基于PCA与频响函数的锚杆无损检测算法研究

发布时间：2020-11-08 09:22

　　 锚杆是一种有效的支护技术,被广泛应用在矿上、桥梁和隧道等工程领域。因而,对锚杆运行状态及锚固程度等问题的检测也成了当下十分必要和迫切的任务之一。传统的静载荷检测方法对锚杆具有破坏作用,并且难以满足大量检测的要求。频响函数具有更直接,误差小的优点。为此,本文以频响函数作为锚杆锚固模型的特征参量,通过主元分析和多元控制理论对损伤进行识别,最后通过实验验证了方法的可行性。本文的主要工作如下:(1)研究应力波反射法在锚杆中的传播特性,应用锤击法构造频率响应函数矩阵,这是锚杆损伤识别的基础原始数据矩阵。同时,为保证频响函数的质量,研究了频响函数的处理方法与质量评估方法。(2)应用多元控制理论识别锚固锚杆损伤。文中将主元分析法应用到锚杆的无损检测中,通过主成分分析算法得到原始数据的各阶主元,计算各阶主元的贡献率,从而得到前N阶主元的累积贡献率,实现对原始数据的压缩。同时,通过前N阶主元对原始数据进行重构,可以实现的对原始数据的降噪滤波,并运用多元控制图(椭圆控制图、T~2控制图)分离出异常数据,实现对锚杆损伤识别。(3)应用主元分析和马氏距离(Mahalanobis distance)评估锚杆损伤程度。在实验中,由于受到环境以及人为因素等的影响,同一测点的两次测量结果不能为零。计算出两次测量结果的最小马氏距离,大于该距离则认为有损伤存在。反之,则认为不存在损伤。损伤距离越大,损伤程度越严重。该方法可以弥补文中提出的锚杆无损识别方法不敏感的问题。(4)设计锚杆无损检测的信号采集与分析系统。针对实验中使用的IEPE型力锤和加速度传感器,设计了恒压源电路、升压电路以及信号调理电路。通过DSP的模数转换模块对数据进行采集以及数据传输。最后通过LabVIEW对数据进行显示和分析。文中通过频响函数获得锚固锚杆参数特征,由多元控制理论对锚固锚杆类型进行区分。并基于DSP开发板设计锚杆无损检测仪,由LabVIEW分析、显示。
【学位单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG115.28
【部分图文】：

图 2-1 FIR 滤波器技术信号与响应信号中仍然包含有部分噪声，求得的频响函要用平均技术进行进一步处理。使用当前样本的一部分数据，重叠平均，从而到达去掉部分噪声的目的。数域信号处理时，不可能处理无限长信号，而是取其中的展，作为分析、处理的原始信号。加窗过程中会造成频增加新的频谱成分，导致频谱发生畸变。所以在应用窗同的信号要应用不同的窗函数对信号进行处理。力锤产，所以选用矩形窗，矩形窗的表达式为：( )111 00t Tw tT t T ≤ ≤= ≤ ≤ 为了避免响应信号发生频谱泄漏，文中应用指数窗，指频率/Hz

图 2-2 SISO 时不变线性系统应信号均受到了噪声的污染，噪声分别为( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )x t u t m tX U My t v t n tY V Nω ω ωω ω ω = + = + = + = + 定义可知( )( )( )( )( )( )( )11 1 uv m u u S S HS S ω ω ω ωωω ω = + = 当激励与响应都受到噪声的污染时，由计，同时与响应信号中的噪声无关。

主元 特征值 贡献率/% 累计贡献率/%1 155.19 43.084 43.0842 91.326 25.354 68.4383 19.833 5.506 73.9444 10.594 2.9411 76.8855 9.5939 2.6635 79.5486 8.1681 2.2676 81.8167 7.4767 2.0757 83.8928 7.372 2.0466 85.9389 6.8367 1.898 87.83610 6.2184 1.7264 89.56311 5.4118 1.5024 91.06512 5.2007 1.4438 92.5091 可知，前 12 个主元的累计贡献率高达 92.509，表中列贡献率可以反映每个主元携带信息的能力，方差的累计 n 阶主元携带原始数据信息的能力，如图 3-1 所示。
【参考文献】

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1 霍雷刚;冯象初;;基于主成分分析和字典学习的高光谱遥感图像去噪方法[J];电子与信息学报;2014年11期

2 张文磊;赵洪亮;;基于TMS320F28335的高速数据采集电路设计[J];电子设计工程;2013年17期

3 林海明;杜子芳;;主成分分析综合评价应该注意的问题[J];统计研究;2013年08期

4 王猛;李义;董嘉;;应力波法锚杆锚固质量无损检测现场实验研究[J];煤炭技术;2013年01期

5 李亚峻;史兴荣;李毅;;傅里叶变换在信号处理中的优越性[J];数学学习与研究;2012年13期

6 芮强;王红岩;欧阳华江;;机械结构动力学模型修正技术的现状与发展[J];装甲兵工程学院学报;2012年02期

7 李兵祥;樊超;张维娜;;基于TMS320F28335的数据采集系统设计[J];电子元器件应用;2011年12期

8 郭铁能;李玲;蔡力钢;刘志峰;赵永胜;杨坤;;基于频响函数辨识机械结合部动态参数的研究[J];振动与冲击;2011年05期

9 曹坚;;基于参数模型的频响函数估计方法[J];振动.测试与诊断;2011年01期

10 江文武;徐国元;马长年;;FLAC_3D的锚杆拉拔数值模拟试验[J];哈尔滨工业大学学报;2009年10期

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3 郑绪涛;不同荷载下锚杆锚固系统瞬态响应分析[D];南华大学;2014年

4 颜甄瑜;多变量控制图的理论分析与实际应用[D];西安电子科技大学;2009年

本文编号：2874589