专利名称：一种弧形闸门损伤的动态检测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利水电工程中的泄水建筑结构自动监测技术领域，特别是涉 及一种弧形闸门损伤的动态4企测方法及系统。
背景技术：
水利工程弧形钢闸门，主要用于水库的控制泄洪，是保证大坝安全的最重 要建筑物之一。工程实践证明，闸门在动水启闭过程及在某些局部开启运行时 由于水流的作用，都有不同程度的振动。在一些特定条件下，某些闸门曾产生 较强烈的振动，少数闸门曾产生共振和动力失稳现象。
其中，泄流诱发结构振动是一种极其复杂的水流与结构相互作用的现象。 在水利工程中，由于水流发生强烈的紊动，那么水流的脉动压力作用在结构物 上时，极有可能会造成水利工程结构的强烈振动，甚至会导致水利工程结构的 严重损坏。
尤其是当今的水工建筑物存在水流泄量大、流速高以及工程结构趋向轻型 化发展的趋势，使得水工建筑物的流激振动问题更为突出，部分轻型结构，特 别是其中的水工闸门结构，在长期的水动力荷载作用下，常由于导致疲劳破坏 而引起重大工程事故。
目前，在水利工程界一般是采取定期开启闸门与定期巡视的办法来判断水 工闸门是否存在损伤以及闸门的工作状况是否正常，很显然，这种传统检测水 工闸门的方法存在较大的主观性问题，并且费时、费力，工作人员也无法准确 判定闸门结构损伤的位置及具体损伤程度，更加无法在水工闸门发生破坏前及 时地使水利工程人员获得预警。
因此，当前迫切需要开发一种在不影响闸门正常工作的情况下，能够有效 地对闸门的工作状况进行在线检测与监测的方法
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种弧形闸门损伤的动态检测方法及系 统，在不影响闸门正常工作的前提下，可以更及时、准确地识别闸门结构的整 体安全性态。
为此，本发明提供了一种弧形闸门损伤的动态检测方法，包括步骤 实时采集弧形闸门的动态振动数据；
对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形
闸门的工作状态；
当弧形闸门的工作状态存在异常时，实时发出预警信息。
优选地，通过在弧形闸门的易损伤部位安装传感单元，实时获取弧形闸门
的动态振动数据。
优选地，所述传感单元为加速度传感器或者速度传感器或者位移传感器 或者动态电阻应变片；
所述弧形闸门的易损伤部位包括支臂与上下横梁、弦杆的交接处，支臂 与弦杆的中间部位，以及距支4交5厘米远的支臂处；
在闸门开度《0.25的前提下，所述传感单元实时获取弧形闸门的动态振动 数据。
优选地，在获取弧形闸门的动态振动数据后还包括步骤 对所获取的弧形闸门的动态振动数据进行滤波消噪处理。 优选地，对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时
获得弧形闸门的工作状态的步骤包括以下步骤
对所采集的弧形闸门动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸门的工
作模态参数；
通过异常性检测判断弧形闸门是否存在损伤，并按照不同类型损伤所引 起的模态参数改变方式，将闸门结构划分为N种损伤模式，确定N种损伤模 式下损伤的大致范围；
当判断获知弧形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的损伤模式； 根据所判定闸门结果损伤所属的损伤模式，对可能存在损伤部位进行局部 区域检测，确定损伤的具体位置及具体损伤程度；
所述N》1。
此外，本发明还提供了一种弧形闸门损伤的动态检测系统，包括
振动数据采集装置，用于实时采集弧形闸门的动态振动数据并输出；
多级损伤检测装置，与振动数据采集装置相连接，用于对所采集的弧形闸 门动态振动数据进行多才及损伤4企测分析，实时获得弧形闸门的工作状态；
预警装置，与多级损伤检测装置相连接，用于当弧形闸门的工作状态存在 异常时，实时发出预警信息。
优选地，振动数据采集装置为在弧形闸门的易损伤部位安装的传感单元。
优选地，所述传感单元为加速度传感器或者速度传感器或者位移传感器 或者动态电阻应变片；
所述弧形闸门的易损伤部位包括支臂与上下横梁、弦杆的交接处，支臂 与弦杆的中间部位，以及距支铰5厘米远的支臂处。
优选地，所述多级损伤检测装置包括工作模态参数辨识单元，用于对所 采集的弧形闸门动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸门的工作模态参 数；损伤判断和划分单元，用于通过异常性检测判断弧形闸门是否存在损伤, 并按照不同类型损伤所引起的模态参数改变方式，将闸门结构划分为N种损 伤模式，确定N种损伤模式下损伤的大致范围，所述N》1;损伤判定单元， 用于当判断获知弧形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的损伤模式；以及检测 单元，用于才艮据所判定闸门结果损伤所属的损伤模式，对可能存在损伤部位进 行局部区域检测，确定损伤的具体位置及具体损伤程度。
优选地，还包括滤波处理装置，用于对采集的弧形闸门的动态振动数据 进行滤波消噪处理。
由以上本发明提供的技术方案可见，通过实施本发明，可以在不影响闸门 正常工作的前提下，可以更及时、准确地识别闸门结构的整体安全性态，并当 闸门结构存在异常时，可以快速准确地判断出闸门发生损伤的具体位置及损伤 的程度，以使水利工程工作人员可以有针对性地对损伤部位加以维修。
本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法及系统集结构振动理论与神 经网络及模式识别技术以^;部检测技术于一体，对闸门结构可能存在的损伤
进行从整体到局部的逐级检测，从而可以实现对弧形闸门的工作状态进行多级 在线检测与监测。此外，本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法及系统在 泄流激励下，无需特殊的激励设备，直接通过实测的闸门结构泄流振动动态数 据，即可识别出闸门结构的工作模式参数。
图1为本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测方法的运行流程图； 图2为运用本发明的弧形闸门的整体结构立面图以及振动传感器(或动态
电阻应变片)在弧形闸门上的布置图3为运用本发明的弧形闸门框架及振动传感器布置图4为本发明的一种弧形闸门损伤的动态检测方法中对所采集的弧形闸
门动态振动数据进行多极损伤检测分析的具体流程图5为本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测系统的结构示意图； 图6为本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测系统中多级损伤检测
装置的结构示意图7为本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测系统的一种实施方式
的结构示意图。
图中弧形闸门面板l 支臂2 弦杆3 主横梁4边梁5 振动传感器 或动态电阻应变片6 支4交具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方 式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，图1为本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测方法的运行 流程图。本发明提供了一种弧形闸门损伤的动态检测方法，在泄流激励下，可 以及时确定弧形闸门损伤的具体位置和损伤程度，参见图1,该方法包括以下 步骤
步骤S101:实时采集弧形闸门的动态振动数据；
在本步骤中，本发明通过在弧形闸门的易损伤部位安装传感单元，来实时 获取可靠的弧形闸门结构的动态振动数据。
本发明中的传感单元可以为振动传感器或者动态电阻应变片等传感组件。 采用振动传感器作为传感单元时，具体实现上可以为加速度传感器、速度传感 器、位移传感器。
需要说明的中，在本发明中，参见图2、图3，所述弧形闸门的易损伤部 位包括支臂2与上下横梁4、弦杆3的交接处，支臂2与弦杆3的中间部位， 以及距支4交7间隔5cm (厘米)远的支臂2处。
其中，通常传感器位于各交接处和支臂与弦杆的中间部位；动态电阻应变 片距离各交接处的距离为5cm,并在支臂2与弦杆3的中间部位设置。
在具体安装实现上，如果安装振动传感器，具体安装方法可以为在上述 的各个易损伤安装部位，沿着支臂2与弦杆3的表面分别安装一个水平振动传 感器与垂向振动传感器，并对这些振动传感器施加防水措施。在泄流激励下需 要获得闸门结构的振动数据时，闸门开度应小于或等于0.25， ^避免在高速水 流直接沖击传感器设备时，造成闸门结构的振动数据错误。
如果安装动态电阻应变片，具体安装方法可以为在上述的各个易损伤安 装部位，分别沿着支臂及弦杆的长度方向在支臂与弦杆的表面粘贴动态电阻应 变片，并在这些动态电阻应变片的表面涂上防水材料，以防止动态电阻应变片 工作时失效。同时，为了获得可靠的动态振动应变数据，在闸门结构上贴上电 阻片的同时，补偿片应贴在与闸门相同的材料上，且放置在与闸门工作环境相 同的地方。在泄流激励下获得闸门结构的动态振动信号数据时，闸门开度也应 小于或等于0.25,以避免高速水流直接沖击到动态电阻应变片，造成闸门结构 的振动数据错误。
需要说明的是，采用本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法时，动态 电阻应变片优选为其敏感栅尺寸长为IOCM，宽为0,3CM，将其安装在距离 支臂2与上下横梁4、弦杆3的交接处5cm的地方，以及支臂2与弦杆3的中 间部位，以及距支铰7间隔5cm的支臂2处，分别沿着支臂2及弦杆3的长 度方向在支臂2与弦杆3的表面粘贴，并在应变片表面涂防水材料。同时，补偿片应贴在与闸门相同的材料上，且放置在与闸门工作环境相同的地方。在泄
流激励下获得闸门结构的振动信号数据时，闸门开度应小于或等于0.25,以避 免高速水流直接冲击动态电阻应变片。
在本步骤获得动态振动信号数据后，还要对振动信号数据进行滤波消噪处 理，从而得到可靠的振动数据，以使本发明获得可靠的损伤诊断结果。
步骤S102:对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析， 实时获得弧形闸门的工作状态。
所述弧形闸门的工作状态的内容包括闸门是否存在损伤、闸门损伤的具 体位置以及损伤的具体程度。
参见图4，上述步骤S102具体包括以下子步骤
S102A:对所采集的弧形闸门动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸 门的工作才莫态参数；
S102B:通过异常性检测判断弧形闸门是否存在损伤，并按照不同类型损 伤所引起的模态参数改变方式，将闸门结构划分为N种损伤模式，确定N种 损伤;溪式下损伤的大致范围；所述N^1。
需要说明的是，本步骤通过神经网络及模式识别技术来确定N种损伤模 式下损伤的大致范围。
所述N种损伤沖莫式下损伤的大致范围即为在这N种模式下，可能存在损 伤的部位范围。
S102C:当判断获知弧形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的损伤模式； S102D:根据所判定闸门结果损伤所属的损伤模式，对可能存在损伤部位
进行局部区域检测，确定损伤的具体位置及具体损伤程度。
在具体实现上，通常信号线将所采集的弧形闸门动态振动数据输入到水利
工程控制室内安装有专用软件的计算机上，然后对弧形闸门进行损伤诊断与安
全评估。
步骤S103:当弧形闸门的工作状态存在异常时，实时发出预警信息。 当闸门结构存在异常(即闸门的工作状态显示存在损伤)时，实时发出预 警信息，以通知水利工程工作人员，从而工作人员可以快速准确地判断出闸门
发生损伤的地点及损伤程度，有针对性地对闸门具体损伤部位加以维修。
经过上述描述可知，本发明提供的一种弧形闸门损伤的动态检测方法在不
影响闸门正常运营的前提下，可以更及时、准确地识别结构的整体安全性态。 基于上述本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法，本发明还提供了 一
种弧形闸门损伤的动态检测系统，参见图5，该系统包括振动数据采集装置
501、多级损伤检测装置502以及预警装置503，其中，
振动数据采集装置501，用于实时采集弧形闸门的动态振动数据并输出； 多级损伤检测装置502，与振动数据采集装置501相连接，用于对所采集
的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形闸门的工作状
态；
预警装置503,与多级损伤检测装置502相连接，用于当弧形闸门的工作 状态存在异常时，实时发出预警信息。
基于如前所述，振动数据采集装置501即为在弧形闸门的易损伤部位安装 的传感单元，从而获取可靠的弧形闸门结构的动态振动数据。
所述传感单元为可以为振动传感器或者动态电阻应变片等传感组件。采用 振动传感器作为传感单元时，具体实现上可以为加速度传感器、速度传感器、 位移传感器。
如前所述，参见图2、图3，所述弧形闸门的易损伤部位包括支臂2与 上下横梁4、弦杆3的交接处，支臂2与弦杆3的中间部位，以及距支铰7间 隔5cm (厘米)的支臂2处。
其中，通常传感器位于各交接处和支臂与弦杆的中间部位；动态电阻应变 片距离各交接处的距离为5cm,并在支臂2与弦杆3的中间部位设置。
在具体安装实现上，如果安装振动传感器，具体安装方法可以为在上述 的各个易损伤安装部位，沿着支臂2与弦杆3的表面分别安装一个水平振动传 感器与垂向振动传感器，并对这些振动传感器施加防水措施。在泄流激励下需 要获得闸门结构的振动数据时，闸门开度应小于或等于0.25，以避免在高速水 流直接沖击传感器设备时，造成闸门结构的振动数据4晉误。
如果安装动态电阻应变片，具体安装方法可以为在上述的各个易损伤安200810054013. 1
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装部位，分别沿着支臂及弦杆的长度方向在支臂与弦杆的表面粘贴动态电阻应 变片，并在这些动态电阻应变片的表面涂上防水材料，以防止动态电阻应变片 工作时失效。同时，为了获得可靠的动态振动应变数据，在闸门结构上贴上电 阻片的同时，补偿片应贴在与闸门相同的材料上，且放置在与闸门工作环境相 同的地方。在泄流激励下获得闸门结构的动态振动信号数据时，闸门开度也应
小于或等于0.25，以避免高速水流直接冲击到动态电阻应变片，造成闸门结构 的振动数据错误。
参见图6，上述多级损伤检测装置502包括工作模态参数辨识单元5021， 用于对所采集的弧形闸门动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸门的工 作模态参数；损伤判断和划分单元5022,用于通过异常性检测判断弧形闸门 是否存在损伤，并按照不同类型损伤所引起的模态参数改变方式，将闸门结构 划分为N种损伤模式，确定N种损伤模式下损伤的大致范围，所述N》1;损 伤判定单元5023，用于当判断获知弧形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的 损伤模式；以及检测单元5024,用于根据所判定闸门结果损伤所属的损伤模 式，对可能存在损伤部位进行局部区域;险测，确定损伤的具体位置及具体损伤 程度。
需要说明的是，本发明通过神经网络及模式识别技术来确定N种损伤模 式下损伤的大致范围。所述N种损伤模式下损伤的大致范围即为在这N种模 式下，可能存在损伤的部位范围。
通过上述本发明提供的预警装置503,当闸门结构存在异常时，实时发出 预警信息，以通知水利工程工作人员，从而工作人员可以快速准确地判断出闸 门发生损伤的地点及损伤程度，有针对性地对闸门具体损伤部位加以维修。
上述弧形闸门的工作状态的内容包括闸门是否存在损伤、闸门损伤的具 体位置以及损伤的具体程度。
此外，本发明提供的系统还可以包括有滤波处理装置504，用于对采集的 弧形闸门的动态振动数据进行滤波消噪处理，如图7所示，该装置设置于振动 数据采集装置501和多级损伤检测装置502之间，该装置分别与振动数据采集 装置501、多级损伤检测装置502相连接。
本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法及系统集结构振动理论与神
经网络及;f莫式识别技术以及局部检测技术于一体，对闸门结构可能存在的损伤 进行从整体到局部的逐级检测，从而可以实现对弧形闸门的工作状态进行多级 在线检测与监测。
此外，本发明提供的弧形闸门损伤的动态检测方法及系统在泄流激励下， 无需特殊的激励设备，直接通过实测的闸门结构泄流振动动态数据，即可识别 出闸门结构的工作模式参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种弧形闸门损伤的动态检测方法，其特征在于，包括步骤实时采集弧形闸门的动态振动数据；对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形闸门的工作状态；当弧形闸门的工作状态存在异常时，实时发出预警信息。
2、 如权利要求1所述的弧形闸门损伤的动态检测方法，其特征在于， 通过在弧形闸门的易损伤部位安装传感单元，实时获取弧形闸门的动态振动数据。
3、 如权利要求2所述的弧形闸门损伤的动态检测方法，其特征在于， 所述传感单元为加速度传感器或者速度传感器或者位移传感器或者动态电阻应变片；所述弧形闸门的易损伤部位包括支臂与上下横梁、弦杆的交接处，支臂 与弦杆的中间部位，以及距支铰5厘米远的支臂处；在闸门开度《0.25的前提下，所述传感单元实时获取弧形闸门的动态振动 数据。
4、 如权利要求1至3中任一项所述的弧形闸门损伤的动态检测方法，其 特征在于，在获取弧形闸门的动态振动数据后还包括步骤对所获取的弧形闸门的动态振动数据进行滤波消噪处理。
5、 如权利要求1所述的弧形闸门损伤的动态检测方法，其特征在于，对 所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形间门的 工作状态的步骤包括以下步骤对所采集的弧形闸门动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸门的工 作模态参数；通过异常性检测判断弧形闸门是否存在损伤，并按照不同类型损伤所引 起的模态参数改变方式，将闸门结构划分为N种损伤模式，确定N种损伤模 式下损伤的大致范围；当判断获知弧形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的损伤^f莫式； 根据所判定闸门结果损伤所属的损伤才莫式，对可能存在损伤部位进行局部区域检测，确定损伤的具体位置及具体损伤程度； 所述N》1。
6、 一种弧形闸门损伤的动态检测系统，其特征在于，包括 振动数据采集装置，用于实时采集弧形闸门的动态振动数据并输出； 多级损伤检测装置，与振动数据采集装置相连接，用于对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形闸门的工作状态；预警装置，与多级损伤检测装置相连接，用于当弧形闸门的工作状态存在 异常时，实时发出预警信息。
7、 如权利要求6所述的弧形闸门损伤的动态检测系统，其特征在于，振 动数据采集装置为在弧形闸门的易损伤部位安装的传感单元。
8、 如权利要求7所述的弧形闸门损伤的动态检测系统，其特征在于，所 述传感单元为加速度传感器或者速度传感器或者位移传感器或者动态电阻应 变片；所述弧形闸门的易损伤部位包括支臂与上下横梁、弦杆的交接处，支臂 与弦杆的中间部位，以及距支铰5厘米远的支臂处。
9、 如权利要求6所述的弧形闸门损伤的动态检测系统，其特征在于，所 述多级损伤检测装置包括工作模态参数辨识单元，用于对所采集的弧形闸门 动态振动数据通过参数识别方法获得弧形闸门的工作才莫态参数；损伤判断和划 分单元，用于通过异常性检测判断弧形闸门是否存在损伤，并按照不同类型损 伤所引起的模态参数改变方式，将闸门结构划分为N种损伤模式，确定N种 损伤模式下损伤的大致范围，所述N》1;损伤判定单元，用于当判断获知弧 形闸门存在损伤时，判定该损伤所属的损伤才莫式；以及4企测单元，用于根据所 判定闸门结果损伤所属的损伤模式，对可能存在损伤部位进行局部区域检测， 确定损伤的具体位置及具体损伤程度。
10、 如权利要求6至9中任一项所述的弧形闸门损伤的动态检测系统，其 特征在于，还包括滤波处理装置，用于对采集的弧形闸门的动态振动数据进 行滤波消噪处理。
全文摘要
本发明公开了一种弧形闸门损伤的动态检测方法，包括步骤实时采集弧形闸门的动态振动数据；对所采集的弧形闸门动态振动数据进行多极损伤检测分析，实时获得弧形闸门的工作状态；当弧形闸门的工作状态存在异常时，实时发出预警信息。此外，本发明还公开了一种弧形闸门损伤的动态检测系统。通过实施本发明，可以在不影响闸门正常工作的前提下，可以更及时、准确地识别闸门结构的整体安全性态，并当闸门结构存在异常时，可以快速准确地判断出闸门发生损伤的具体位置及损伤的程度，以使水利工程工作人员可以有针对性地对损伤部位加以维修。
文档编号G01N19/00GK101339165SQ20081005401
公开日2009年1月7日 申请日期2008年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者昉 刘, 张建伟, 李火坤, 练继建 申请人:天津大学