基于HHT的钢管混凝土缺陷特征提取研究与FPGA实现

发布时间：2017-08-08 13:41

  本文关键词：基于HHT的钢管混凝土缺陷特征提取研究与FPGA实现

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【摘要】：钢管混凝土是在钢管内填充混凝土而形成的一种优良建筑材料,在桥梁工程和超高层建筑中被应用广泛。该结构的关键技术是必须使核心混凝土与钢管壁紧密结合,而脱粘作为最常见的钢管混凝土填充缺陷问题,主要表现为混凝土与钢管壁之间出现脱空,造成钢管混凝土的复合设计性能难以充分发挥甚至失效。因此,对于脱粘问题检测分析技术的研究一直受到研究者和工程应用者的广泛关注,也关系到钢管混凝土结构建筑物的持续健康发展。针对钢管混凝土脱粘问题,本文采用冲击回波检测法对钢管混凝土进行脱粘检测,深入分析应力波在钢管混凝土内部的传播情况,提出来一种基于HHT(Hilbert-Huang Transform,希尔伯特-黄变换)的回波信号特征提取的方法,通过对回波信号的特征提取有效的检测出了脱空缺陷以及脱空缺陷的大小,最终实现了一套实时信号采集和处理的无损检测系统。其主要研究内容和所得结果如下:(1)本文首先比较了各类钢管混凝土缺陷检测方法,其次,结合冲击回波法的应用原理,分析了检测钢管混凝土时应力波的响应特性,为实现冲击回波法检测钢管混凝土质量问题提供可行性分析。(2)将HHT算法应用于对回波信号的特征提取,深入研究HHT原理并对包络插值方法、筛选停止条件和解析信号求解方法等相关问题进行改进。研究结果表明,改进的HHT不仅能够提高分解速度而且能够有效抑制端点响应和模态混叠等问题。(3)对钢管混凝土进行冲击回波法检测,将回波检测信号进行HHT算法处理,提取出具有缺陷特征模态信号,并将特征信号进行Hilbert边际谱分析,最终实现特征Hilbert边际谱波列图显示。根据缺陷特征模态信号,能够识别缺陷具体位置和大小;根据特征波列图,能够直观观测钢管混凝土中存在的脱粘问题。(4)基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的HHT特征提取算法实现,实现了检测数据的硬件高效实时处理,并搭建基于FPGA为核心的冲击回波检测应用系统。该系统实现了任意脉宽信号激发、高速多通道同步数据采集,大容量数据存储、高速数据传输集和高速信号处理集一体。经实验验证表明,该系统能够完成对钢管混凝土的冲击回波检测,并能够直观准确的显示检测结果。
【关键词】：钢管混凝土 冲击回波检测 希尔伯特—黄变换 FPGA
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU398.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-12
• 1.2 钢管混凝土缺陷检测研究现状12-15
• 1.2.1 钢管混凝土缺陷检测方法的研究现状12-14
• 1.2.2 钢管混凝土检测仪器的研究现状和发展趋势14-15
• 1.3 钢管混凝土的冲击回波缺陷检测方法研究15-19
• 1.3.1 冲击回波法的基本原理16-17
• 1.3.2 冲击回波法检测钢管混凝土缺陷的理论响应17-19
• 1.4 研究意义和研究内容19-20
• 第二章 基于HHT信号处理方法的研究20-32
• 2.1 回波信号特征提取的时频分析方法分析20-21
• 2.2 希尔伯特-黄变换算法理论基础21-26
• 2.2.1 时间特征尺度22
• 2.2.2 瞬时频率22-23
• 2.2.3 本征模态函数23-24
• 2.2.4 经验模态分解24-25
• 2.2.5 希尔伯特谱分析25-26
• 2.3 希尔伯特-黄变换相关问题研究26-29
• 2.3.1 包络插值问题27-28
• 2.3.2 本征模态函数筛选停止条件28-29
• 2.3.3 解析信号方法29
• 2.4 基于HHT的数值仿真29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 HHT在冲击回波特征信号提取中的研究32-42
• 3.1 冲击回波法检测实验32-34
• 3.2 基于HHT的回波信号特征提取研究34-41
• 3.2.1 回波信号的EMD特征提取研究36-39
• 3.2.2 回波信号Hilbert边际谱分析及波列图分析39-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第四章 HHT回波缺陷特征提取的FPGA实现42-62
• 4.1 FPGA技术理论42-46
• 4.1.1 FPGA技术简介42-44
• 4.1.2 流水线思想44-45
• 4.1.3 定点小数45-46
• 4.2 基于FPGA的冲击回波系统逻辑电路设计46-52
• 4.2.1 USB指令与数据传输逻辑电路设计46-49
• 4.2.2 冲击回波数据采集逻辑电路设计49-51
• 4.2.3 SDRAM数据存储控制器逻辑电路设计51-52
• 4.3 基于FPGA的HHT实现52-58
• 4.3.1 基于FPGA的EMD52-55
• 4.3.2 基于FPGA的Hilbert变换实现55-58
• 4.4 系统验证与应用58-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 总结62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考 文献64-68
• 致谢68-70
• 附录A 攻读硕士学位期间参与的科研项目及成果70

【参考文献】

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本文编号：640301