数据速率时动态范围为109 dB,并且与FPGA有着灵活的SPI接口(SCO、nFSO、SDO、SDI)。FPGA中50 MHz的外部时钟信号可通过锁相环分频输出20 MHz时钟信号,以此驱动AD7764的MCLK,并使A/D转换器的nRESET端口在每个MCLK时钟周期中被置低,这样,NiosⅡ就可以通过SPI从模块读取包括24位转换数据的32位信号。

为了记录整个波形,低应变反射波的采样流程如下:通过LCD触摸屏发出采集信号指令,当触发器侦测到通过滤波器的输入信号的电压达到阈值电压时,便传送给NiosⅡ处理器一个低电平到高电平的跳变信号,NiosⅡ处理器马上记录此阈值电压信号的存储地址。A/D转换器开始捕获1 024个采样的输入信号,NiosⅡ将24位转换数据写入外部闪存S29AL032中。最终,通过对加速度传感器的数据处理,整个波形就可以用多个这样的存储地址中的数据,通过式(3)复原。

4 系统的软件设计

4.1 基于NiosⅡIDE的软件开发

此开发环境可在进行软件设计时,自动根据NiosⅡ处理器系统的需求生成开发向导,包括:硬件抽象层、可调节的实时操作系统和设备驱动[5],避免了手动设置带来的不便,从而节省了时间,缩短了开发周期。基于SoPC平台NiosⅡ处理器的软件开发环境有了很大的发展,整个软件系统由分别实现不同软件功能的模块组成,模块包括:主程序模块、中断子程序、A/D转换子程序、数据处理子程序、LCD显示屏控制程序和触摸子程序。图5是整体软件设计的流程。

开始初始化后,对桩长等参数进行设置,然后通过触摸屏中断的方式选择相应的中断子程序。收到触发信号并开始检测后,信号采集模块将加速度传感器输出的信号与阈值电压进行比较,把有用的信号经A/D转换存储到寄存器中。在采集信号存储完后,通过触摸屏选择数据处理中断子程序功能,开始对寄存器中的数据按第1部分中提到的算法进行处理,并将波形结果显示在触摸显示屏上。并可由触摸屏选择USB接口中断子程序,将所有数据上传给PC机,做进一步的分析和计算。

4.2 μClinux操作系统的移植

将μClinux移植到SoPC模块中,可以使系统表现出完好的实时性和稳定性。μClinux操作系统可以和没有内存管理单元(mmu)的NiosⅡ处理器兼容,并且可以下载到嵌入式硬件平台中[6]。

首先,在Linux Developer Bash开发环境中配置和构建内核。建立映像文件和linux.flash,生成的linux.flash文件即为μClinux的内核映像。将linux.flash文件下载到SoPC模块中,完成内核映像的加载。

除了装载内核,还要装载根文件系统。μClinux使用romfs文件系统,比一般的ext2文件系统需求空间更小。在宿主机Linux的target目录为μClinux下的根目录,用当前的脚本和工具将其转换成映像文件romdisk.flash。然后根据userland/.config文件中相应变量的指示将应用程序二进制拷贝到target目录中,将应用程序加载到文件系统中并更新romdisk.flash文件,最后下载romdisk.flash文件到SoPC模块中。这样,就可以将μClinux操作系统及应用程序成功地移植到SoPC模块。

本系统充分利用SoPC的高集成性和灵活性,将复杂的电子系统简单化、小型化,不仅节约了开发成本也更适应绿色电子产品低功耗、耗材少的要求。

经实际测试,用本系统检测一根桩长为5 m的基桩,数据采集和处理正常,能通过预设的软件将结果显示在触摸屏上(如图6所示)。并能成功地与PC机进行传输,将采集的波形送至PC机进行进一步的分析。测试表明系统具有方便易用、可裁剪性强、扩展方便等特点,具有广泛的市场前景。

参考文献

[1]CHOW Y K,PHOON K K.Low strain integrity testing ofpiles:three-dimensional effects[J].Geotech GeoenvironEng,ASCE,2003,129(11):1057-1062.

[2]NI Sheng Huoo,LEHMANN L.Low-strain integrity testingof drilled piles with high slenderness ratio.Computers andGeotechnics,2006,33(9):283-293.

[3]李兰英.SoPC设计原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[4]Altera Corporation.NiosⅡProcessor Reference Handbook.http://www.altera.com.cn/literature/lit-nio2.jsp,2009.

[5]Altera Corporation.NiosⅡSoftware Developer's Handbook.http://www.altera.com.cn/litera.com.cn/literature/lit-nio2.jsp,2009.