一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法
【专利摘要】一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法。煤矿现场通常用杆体来检测巷道的应变程度，主要测量杆体的剪应力分布，一般采用在杆体上安装应变片的方法，但是应变片数量多且容易损坏，而应变片数据采集都是自动采集，无人员实时监控，所以应变片发生故障损坏时不能被及时发现，得到错误的弯矩拟合函数和剪应力分布，这对于煤矿巷道观察被测杆体应变特性是非常不利的；其次，在煤矿现场安装杆体需要用特种水泥将其固定在巷道里，应变片发生故障损坏时将无法更换新的应变片，如不进行故障修复，少数应变片故障将造成杆体的浪费。
【专利说明】-种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法，属于测控和 自动化【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 剪应力是指物体由于外因（受力、湿度变化等）而变形时，在物体内各部分之间产 生相互作用的内力，来抵抗外因的作用，并力图使物体从形变后的位置回复到形变前的位 置。对于杆体，准确掌握整个长度范围内的剪应力分布，是研究整个杆体结构特性的重点。
[0003] 煤矿巷道中，对于一些大型结构（桥梁等），通常测量内置杆体的整体形变来反映 外部结构的形变，准确掌握大型结构的形变，对于及时做好预防措施、减少安全隐患具有重 要意义。因此，准确检测杆体的形变，特别是准确掌握杆体剪应力分布至关重要。
[0004] 测量杆体的剪应力分布，通常采用在杆体上安装应变片的方法，由于杆体一般用 于测量大型结构，所以杆体比较长，所需要的应变片数量很大。由于应变片体积小且薄，容 易在煤矿巷道的环境中损坏，而应变片数据采集都是自动采集，无人员实时监控，所以当应 变片发生故障损坏时不能被及时发现，故障应变片的错误采集值仍参与计算，得到错误的 弯矩函数拟合和剪应力分布，因此，工作人员检查结构时看到错误的杆体性质，会相应的采 取错误的措施，影响工作效率，并且杆体一旦浇筑进大型结构中无法拿出，如果出现故障不 能解决，那么杆体检测失去了意义。本发明提出一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力 采集方法，通过实时监测所有应变片是否有故障，当应变片发生故障时对其进行相应的采 集数据剔除或者进行误差模型补偿，使得被测杆体在无人监控的环境下实现故障自修复， 保证弯矩拟合函数的准确性，得到准确的剪应力的函数，从而获得整个被测杆体上的剪应 力分布。
【发明内容】
t〇〇〇5] 本发明解决的问题是：为了克服工业中杆体上应变片发生故障时检测出错误的杆 体剪应力分布，影响杆体结构性质判断的缺点，结合以上背景和需求，本发明提供一种故障 自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法，通过检测出有故障的应变片，对其采集数值进 行误差补偿，用补偿后的采样数值进行拉伸应变、弯曲应变、弯矩的计算，然后对每个测量 点的弯矩进行函数拟合获得整个被测杆体上的弯矩函数，由弯矩拟合函数得到沿测点长度 范围剪应力的函数，根据这个函数可以很容易得到杆体上每个测点处的剪应力。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] 1、一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法，其特征在于，包括
[0008] 以下步骤：
[0009]步骤1 :设煤矿巷道剪应力测试杆体长度L，在该杆体上贴N对应变片，每对应变片 之间的间隔d = LV(N-l)，每对应变片正对贴在杆体上，设上面一层应变片的编号为Xu，正 对面一层应变片编号为x i2(i =〇、1……N-1，i为第i对应变片），将该杆体安装在对其进 行弯曲、拉伸的相关设备上；
[0010]步骤2 :误差模型的输出值的评估：
[0011] 步骤2· 1 :利用相关设备对装有2N个应变片的煤矿巷道剪应力测试杆体以时间 间隔h分别进行C次拉伸应变和C次弯曲应变，采集并记录弯曲应变、拉伸应变数值，记为 si2a#, επ?β, ε?2--(? =〇u……N_l)，此处时间间隔h时间间隔较短，模拟的 是煤矿巷道应变突变的情况下的数据采集；
[0012] 步骤2. 2 :分别计算煤矿巷道剪应力测试杆体模拟煤矿巷道应变突变的情况下每 一对应变片的拉伸应变和弯曲应变数值误差δ ε ne#- ε i2e#，δ ε η_+ ε i2 弯曲(i = 0、1 ……N-l, j = 0U......C-l)；
[0013] 步骤2· 3 :利用相关设备对装有2N个应变片的煤矿巷道剪应力测试杆体以时间间 隔亿分别进行C'次拉伸应变和C弯曲应变，采集并记录弯曲应变、拉伸应变数值，记为 4气'4.，曲，(丄=〇、1……N-i)，此处时间间隔t2时间间隔较长，模拟的是 煤矿巷道应变变化缓慢的情况下的数据采集；
[0014] 步骤2. 4 :分别计算设煤矿巷道剪应力测试杆体模拟煤矿巷道 应变变化缓慢的情况下每一对应变片的拉伸应变和弯曲应变数值误差 = 拉伸*著曲曲+；2賴（i =〇、1……N-l，j' =0、1 ……C，-1);
[0015] 步骤2. 5 :分别计算设煤矿巷道剪应力测试杆体每一对 应变片拉伸应变和弯曲应变应的数值综合工况下误差平均值，
【权利要求】
1. 一种故障自修复的鲁棒的煤矿巷道剪应力采集方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :设煤矿巷道剪应力测试杆体长度L，在该杆体上贴N对应变片，每对应变片之间 的间隔d=IV(N-I)，每对应变片正对贴在杆体上，设上面一层应变片的编号为Xil，正对面 一层应变片编号为Xi2(i= 0、1……N-I，i为第i对应变片），将该杆体安装在对其进行弯 曲、拉伸的相关设备上； 步骤2 :误差模型的输出值的评估： 步骤2. 1 :利用相关设备对装有2N个应变片的煤矿巷道剪应力测试杆体以时间间隔h分别进行C次拉伸应变和C次弯曲应变，采集并记录弯曲应变、拉伸应变数值，记为ene#， ei2a#, ei2--(i=〇U……N-l)，此处时间间隔心时间间隔较短，模拟的是煤矿 巷道应变突变的情况下的数据采集； 步骤2. 2 :分别计算煤矿巷道剪应力测试杆体模拟煤矿巷道应变突变的情况下每一对 应变片的拉伸应变和弯曲应变数值误差Sij拉伸=en拉伸-ei2拉伸，Sij弯曲=en弯曲+ei2弯曲 (i= 0、1......N-l，j= 0、1......C-1)； 步骤2. 3 :利用相关设备对装有2N个应变片的煤矿巷道剪应力测试杆体以时间间隔t2 分别进行C'次拉伸应变和C'弯曲应变，采集并记录弯曲应变、拉伸应变数值，记为ene 伸，ei2,拉伸，ei/弯曲，ei2,弯曲（i=〇、1……N-1)，此处时间间隔t2时间间隔较长，模拟的是 煤矿巷道应变变化缓慢的情况下的数据采集； 步骤2. 4 :分别计算设煤矿巷道剪应力测试杆体模拟煤矿巷道应变变化缓慢的情况 下每一对应变片的拉伸应变和弯曲应变数值误差/拉伸=^/拉伸-^2,拉伸，Si/弯曲= e n 弯曲 +e n弯曲(i=0、1......N-1, j-/= OU......C' -1)； 步骤2. 5 :分别计算设煤矿巷道剪应力测试杆体每一对应变片拉伸应变和弯曲应变应 的数值综合工况下误差平均值，
1……M-1) ?该平均值即为煤矿巷道综合工况下的应变误差模型输出值的估算值，该估算 值即为应变偏差补偿的数据源； 步骤3 :将剪应力测试杆体安装在煤矿巷道里，进行煤矿巷道综合工况下的数据采集。 步骤4 :根据采集到的数据判断应变片是否故障： 步骤4. 1 :每隔时间t对杆体上的应变片采集数值进行读取； 步骤4. 2 :读取杆体上2N个应变片的采集数值en，ei2(i= 0、1……N-1); 步骤4. 3 :如果连续三次en或者ei2值为0,则认为应变片发生故障，进入步骤5 ; 步骤4. 4 :如果en，ei2(i= 0、1……N_l)都不为0,即应变片未出现故障，则此时有 效应变片对数N' =N，进入步骤7 ; 步骤5 :应变片故障类型判断： 步骤5. 1 :如果应变片Xil出现故障，应变片Xi2正常工作或者应变片Xi2出现故障，应变 片Xil正常工作，进入步骤6. 1 ; 步骤5. 2 :如果应变片Xil和Xi2都出现故障，则记录应变片Xil和Xi2都出现故障的应变 片对数为P，进入步骤6.2 ; 步骤6:根据故障类型进入相应的应变片故障处理流程： 步骤6. 1 :对于故障应变片的采集数值进行误差补偿，如果Xil出现故障，则计算拉伸 应变时对Xil应变片进行补偿，令< =? ,则? + ￡}2)/2 ^计算弯曲应变 和弯矩时令,则￡^=(4-4)/2 ,可以得到第i个应变片的弯矩：Mi1^g =R3*(e'n_ei2)/8,其中是圆周率，E为弹性系数，R为杆体的截面半径；如果 \2出现故障，则计算拉伸应变时对\2进行补偿，令，则￡^=(^+4)/2， 计算弯曲应变和弯矩时令Sj/ = ,则6S =(?-〇/2 ,可以得到第i个应变片的弯 矩=Mi 弯矩=JI?E?R3 ? (en-e，i2) /8,进入步骤 8 ; 步骤6. 2 :如果第i对两个应变片都是有故障的，则剔除这一对应变片的采样数值，将 剩下的正常工作的应变片作为有效测点，则修正后有效应变片对数N' =N-P进入步骤7 ; 步骤7:被测杆体应变参数计算，i'为故障处理之后有效应变片的序号，^i,p^i, 2 为步骤6中进行误差补偿之后的应变值： 步骤7. 1:计算被测杆体上每个应变片测点拉伸应变参数，拉伸应变为 4f:t =(4+4:)/2，拉伸应力为申=￡?(￡?,.,+￡；'2>/2 (|-'=0、1 ……，4); 步骤7.2:;计算被测杆体上每个应变片测点弯曲应变参数，弯曲应变为 #旧=(%，2)/2,弯曲应力为=￡-#_=￡?>,-今2)/2 iT_i); 步骤7. 3:;计算被测杆体每个有效应变片点弯矩： Mi, =JI?E?R3 ? (e广「er2)/8,（i，= 0、1......N' _1) (1) 步骤8 :对被测杆体的N'对有效应变片的弯矩Mf进行函数拟合，在被测杆体由应变 片分割的N' -1个区间段上使用三次样条插值拟合获取被测杆体上的弯矩函数，每个区间 段上的拟合函数的一阶导数和二阶导数均为连续函数，则获得的拟合弯矩函数曲线是光滑 曲线，具体拟合步骤如下： 步骤8. 1:被测杆体的N'对有效应变片，相邻两个应变片之间是一个区间，所以有 ^-1)个区间，设每个区间段[21;，21;+1]& = 0，1，...，以-2)，1^表示^-1)个区间的 序号。设第k个区间[zk，zk+1]的三次样条插值拟合函数为Sk(x)，Sk(X)表示距离被测杆体 端点为X处的弯矩，即： Sk(x) =ak+bk (x-zk)+ck (x-zk) 2+dk (x-zk)3 (2) 其中x是距离被测杆端点的距离，zk =kXd(k= 0, 1，. . .，N' -2)是当应变片i=k序号时，该应变片距离被测杆端点的距离，zk+1= (k+l)Xd(k= 0，l，...，N' -2)是当应变 片i=k+1序号时，该应变片距离被测杆端点的距离，ak，bk，ck，dk为三次样条插值拟合函数 需要求解的参数。 根据三次样条插值拟合函数的要求,其插值条件为： 当X = Zk时，Sk(Zk)=Mk (3) 其中，Mk是当i' =k时心的值，Mf的值从公式（1)得到。 三次样条插值拟合函数的连续性条件为：
步骤8. 3 :将求得的Tk(k= 0,I......N' -1)代入三次样条插值拟合函数Sk(X)公式 (15)中，获得每一个区间段[zk，zk+1](k= 0，l，...，N' -2)对应的弯矩函数：
步骤9 :沿测点长度范围剪应力分布函数： 步骤9. 1 :对公式（22)的函数Sk(X)进行求导运算得到S'k(k)，根据拟合的弯矩函数 的导数S'k(x)得到每个区间段剪应力分布函数： Tk(X) = 4 ? S，k(xV(3Ji ? R2) (23) 其中X是距离被测杆端点的距离，R是杆体横截面的半径； 步骤9. 2 :将被测杆体上任意一点距离杆体端点的距离z代入公式（23)中，可以得到 该点的剪应力。
【文档编号】G01L5/00GK104268414SQ201410516131
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】黄永明, 虞金花, 章国宝, 张露, 吴奥 申请人:东南大学