一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法
2023-07-05 03:35:41 1
一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法
【專利摘要】一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法。煤礦現場通常用杆體來檢測巷道的應變程度，主要測量杆體的剪應力分布，一般採用在杆體上安裝應變片的方法，但是應變片數量多且容易損壞，而應變片數據採集都是自動採集，無人員實時監控，所以應變片發生故障損壞時不能被及時發現，得到錯誤的彎矩擬合函數和剪應力分布，這對於煤礦巷道觀察被測杆體應變特性是非常不利的；其次，在煤礦現場安裝杆體需要用特種水泥將其固定在巷道裡，應變片發生故障損壞時將無法更換新的應變片，如不進行故障修復，少數應變片故障將造成杆體的浪費。
【專利說明】-種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法
【技術領域】
[0001] 本發明專利涉及一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法，屬於測控和 自動化【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 剪應力是指物體由於外因（受力、溼度變化等）而變形時，在物體內各部分之間產 生相互作用的內力，來抵抗外因的作用，並力圖使物體從形變後的位置回復到形變前的位 置。對於杆體，準確掌握整個長度範圍內的剪應力分布，是研究整個杆體結構特性的重點。
[0003] 煤礦巷道中，對於一些大型結構（橋梁等），通常測量內置杆體的整體形變來反映 外部結構的形變，準確掌握大型結構的形變，對於及時做好預防措施、減少安全隱患具有重 要意義。因此，準確檢測杆體的形變，特別是準確掌握杆體剪應力分布至關重要。
[0004] 測量杆體的剪應力分布，通常採用在杆體上安裝應變片的方法，由於杆體一般用 於測量大型結構，所以杆體比較長，所需要的應變片數量很大。由於應變片體積小且薄，容 易在煤礦巷道的環境中損壞，而應變片數據採集都是自動採集，無人員實時監控，所以當應 變片發生故障損壞時不能被及時發現，故障應變片的錯誤採集值仍參與計算，得到錯誤的 彎矩函數擬合和剪應力分布，因此，工作人員檢查結構時看到錯誤的杆體性質，會相應的採 取錯誤的措施，影響工作效率，並且杆體一旦澆築進大型結構中無法拿出，如果出現故障不 能解決，那麼杆體檢測失去了意義。本發明提出一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力 採集方法，通過實時監測所有應變片是否有故障，當應變片發生故障時對其進行相應的採 集數據剔除或者進行誤差模型補償，使得被測杆體在無人監控的環境下實現故障自修復， 保證彎矩擬合函數的準確性，得到準確的剪應力的函數，從而獲得整個被測杆體上的剪應 力分布。
【發明內容】
t〇〇〇5] 本發明解決的問題是：為了克服工業中杆體上應變片發生故障時檢測出錯誤的杆 體剪應力分布，影響杆體結構性質判斷的缺點，結合以上背景和需求，本發明提供一種故障 自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法，通過檢測出有故障的應變片，對其採集數值進 行誤差補償，用補償後的採樣數值進行拉伸應變、彎曲應變、彎矩的計算，然後對每個測量 點的彎矩進行函數擬合獲得整個被測杆體上的彎矩函數，由彎矩擬合函數得到沿測點長度 範圍剪應力的函數，根據這個函數可以很容易得到杆體上每個測點處的剪應力。
[0006] 本發明的技術解決方案是：
[0007] 1、一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法，其特徵在於，包括
[0008] 以下步驟：
[0009]步驟1 :設煤礦巷道剪應力測試杆體長度L，在該杆體上貼N對應變片，每對應變片 之間的間隔d = LV(N-l)，每對應變片正對貼在杆體上，設上面一層應變片的編號為Xu，正 對面一層應變片編號為x i2(i =〇、1……N-1，i為第i對應變片），將該杆體安裝在對其進 行彎曲、拉伸的相關設備上；
[0010]步驟2 :誤差模型的輸出值的評估：
[0011] 步驟2· 1 :利用相關設備對裝有2N個應變片的煤礦巷道剪應力測試杆體以時間 間隔h分別進行C次拉伸應變和C次彎曲應變，採集並記錄彎曲應變、拉伸應變數值，記為 si2a#, επ?β, ε?2--(? =〇u……N_l)，此處時間間隔h時間間隔較短，模擬的 是煤礦巷道應變突變的情況下的數據採集；
[0012] 步驟2. 2 :分別計算煤礦巷道剪應力測試杆體模擬煤礦巷道應變突變的情況下每 一對應變片的拉伸應變和彎曲應變數值誤差δ ε ne#- ε i2e#，δ ε η_+ ε i2 彎曲(i = 0、1 ……N-l, j = 0U......C-l)；
[0013] 步驟2· 3 :利用相關設備對裝有2N個應變片的煤礦巷道剪應力測試杆體以時間間 隔億分別進行C'次拉伸應變和C彎曲應變，採集並記錄彎曲應變、拉伸應變數值，記為 4氣'4.，曲，(丄=〇、1……N-i)，此處時間間隔t2時間間隔較長，模擬的是 煤礦巷道應變變化緩慢的情況下的數據採集；
[0014] 步驟2. 4 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試杆體模擬煤礦巷道 應變變化緩慢的情況下每一對應變片的拉伸應變和彎曲應變數值誤差 = 拉伸*著曲曲+；2賴（i =〇、1……N-l，j' =0、1 ……C，-1);
[0015] 步驟2. 5 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試杆體每一對 應變片拉伸應變和彎曲應變應的數值綜合工況下誤差平均值，
【權利要求】
1. 一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力採集方法，其特徵在於，包括以下步驟： 步驟1 :設煤礦巷道剪應力測試杆體長度L，在該杆體上貼N對應變片，每對應變片之間 的間隔d=IV(N-I)，每對應變片正對貼在杆體上，設上面一層應變片的編號為Xil，正對面 一層應變片編號為Xi2(i= 0、1……N-I，i為第i對應變片），將該杆體安裝在對其進行彎 曲、拉伸的相關設備上； 步驟2 :誤差模型的輸出值的評估： 步驟2. 1 :利用相關設備對裝有2N個應變片的煤礦巷道剪應力測試杆體以時間間隔h分別進行C次拉伸應變和C次彎曲應變，採集並記錄彎曲應變、拉伸應變數值，記為ene#， ei2a#, ei2--(i=〇U……N-l)，此處時間間隔心時間間隔較短，模擬的是煤礦 巷道應變突變的情況下的數據採集； 步驟2. 2 :分別計算煤礦巷道剪應力測試杆體模擬煤礦巷道應變突變的情況下每一對 應變片的拉伸應變和彎曲應變數值誤差Sij拉伸=en拉伸-ei2拉伸，Sij彎曲=en彎曲+ei2彎曲 (i= 0、1......N-l，j= 0、1......C-1)； 步驟2. 3 :利用相關設備對裝有2N個應變片的煤礦巷道剪應力測試杆體以時間間隔t2 分別進行C'次拉伸應變和C'彎曲應變，採集並記錄彎曲應變、拉伸應變數值，記為ene 伸，ei2,拉伸，ei/彎曲，ei2,彎曲（i=〇、1……N-1)，此處時間間隔t2時間間隔較長，模擬的是 煤礦巷道應變變化緩慢的情況下的數據採集； 步驟2. 4 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試杆體模擬煤礦巷道應變變化緩慢的情況 下每一對應變片的拉伸應變和彎曲應變數值誤差/拉伸=^/拉伸-^2,拉伸，Si/彎曲= e n 彎曲 +e n彎曲(i=0、1......N-1, j-/= OU......C' -1)； 步驟2. 5 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試杆體每一對應變片拉伸應變和彎曲應變應 的數值綜合工況下誤差平均值，
1……M-1) ?該平均值即為煤礦巷道綜合工況下的應變誤差模型輸出值的估算值，該估算 值即為應變偏差補償的數據源； 步驟3 :將剪應力測試杆體安裝在煤礦巷道裡，進行煤礦巷道綜合工況下的數據採集。 步驟4 :根據採集到的數據判斷應變片是否故障： 步驟4. 1 :每隔時間t對杆體上的應變片採集數值進行讀取； 步驟4. 2 :讀取杆體上2N個應變片的採集數值en，ei2(i= 0、1……N-1); 步驟4. 3 :如果連續三次en或者ei2值為0,則認為應變片發生故障，進入步驟5 ; 步驟4. 4 :如果en，ei2(i= 0、1……N_l)都不為0,即應變片未出現故障，則此時有 效應變片對數N' =N，進入步驟7 ; 步驟5 :應變片故障類型判斷： 步驟5. 1 :如果應變片Xil出現故障，應變片Xi2正常工作或者應變片Xi2出現故障，應變 片Xil正常工作，進入步驟6. 1 ; 步驟5. 2 :如果應變片Xil和Xi2都出現故障，則記錄應變片Xil和Xi2都出現故障的應變 片對數為P，進入步驟6.2 ; 步驟6:根據故障類型進入相應的應變片故障處理流程： 步驟6. 1 :對於故障應變片的採集數值進行誤差補償，如果Xil出現故障，則計算拉伸 應變時對Xil應變片進行補償，令/2 (|-'=0、1 ……，4); 步驟7.2:;計算被測杆體上每個應變片測點彎曲應變參數，彎曲應變為 #舊=(%，2)/2,彎曲應力為=￡-#_=￡?>,-今2)/2 iT_i); 步驟7. 3:;計算被測杆體每個有效應變片點彎矩： Mi, =JI?E?R3 ? (e廣「er2)/8,（i，= 0、1......N' _1) (1) 步驟8 :對被測杆體的N'對有效應變片的彎矩Mf進行函數擬合，在被測杆體由應變 片分割的N' -1個區間段上使用三次樣條插值擬合獲取被測杆體上的彎矩函數，每個區間 段上的擬合函數的一階導數和二階導數均為連續函數，則獲得的擬合彎矩函數曲線是光滑 曲線，具體擬合步驟如下： 步驟8. 1:被測杆體的N'對有效應變片，相鄰兩個應變片之間是一個區間，所以有 ^-1)個區間，設每個區間段[21;，21;+1]& = 0，1，...，以-2)，1^表示^-1)個區間的 序號。設第k個區間[zk，zk+1]的三次樣條插值擬合函數為Sk(x)，Sk(X)表示距離被測杆體 端點為X處的彎矩，即： Sk(x) =ak+bk (x-zk)+ck (x-zk) 2+dk (x-zk)3 (2) 其中x是距離被測杆端點的距離，zk =kXd(k= 0, 1，. . .，N' -2)是當應變片i=k序號時，該應變片距離被測杆端點的距離，zk+1= (k+l)Xd(k= 0，l，...，N' -2)是當應變 片i=k+1序號時，該應變片距離被測杆端點的距離，ak，bk，ck，dk為三次樣條插值擬合函數 需要求解的參數。 根據三次樣條插值擬合函數的要求,其插值條件為： 當X = Zk時，Sk(Zk)=Mk (3) 其中，Mk是當i' =k時心的值，Mf的值從公式（1)得到。 三次樣條插值擬合函數的連續性條件為：
步驟8. 3 :將求得的Tk(k= 0,I......N' -1)代入三次樣條插值擬合函數Sk(X)公式 (15)中，獲得每一個區間段[zk，zk+1](k= 0，l，...，N' -2)對應的彎矩函數：
步驟9 :沿測點長度範圍剪應力分布函數： 步驟9. 1 :對公式（22)的函數Sk(X)進行求導運算得到S'k(k)，根據擬合的彎矩函數 的導數S'k(x)得到每個區間段剪應力分布函數： Tk(X) = 4 ? S，k(xV(3Ji ? R2) (23) 其中X是距離被測杆端點的距離，R是杆體橫截面的半徑； 步驟9. 2 :將被測杆體上任意一點距離杆體端點的距離z代入公式（23)中，可以得到 該點的剪應力。
【文檔編號】G01L5/00GK104268414SQ201410516131
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】黃永明, 虞金花, 章國寶, 張露, 吳奧 申請人:東南大學