應(yīng)力波反射法測錨索長度的數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁厚+雷鳴

摘要：預(yù)應(yīng)力錨索因其安全簡單，被廣泛應(yīng)用于錨固安全工程中。應(yīng)力波反射法是廣泛應(yīng)用于錨固工程質(zhì)量檢測的一種無損檢測方法，該文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理軟件用來處理該方法所得到的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的時(shí)域特征不明顯，該軟件主要使用快速傅里葉變換及譜能比法在頻域上進(jìn)行處理，以求得錨索的自由段長度。該文介紹了錨索檢測的基本方法后，敘述了軟件設(shè)計(jì)的框架、流程及結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力波反射法；錨索長度；無損檢測；快速傅里葉變換；面向?qū)ο?/p>

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 章編號：1009-3044（2016）25-0051-02

Abstract：Prestressed Anchor Cable， for its safety and simplicity， is widely used in rock and earth anchoring constrcution. Stress wave reflection method is widely used to detect anchoring constrcution quality as a non-destructive method. The data processing software refered in this paper is designed for processing the data obtained by this method. As the time-domain characteristics of the data is not obvious， the software mainly uses the Fast Fourier Transform and the Spectrum-Energy ratio processing data in the frequency domain to achieve the free length of the anchor. This paper introduces the basic method of the anchor cable detection and the framework， the process and the result of the software design. And does well in practical applications.

Key words： stress wave reflection method； length of anchor cabel； non-destructive testing； FFT； object-oriented

預(yù)應(yīng)力錨索能嵌入穩(wěn)定的巖體中，使工程結(jié)構(gòu)與巖體形成復(fù)合體，確保錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。又因其結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，在工程界如礦山、建筑等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1]。錨索錨固的作用機(jī)理相對復(fù)雜且具有永久性和隱蔽性，所以對錨固質(zhì)量有著很高的要求。在其大范圍的使用中，曾出現(xiàn)大量的嚴(yán)重的事故，例如：瑞典北部的水電站在1955年施工了118根預(yù)應(yīng)力錨桿，在1981年時(shí)有數(shù)根預(yù)應(yīng)力錨桿桿體斷裂失效并射出[2]。我國安徽的梅山水庫的錨索在運(yùn)行期間，先后有3根自由錨索的鋼絲斷裂，工程的安全性嚴(yán)重受到影響[3]，因此，對錨索進(jìn)行質(zhì)量檢測就變得尤為重要。

1 錨索長度檢測方法

錨索由自由段、錨固段、錨頭組成。其中錨索的自由段長度是評價(jià)錨索錨固工程質(zhì)量的重要指標(biāo)，其檢測也一直是世界范圍內(nèi)的難題。傳統(tǒng)的檢測方法包括破壞試驗(yàn)、拉拔試驗(yàn)[4]及預(yù)埋力傳感器[5]。前兩者對于錨索索體會(huì)造成一定的破壞，后者則需要提前埋設(shè)且成本高。本文中軟件處理的數(shù)據(jù)是錨索檢測儀使用應(yīng)力波反射法采集得到，該方法因?yàn)閷﹀^索索體沒有損壞而具有較好的前景。錨索質(zhì)量檢測系統(tǒng)由一個(gè)錨索質(zhì)量檢測儀及數(shù)據(jù)接收端（PC）構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 軟件的相關(guān)算法

該軟件對于數(shù)據(jù)的處理需要用到數(shù)字信號處理的相關(guān)知識(shí)，所用的主要算法為快速傅里葉變換及帶通濾波。

2.3 程序功能結(jié)構(gòu)

該軟件主要由功能操作、參數(shù)顯示/設(shè)置、曲線顯示三個(gè)模塊構(gòu)成。功能操作模塊包括數(shù)據(jù)的選擇、長度標(biāo)定、局部數(shù)據(jù)FFT變換等一些需要手動(dòng)選擇進(jìn)行的功能。參數(shù)顯示與設(shè)置模塊包括波速設(shè)置、主頻閾值設(shè)置、濾波選項(xiàng)及參數(shù)設(shè)置等，其中一些較復(fù)雜的參數(shù)（如主頻閾值）還需要一些交互操作而非直接輸入數(shù)字的方式來設(shè)置。曲線顯示模塊包含單次數(shù)據(jù)模式和多次數(shù)據(jù)模式兩種，單次數(shù)據(jù)模式繪制濾波曲線、譜能曲線、頻譜曲線，多次數(shù)據(jù)模式只繪制每次數(shù)據(jù)的濾波曲線及譜

能曲線，如果取消濾波，濾波曲線將被原始曲線代替。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4 數(shù)據(jù)處理流程

采集到的信號數(shù)據(jù)以SEG-Y格式存儲(chǔ)，每個(gè)文件中存儲(chǔ)了單根錨索的N次的測量數(shù)據(jù)。程序?qū)⒄麄€(gè)文件讀入內(nèi)存后，再進(jìn)行后續(xù)的操作。數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示。

3 軟件中使用到的主要類的結(jié)構(gòu)

軟件中的類在設(shè)計(jì)時(shí)遵循高內(nèi)聚低耦合的原則來進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要類的功能：文件類用來將文件讀入內(nèi)存；單次數(shù)據(jù)類用于從文件類中提取單次的測量數(shù)據(jù)；傅里葉類用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換及反變換；濾波類用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作；譜能計(jì)算類用于進(jìn)行譜能計(jì)算。主要類的類圖如圖4所示。

4 軟件的主要界面

4.1 軟件主界面

界面的左邊為功能操作區(qū)和參數(shù)設(shè)置區(qū)，界面的右邊為繪圖區(qū)。繪圖區(qū)從上到下分別為濾波/原始曲線、譜能曲線、頻譜曲線。軟件的主界面如圖5所示。

4.2 錨索長度標(biāo)定界面

錨索長度標(biāo)定界面如圖6所示。

在主界面中點(diǎn)擊功能操作區(qū)中的長度標(biāo)定按鈕即進(jìn)入該界面。該界面與主界面相比，除了增加兩個(gè)標(biāo)定線外，還為濾波曲線增加了橫坐標(biāo)，以用來表明錨索的長度。藍(lán)色線是自由段與錨固段分界的標(biāo)定線，用來確定錨索自由段的長度；黑色線是錨索底端的標(biāo)定線，用來確定錨索的長度。

5 分析過程

長度的標(biāo)定在如圖6所示的錨索長度標(biāo)定界面上進(jìn)行。拖動(dòng)藍(lán)色標(biāo)定線及黑色標(biāo)定線以進(jìn)行錨索長度及錨索自由段長度的標(biāo)定。在標(biāo)定線的拖動(dòng)過程中，程序會(huì)根據(jù)我們設(shè)置好的錨索自由段波速及錨固段波速，計(jì)算出坐標(biāo)值。觀察譜能圖可發(fā)現(xiàn)譜能曲線可分為三段，將藍(lán)色標(biāo)定線拖至第一段與第二段的分界處，將黑色標(biāo)定線拖至第二段與第三段的分界處，此時(shí)兩個(gè)標(biāo)定線位置的坐標(biāo)值6.1m及15.85m即為自由段的長度及錨索長度。此時(shí)，可重新設(shè)置譜能計(jì)算參數(shù)或?yàn)V波參數(shù)，重新進(jìn)行錨索的長度標(biāo)定。

6 結(jié)束語

應(yīng)力波反射法測量錨索長度，是一種具有很大前景的無損檢測方式。本次編寫的軟件，使用快速傅里葉變換及譜能比法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，能夠輕易地得到較理想的結(jié)果。但該軟件在得到結(jié)果的過程中，仍需要軟件的使用者進(jìn)行人為標(biāo)定操作，還做不到自動(dòng)計(jì)算得到結(jié)果。此外結(jié)果的精度也有待提高。

參考文獻(xiàn)：

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