一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法技术

本发明专利技术属无损检测领域，公开了一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法，包括：步骤一，利用函数信号发生器产生需要设定频率的正弦波形激励信号，输出至功率放大器中，由功率放大器将该电信号放大；步骤二，放大的电信号通过粘贴在待测试件发射端的压电陶瓷晶片将电信号转为机械信号，产生超声波，压电陶瓷晶片转换为电信号；步骤三，所述电信号经初步过滤后传入数字示波器，显示该电信号参数并进行提取采集；步骤四，利用基于稀疏和频散的匹配追踪法对提取到的信号进行处理，根据所得信号波形判断是否存在缺陷，从而实现快速、准确地对电缆竖井防火封堵中存在的裂纹、气泡等缺陷进行检测，进而判断系统的封堵效果是否达标。效果是否达标。效果是否达标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法


[0001]本专利技术涉及超声检测
，尤其涉及一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济的高速发展以及超高层建筑建造技术的不断进步，各地建成或在建的超高层建筑数量迅速增加，这些高层建筑中的电缆竖井一旦发生火灾便很容易发生“烟囱效应”，导致火势蔓延加快，最终成为火灾蔓延的快速通道。因此，在电缆竖井中的电气线路敷设完毕后必须加以填塞、封堵和密实，使防火封堵达到相应标准，从而避免电缆竖井成为火灾蔓延的通道，降低火灾的危害性。
[0003]然而，目前国内关于防火封堵性能检测的方法并不完备，除必要的材料性能检测外，只有耐火性能测试，如隔热性和完整性，而在部分对防烟、防冲击性能有需求的情况中难以判断，也没有基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测方法，来用于检测电缆竖井防火封堵的封堵效果是否达标。
[0004]本专利技术所提出的压电超声检测方法主要是利用的是超声导波，由于超声导波沿传播路径衰减小且在板中的振动可以遍及整个构件，所以该无损检测方法能够快速检测长距离、大范围结构以及结构的表面、内部缺陷。并且超声导波具有多模态特性，可以通过调节模态和频率，选取适合的单个或多个导波模态对缺陷进行检测，提高检测能力。
[0005]超声导波虽然是一种有效的结构检测工具，但实际上，导波信号存在频散且包含多种模式和噪声。在存在重叠波包/模式、噪声以及频散的情况下，从这些信号中提取有意义的信息是一项极具挑战性的任务。本专利技术提出了一种有效的信号处理工具，基于稀疏和频散的匹配追踪(SDMP)，以处理压电超声检测中复杂的导波信号。SDMP可以有效地分离重叠模式、分解噪声信号，并揭示隐藏的缺陷信号，具备良好的抗噪声性能。因此SDMP可以使所述压电超声检测法满足对电缆竖井防火封堵缺陷的有效检测。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法，该方法能够快速、准确地对电缆竖井防火封堵中存在的裂纹、气泡等缺陷进行检测，进而判断封堵效果是否达标。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法，包括以下步骤：步骤一，利用ArbExpress Application软件编写汉宁窗调制的五周期正弦函数信号，通过USB连接线导入到泰克Tektronix AFG 1062任意波函数发生器中，产生激励信号并输出至功率放大器(KROHN7602)，由功率放大器将该电信号的电压放大到几十伏至上百伏之间。其中，功率放大器的工作频率最高可达1MHz，可满足激励信号的频率设定；
步骤二，放大的电信号通过粘贴在待测试件发射端的PZT压电陶瓷晶片将电信号转换为机械信号，激励产生超声波，接收端的PZT压电陶瓷晶片把接收到的超声波信号转换为电信号；步骤三，所述电信号经滤波器(YE5856)进行低通滤波，滤除掉少量的噪音信号后传入数字示波器(KEYSIGHT DSOX3034A)，显示该电信号参数并进行提取采集；步骤四，利用基于稀疏和频散的匹配追踪(SDMP)对提取到的信号进行处理，根据所得信号波形判断是否存在缺陷，从而实现电缆竖井防火封堵的无损检测。
[0008]上述步骤一中，所述需要设定的激励信号，选取过程依次为：划定中心频率范围、选取窗函数以及确定周期数；上述步骤一、二、三中，所述检测方法包括以下装置：函数信号发生器、功率放大器、PZT压电陶瓷晶片、滤波器、数字示波器、信号采集计算机；其中，所述函数信号发生器与功率放大器相连，且所述函数信号发生器的同步输出端连接到数字示波器上；所述待测试件的两端分别设有PZT压电陶瓷晶片；所述功率放大器的输出端与待测试件的发射端PZT压电陶瓷晶片相连，所述待测试件的接收端PZT压电陶瓷晶片经滤波器连接到数字示波器上；所述数字示波器与信号采集计算机相连。
[0009]上述步骤四中，所述基于稀疏和频散的匹配追踪(SDMP)共包含两个阶段：第一阶段，与匹配追踪(MP)类似，是在每一次迭代过程中，从字典里选择最能匹配原始信号结构的一个原子而构建的一种逼近过程，进而实现对原始信号的近似表示。第二阶段，对被选择来近似信号的原子进行评估，判断它们是否与激发信号具有频率一致性，保留频率相一致的原子，丢弃频率不一致的原子，实现用更小数量的原子对信号的损伤特征信息等进行表示，使物理意义更清晰。
[0010]上述步骤四中，所述SDMP的第一阶段具体为：步骤4.1在考虑频散的基础上，设计一个基于窄带激发信号的过完备冗余字典D。步骤4.2建立信号的响应函数，从数学角度来看可以将信号表示为一些原子y
n
(t)和残基r
n
(t)在n次迭代后的线性组合：式(1)中，c
i
是最佳原子a
i
(t)用于确定自身振幅的实系数，y
n
(t)为基本原子，n为迭代次数，t为采样时刻，r
n
(t)为残基即剩余量，x(t)为原始信号，a
i
(t)为每次迭代时的最佳原子，<x(t),a
i
(t)>表示信号x(t)与最佳原子a
i
(t)的内积，||a
i
(t)||＝1表示a
i
(t)是范数为1的原子。步骤4.3持续迭代，直到最佳逼近时r
n
(t)的二阶范数变为最小值：||r
n
(t)||2＝||x(t)
‑
y
n
(t)||2＜ε(2)式(2)中，ε为预设值，它取决于信号的噪声水平(通常未知，必须通过试错设置)。步骤4.4从过完备冗余字典D中选择相应的最佳原子a(t)来近似表示信号x(t)。其中，由于在每一次迭代的过程中都从字典中选择最能与信号结构相匹配的一个原子，所以能与信号相匹配的原子有许多，a(t)代表在最佳逼近时所对应的原子。
[0011]上述所述的压电超声检测方法，其特征在于，所述步骤四中SDMP的第二阶段具体为：
步骤4.5建立另一个字典D'，其包含频域中的所有原子,步骤4.6计算当前残基r
n
(t)＝x(t)和字典D中所有原子间的内积，不包括之前迭代中已选择的原子。然后选择与r
n
(t)的内积高于特定阈值Th1的所有原子：A＝{a(t)||<a(t),r
n
(t)>|≥Th1}(3)Th1＝αarg max|<r
n
(t),a
n+1
>|；0.5＜α＜1(4)式(4)中，函数arg max为寻找表达式达到最大值时所对应的参量。步骤4.7计算上一步中选择的各原子的下一个残差信号r
n+1
(t)，得到近似程度最高的原子a(t)：r
n+1
(t本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声导波的电缆竖井防火封堵缺陷检测及信号处理方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：步骤一，利用ArbExpress Application软件编写汉宁窗调制的五周期正弦函数信号，通过USB连接线导入到泰克Tektronix AFG 1062任意波函数发生器中，产生激励信号并输出至功率放大器，由功率放大器将该电信号的电压放大到几十伏至上百伏之间，其中，功率放大器的工作频率最高可达1MHz，可满足激励信号的频率设定；步骤二，放大的电信号通过粘贴在待测试件发射端的PZT压电陶瓷晶片将电信号转换为机械信号，激励产生超声波，接收端的PZT压电陶瓷晶片把接收到的超声波信号转换为电信号；步骤三，所述电信号经滤波器进行低通滤波，滤除掉少量的噪音信号后传入数字示波器，显示该电信号参数并进行提取采集；步骤四，利用基于稀疏和频散的匹配追踪法对提取到的信号进行处理，根据所得信号波形判断是否存在缺陷，从而实现电缆竖井防火封堵的无损检测。2.根据权利要求1所述的压电超声检测方法，其特征在于，所述需要设定的激励信号，选取过程依次为：划定中心频率范围、选取窗函数以及确定周期数。3.根据权利要求1所述的压电超声检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下装置：函数信号发生器、功率放大器、PZT压电陶瓷晶片、滤波器、数字示波器、信号采集计算机；其中，所述函数信号发生器与功率放大器相连，且所述函数信号发生器的同步输出端连接到数字示波器上；所述待测试件的两端分别设有PZT压电陶瓷晶片；所述功率放大器的输出端与待测试件的发射端PZT压电陶瓷晶片相连，所述待测试件的接收端PZT压电陶瓷晶片经滤波器连接到数字示波器上；所述数字示波器与信号采集计算机相连。4.根据权利要求1所述的压电超声检测方法，其特征在于，所述步骤四中基于稀疏和频散的匹配追踪法共包含两个阶段：第一阶段，与匹配追踪类似，是在每一次迭代过程中，从字典里选择最能匹配原始信号结构的一个原子而构建的一种逼近过程，进而实现对原始信号的近似表示；第二阶段，对被选择来近似信号的原子进行评估，判断它们是否与激发信号具有频率一致性，保留频率相一致的原子，丢弃频率不一致的原子，实现用更小数量的原子对信号的损伤特征信息等进行表示，使物理意义更清晰。5.根据权利要求4所述的压电超声检测方法，其特征在于，所述步骤四中基于稀疏和频散的匹配追踪法的第一阶段具体为：步骤4.1在考虑频散的基础上，设计一个基于窄带激发信号的过完备冗余字典D，其中，频散意味着导波的速度是其频率的函数，在导波检测中首选频散最小的区域，同时，字典D是一个矩阵，其列是基本信号且采样频率与信号x(t)相同，过完备意味着字典中的原子数超过了要近似的信号长度，冗余表示字典中的原子不一定满足正交性；步骤4.2建立信号的响应函数，从数学角度来看可以将信号表示为一些原子y
n
(t)和残基r
n
(t)在n次迭代后的线性组合：上式中，c
i
是最佳原子a
i
(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿波，李鑫，项兴尧，吴少伟，孙训俊，邓俊，李冬，骆圆，舒胜文，郑智聪，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：