一种基于hht特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，包括以下步骤：在钢管混凝土表面的检测点施加机械冲击激发应力波，利用传感器接收应力波检测信号；采用HHT算法提取应力波检测信号中脱空特征信号，获取特征Hilbert边际谱；变更检测点，重复1～2步骤；将不同检测点所对应的特征Hilbert边际谱进行图像波列显示；根据特征Hilbert边际谱图像判断钢管混凝土的脱空大小。本发明通过数个检测点特征Hilbert边际谱进行图像堆积显示，能够直观显示和计算钢管混凝土内部脱空缺陷情况，并具有可靠性强、检测结果准确优点。
【专利说明】
一种基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，特别涉及一种基于HHT特征提 取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法。
【背景技术】
[0002] 钢管混凝土是一种广泛推广应用于高层建筑、工业厂房及桥梁工程的复合建筑材 料。钢管混凝土构件由于核心混凝土被外层的钢管束缚住了，使得钢管和混凝土在承受力 时会发生相互作用，使其抗压强度、塑性和韧性性远远高于传统的建筑材料。钢管混凝土组 合结构的关键是必须使混凝土与钢管壁紧密结合，这样才能实现所设计的复合性能。钢管 混凝土在施工中易使混凝土材料内部存在空洞、疏松、施工缝、组织不均匀导致混凝土与钢 管胶结不良，加之密闭养护条件及自身硬化后存在一定程度的体积固有的收缩，使得目前 设计的各种混凝土难以达到要求的体积膨胀和可控性，造成了混凝土与钢管壁脱黏形成脱 空，使得钢管混凝土的复合设计性能难以充分发挥甚至失效，从而可能引起建筑物倒塌等 事故。因此，进行钢管混凝土脱空缺陷检测对相关建筑物健康服役具有重要的意义。
[0003] 当前，检测钢管混凝土脱空缺陷的方法主要有人工敲击法、直接钻心取样法、光纤 传感检测法、应力波检测法等。直接钻芯取样法为破坏性检测多用于验证检测，人工敲击法 为经验性检测对缺陷的类型和缺陷大小精度方面都不能保证，光纤传感监测法需预埋光纤 传感器增加了检测成本且不利于维护。应力波检测法包括超声波检测和冲击回波法。我国 现行的《超声波检测混凝土缺陷技术规程》对钢管混凝土的缺陷检测就仅集中在混凝土的 缺陷的检测上，而且该规程明确指出，该规程中所提出的缺陷检测方法仅适用于"钢管壁和 混凝土胶结良好的"钢管混凝土的缺陷检测，所以对于脱空缺陷超声波检测并不适用。冲击 回波法是一种基于应力波的无损检测方法，其原理利用短时机械冲击钢管表面产生应力 波，该应力波会在结构中传播从而被内部缺陷和外部表面反射回来，来回反射的应力波会 形成一种特征模态，在应力波激发点附近接受回波信号，通过频谱分析得到该模态的主频 大小评定内部脱空缺陷情况。冲击回波法由于冲击能量大、容易激发、对检测环境要求不高 以及应用范围广等优点被认为是一种非常有前途的钢管混凝土缺陷检测方法。
[0004] 影响冲击回波法在钢管混凝土脱空缺陷准确判断和大小计算的主要因素是提取 在冲击点和缺陷边界之间来回反射的特征模态和对应主频值。因为钢管的存在和混凝土为 非均质材料等原因，应力波在结构内的传播途径变得非常复杂，特诊模态会受到很多其他 应力波的干扰。采用传统直接快速傅里叶变换很难提取出特征模态的主频值，并且单点主 频值来对应钢管混凝土脱空情况会曾在较大误差且不能较好的形象化显示，所以对于这种 复杂的非稳态信号需要新的分析方法提取特征信号和成像方式显示脱空缺陷情况。
【发明内容】
[0005] 为了解决现在钢管混凝土脱空缺陷检测存在的上述技术问题，本发明提供一种成 本低、可靠性强、检测结果准确的基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
[0007] 步骤1:在钢管混凝土表面的检测点施加机械冲击激发应力波，利用传感器接收应 力波检测信号；
[0008] 步骤2:采用HHT算法提取应力波检测信号中脱空特征信号，获取特征Hilbert边际 谱；
[0009] 步骤3:变更检测点，重复1~2步骤；
[0010] 步骤4:将不同检测点所对应的特征Hilbert边际谱进行图像波列显示；
[0011] 步骤5:根据特征Hilbert边际谱图像判断钢管混凝土的脱空大小。
[0012]本发明的技术效果在于：1、本发明中使用脱空共振音腔模态作为冲击回波法应用 中的特征信号，为冲击回波法应用于检测冲击点下方为脱空缺陷时提供可行性，通过该模 态能够准确计算出脱空的大小;2、本发明中使用HHT算法对冲击回波检测信号进行处理，并 使用锯齿插值法和极值延拓的方法对HHT算法进行改进，有效的抑制EMD分解的端点效应和 模态混叠，能够有效提取特征信号；3、通过对特征信号进行Hilbert边际谱分析，并进行多 个检测点的特征Hilbert边际谱波列图成像显示，使冲击回波法检测钢管混凝土脱空缺陷 检测结果更加准确和直观。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的流程图。
[0014] 图2为本发明中进行实验的钢管混凝土模型以及其脱空情况；
[0015] 图3为本发明中对钢管外壁进行单点单面轴向检测示意图；
[0016] 图4为本发明中进行采用HHT算法提取应力波检测信号中脱空特征信号的流程图。
[0017] 图5示出了本发明中测点5的回波检测信号的EMD分解结果；
[0018] 图6示出了本发明中测点20的回波检测信号的EMD分解结果；
[0019] 图7示出了本发明中测点28的回波检测信号的EMD分解结果；
[0020] 图8示出了采用本发明方法处理后的图像波列结果。
[0021] 图9示出了采用传统快速傅里叶变换处理后的图像波列结果。
[0022]图10示出了应力波在有脱空和无脱空的钢管混凝土的传播特征。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述。
[0024]本发明所提供的一种基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空应力波检测信号处理方 法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
[0025]步骤1:对钢管混凝土构件进行检测（见图2)，在钢管表面激发应力波并获取应力 波检测信号。
[0026]其中所述预设钢管混凝土模型参数包括:钢管直径50cm、钢管壁厚2mm、钢管高度 100cm、混凝土标号C35;预设了不同程度的脱空缺陷，对应脱空直径大小依次为:〇Cm、5cm、 10cm>15cm>20cm；
[0027]其中应力波激发并获取应力波检测信号的具体方法是:对所述预设钢管混凝土模 型，在钢管外壁进行单点单面轴向检测(见图3)，在钢管表面对应脱空上方位置施加短时机 械冲击，激发应力波，在距离冲击点lcm处的钢管表面利用接收传感器接收回波的时域信 号，即应力波检测信号;所施加的机械冲击，例如，可以为接触时间为30us，幅值为100N的半 正弦力。获取应力波检测信号时，采样间隔设定为l〇us，采样时间设定为2ms。
[0028]步骤2:采用HHT算法提取应力波检测信号中脱空特征信号，获取特征Hilbert边际 谱，整个HHT方法流程见图4。具体过程如下：
[0029] 步骤2.1:对步骤1中的应力波检测信号进行EMD分解，得到若干个固有模态函数 IMF，其具体分为如下步骤：
[0030] 步骤2.1.1:对应力波检测信号x(n)进行极值点的查找，寻找出所有的极大值和极 小值，并在x(n)的两端延拓数个极值点；并通过锯齿插值法分别对极大值和极小值序列进 行插值，提取出x(n)的上包络和下包络序列。
[0031] 步骤2.1.2:通过上下包络线求出局部均值曲线m(n)。
[0032] 步骤2.1 ? 3:计算出h(n)，h(n) =x(n)_m(n)。
[0033]步骤2.1.4:判断h(n)是否满足条件MF成立条件。如果满足頂F成立条件，进行步 骤2.1.5;如果不满足成立条件令x(n) = h(n)，回到步骤2.1.1。
[0034] 其中頂F成立条件为是否达到筛选次数，筛选次数为S，一般取5。
[0035] 步骤2.1.5:设i个頂F为Ci(n)，Ci(n)=x(n)-h(n)，i = l，2,3, ? ? ? ?，N;
[0036] 步骤2.1.6:如果(：1的极值点数小于等于1，结束￡1?)过程；否则，令奴11)=(：1(11)，回 到步骤2.1.1继续循环；
[0037]步骤2.2:提取代表脱空共振音腔模态或者钢管混凝土厚度模态的IMF作为特征 MF，可以为选取3阶以及3阶之后的頂F。
[0038] 步骤2.3:对步骤2.2中提取出的特征頂F进行Hilbert变换得到Hilbert时频幅值 谱；对Hi lbert时频幅值谱进行时间上积分得到对应特征Hilbert边际谱。其中，对得到的 Hilbert边际谱序列进行归一化处理。可以，归一化为0到1;
[0039] 步骤3:对不同检测点的回波检测信号重复步骤1~2;
[0040] 步骤4:将不同检测点所对应的归一化后的特征Hilbert边际谱进行图像波列显 示。具体方法是:将归一化后不同测点所对应的特征Hi lbert边际谱序列进行Y方向排列，Y 轴刻度对应检测测点的编号，X方向为对应瞬时频率，用颜色的深浅表示瞬时频率值对应的 幅值。
[0041] 其中每个测点的特征Hilbert边际谱代表特征信号的真实瞬时频率，其峰值对应 钢管混凝土厚度频率或者脱空大小频率。由于不同脱空缺陷大小对应的特征Hilbert边际 谱峰值的频率的大小不同，通过多个测点的特征Hilbert边际谱进行波列显示，通过颜色对 比可以直观对比出钢管混凝土的脱空缺陷情况，同时具体的，可以根据峰值对应的频率计 算出脱空缺陷直径大小或者密实处钢管混凝土厚度。
[0042]图8示出了采用本发明方法处理后的图像波列结果，图9示出了采用传统快速傅里 叶变换处理后的图像波列结果。
[0043]根绝冲击回波法理论分析和数值计算的结果可知，当应力波在钢管混凝土内传播 时，如果钢管混凝土内部结构密实，无缺陷的情况下，会在外表现处发生反射，来回反射的 应力波会形成一种特殊的共振模态即瞬态特征模态，如图10. a。在应力波激发点接收的应 力波回波检测信号并将回波检测信号进行通过频域分析就可以得到瞬时共振频率。通过冲 击回波法理论，即公式①，利用该特征瞬时频率就可以计算出冲击点离反射表面的距离，即 钢管混凝土厚度H。
[0044]
其中V1为应力波在混泥土中的传播速度，本发明中所述钢管混凝土模 型的波速为4500m/s; f i为特征瞬态频率；
[0045] 当测点下方出现钢管混泥土分离的情况时，应力波会进入脱空的空气内传播，传 播到混凝土边界时会发生反射，最终该特征应力波在冲击点和混凝土边界之间进行来回反 射，形成一种瞬态特征模态，可称为脱空共振音腔模态，如图10.b。通过冲击回波法理论，即 式②，从此回波检测信号中获取此瞬态特征共振模态对应的瞬时共振频率就可以计算脱空 的大小D，脱空越大，此瞬态特征频率越低。
[0046]
，其中v2为应力波在脱空区域空气中的传播速度，波速为340m/s;f 2为 特征瞬态频率；
[0047] 从图8和图9可以看出，能够发现密实处的回波检测信号和脱空处的回波检测信号 在频域上有明显的差异，密实处的频率成分主要集中在高频段，而脱空处的频域成分明显 往低频方向偏移。
[0048]从图8可以看出，采用传统的快速傅里叶变换处理后的波列图中，不能分辨出不同 脱空程度下的回波检测信号的频域特征，也无法直接找到计算脱空大小的特征瞬态频率。 [0049]从图9可以看出，采用本发明的方法处理后的特征Hilbert边际谱波列图中，不同 脱空程度下的回波检测信号的Hilbert边际谱出现了明显的频率成分差异。通过公式1和公 式2,计算出脱空大小和厚度大小与检测模型的脱空情况一一对应。
[0050]本发明一种基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空应力波检测信号处理方法，通过 所述机械冲击对钢管混凝土激发应力波，接收所述应力波检测信号在进行HHT变换，提取特 征脱空模态分量得到特征Hilbert边际谱。通过数个检测点特征Hilbert边际谱进行图像堆 积显示能够直观显示和计算钢管混凝土内部脱空缺陷情况。本方法可靠性强，检测结果准 确。
【主权项】
1. 一种基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1:在钢管混凝土表面的检测点施加机械冲击激发应力波，利用传感器接收应力波 检测信号； 步骤2:采用HHT算法提取应力波检测信号中脱空特征信号，获取特征Hi lbert边际谱； 步骤3:变更检测点，重复1~2步骤； 步骤4:将不同检测点所对应的特征Hilbert边际谱进行图像波列显示； 步骤5:根据特征Hilbert边际谱图像判断钢管混凝土的脱空大小。2. 根据权利要求1所述的基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，所述步 骤2的具体步骤如下： 步骤2.1:对步骤1中的应力波检测信号进行EMD分解，得到若干个固有模态函数頂F; 步骤2.2:从上述若干个固有模态函数MF中提取3阶以及3阶之后的頂F代表脱空共振 音腔模态或者钢管混凝土厚度模态的頂F作为特征頂F; 步骤2 · 3:对步骤2 · 2中提取出的特征IMF进行Hi lbert变换得到Hi lbert时频幅值谱;对 Hi lbert时频幅值谱进行时间上积分得到对应特征Hi lbert边际谱。3. 根据权利要求2所述的基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，所述步 骤2.1的具体步骤如下： 步骤2.1.1:对应力波检测信号x(n)进行极值点的查找，寻找出所有的极大值和极小 值，并在x(n)的两端延拓数个极值点；并通过锯齿插值法分别对极大值和极小值序列进行 插值，提取出x(n)的上包络和下包络序列； 步骤2.1.2:通过上下包络线求出局部均值曲线111(11)，11=1，2......，M，M为采样点个 数； 步骤2.1.3:计算出h(n)，h(n)=x(n)-m(n); 步骤2.1.4:判断h(n)是否满足条件MF成立条件，頂F成立条件为是否达到筛选次数， 筛选次数为S，一般取5;如果满足IMF成立条件，进行步骤2.1.5;如果不满足成立条件令X (n) =h(n)，回到步骤2.1 · 1; 步骤2.1.5:设丨个頂?为匕(11)，(^(11)=叉(11)-11(11)，1 = 1，2,3，....少，1^^]\?)分解得到 的頂F阶数； 步骤2.1.6:如果C1的极值点数小于等于l，结束EMD过程;否则，令X(n)=C 1(n)，回到步 骤2.1.1继续循环。4. 根据权利要求1所述的基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，对步骤 2中得到的Hilbert边际谱序列进行归一化处理，归一化为0到1。5. 根据权利要求1所述的基于HHT特征提取的钢管混凝土脱空缺陷的检测方法，所述步 骤4的具体步骤为:将归一化后不同测点所对应的特征Hilbert边际谱序列进行Y方向排列， Y轴刻度对应检测测点的编号，X方向为对应瞬时频率，用颜色的深浅表示瞬时频率值对应 的幅值。
【文档编号】G01N29/06GK106053597SQ201610340911
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】王艳, 杨金, 雷刚, 尤振南, 钟志春
【申请人】湖南科技大学