一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力采集方法
【專利摘要】一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力采集方法。煤礦現(xiàn)場通常用桿體來檢測巷道的應變程度，主要測量桿體的剪應力分布，一般采用在桿體上安裝應變片的方法，但是應變片數(shù)量多且容易損壞，而應變片數(shù)據(jù)采集都是自動采集，無人員實時監(jiān)控，所以應變片發(fā)生故障損壞時不能被及時發(fā)現(xiàn)，得到錯誤的彎矩擬合函數(shù)和剪應力分布，這對于煤礦巷道觀察被測桿體應變特性是非常不利的；其次，在煤礦現(xiàn)場安裝桿體需要用特種水泥將其固定在巷道里，應變片發(fā)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(shù)應變片故障將造成桿體的浪費。
【專利說明】-種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力采集方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力采集方法，屬于測控和 自動化【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 剪應力是指物體由于外因（受力、濕度變化等）而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn) 生相互作用的內(nèi)力，來抵抗外因的作用，并力圖使物體從形變后的位置回復到形變前的位 置。對于桿體，準確掌握整個長度范圍內(nèi)的剪應力分布，是研究整個桿體結構特性的重點。
[0003] 煤礦巷道中，對于一些大型結構（橋梁等），通常測量內(nèi)置桿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，對于及時做好預防措施、減少安全隱患具有重 要意義。因此，準確檢測桿體的形變，特別是準確掌握桿體剪應力分布至關重要。
[0004] 測量桿體的剪應力分布，通常采用在桿體上安裝應變片的方法，由于桿體一般用 于測量大型結構，所以桿體比較長，所需要的應變片數(shù)量很大。由于應變片體積小且薄，容 易在煤礦巷道的環(huán)境中損壞，而應變片數(shù)據(jù)采集都是自動采集，無人員實時監(jiān)控，所以當應 變片發(fā)生故障損壞時不能被及時發(fā)現(xiàn)，故障應變片的錯誤采集值仍參與計算，得到錯誤的 彎矩函數(shù)擬合和剪應力分布，因此，工作人員檢查結構時看到錯誤的桿體性質(zhì)，會相應的采 取錯誤的措施，影響工作效率，并且桿體一旦澆筑進大型結構中無法拿出，如果出現(xiàn)故障不 能解決，那么桿體檢測失去了意義。本發(fā)明提出一種故障自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力 采集方法，通過實時監(jiān)測所有應變片是否有故障，當應變片發(fā)生故障時對其進行相應的采 集數(shù)據(jù)剔除或者進行誤差模型補償，使得被測桿體在無人監(jiān)控的環(huán)境下實現(xiàn)故障自修復， 保證彎矩擬合函數(shù)的準確性，得到準確的剪應力的函數(shù)，從而獲得整個被測桿體上的剪應 力分布。


【發(fā)明內(nèi)容】
t〇〇〇5] 本發(fā)明解決的問題是：為了克服工業(yè)中桿體上應變片發(fā)生故障時檢測出錯誤的桿 體剪應力分布，影響桿體結構性質(zhì)判斷的缺點，結合以上背景和需求，本發(fā)明提供一種故障 自修復的魯棒的煤礦巷道剪應力采集方法，通過檢測出有故障的應變片，對其采集數(shù)值進 行誤差補償，用補償后的采樣數(shù)值進行拉伸應變、彎曲應變、彎矩的計算，然后對每個測量 點的彎矩進行函數(shù)擬合獲得整個被測桿體上的彎矩函數(shù)，由彎矩擬合函數(shù)得到沿測點長度 范圍剪應力的函數(shù)，根據(jù)這個函數(shù)可以很容易得到桿體上每個測點處的剪應力。
[0006] 本發(fā)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采集方法，其特征在于，包括
[0008] 以下步驟：
[0009]步驟1 :設煤礦巷道剪應力測試桿體長度L，在該桿體上貼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桿體上，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），將該桿體安裝在對其進 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桿體以時間 間隔h分別進行C次拉伸應變和C次彎曲應變，采集并記錄彎曲應變、拉伸應變數(shù)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(shù)據(jù)采集；
[0012] 步驟2. 2 :分別計算煤礦巷道剪應力測試桿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(shù)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桿體以時間間 隔億分別進行C'次拉伸應變和C彎曲應變，采集并記錄彎曲應變、拉伸應變數(shù)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(shù)據(jù)采集；
[0014] 步驟2. 4 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試桿體模擬煤礦巷道 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(shù)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桿體每一對 應變片拉伸應變和彎曲應變應的數(shù)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采集方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :設煤礦巷道剪應力測試桿體長度L，在該桿體上貼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桿體上，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），將該桿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桿體以時間間隔h分別進行C次拉伸應變和C次彎曲應變，采集并記錄彎曲應變、拉伸應變數(shù)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(shù)據(jù)采集； 步驟2. 2 :分別計算煤礦巷道剪應力測試桿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(shù)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桿體以時間間隔t2 分別進行C'次拉伸應變和C'彎曲應變，采集并記錄彎曲應變、拉伸應變數(shù)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(shù)據(jù)采集； 步驟2. 4 :分別計算設煤礦巷道剪應力測試桿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(shù)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桿體每一對應變片拉伸應變和彎曲應變應 的數(shù)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?shù)臄?shù)據(jù)源； 步驟3 :將剪應力測試桿體安裝在煤礦巷道里，進行煤礦巷道綜合工況下的數(shù)據(jù)采集。 步驟4 :根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷應變片是否故障： 步驟4. 1 :每隔時間t對桿體上的應變片采集數(shù)值進行讀取； 步驟4. 2 :讀取桿體上2N個應變片的采集數(shù)值en，ei2(i= 0、1……N-1); 步驟4. 3 :如果連續(xù)三次en或者ei2值為0,則認為應變片發(fā)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(xiàn)故障，則此時有 效應變片對數(shù)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(xiàn)故障，應變片Xi2正常工作或者應變片Xi2出現(xiàn)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(xiàn)故障，則記錄應變片Xil和Xi2都出現(xiàn)故障的應變 片對數(shù)為P，進入步驟6.2 ; 步驟6:根據(jù)故障類型進入相應的應變片故障處理流程： 步驟6. 1 :對于故障應變片的采集數(shù)值進行誤差補償，如果Xil出現(xiàn)故障，則計算拉伸 應變時對Xil應變片進行補償，令< =? ,則? + ￡}2)/2 ^計算彎曲應變 和彎矩時令,則￡^=(4-4)/2 ,可以得到第i個應變片的彎矩：Mi1^g =R3*(e'n_ei2)/8,其中是圓周率，E為彈性系數(shù)，R為桿體的截面半徑；如果 \2出現(xiàn)故障，則計算拉伸應變時對\2進行補償，令，則￡^=(^+4)/2， 計算彎曲應變和彎矩時令Sj/ = ,則6S =(?-〇/2 ,可以得到第i個應變片的彎 矩=Mi 彎矩=JI?E?R3 ? (en-e，i2) /8,進入步驟 8 ; 步驟6. 2 :如果第i對兩個應變片都是有故障的，則剔除這一對應變片的采樣數(shù)值，將 剩下的正常工作的應變片作為有效測點，則修正后有效應變片對數(shù)N' =N-P進入步驟7 ; 步驟7:被測桿體應變參數(shù)計算，i'為故障處理之后有效應變片的序號，^i,p^i, 2 為步驟6中進行誤差補償之后的應變值： 步驟7. 1:計算被測桿體上每個應變片測點拉伸應變參數(shù)，拉伸應變?yōu)?4f:t =(4+4:)/2，拉伸應力為申=￡?(￡?,.,+￡；'2>/2 (|-'=0、1 ……，4); 步驟7.2:;計算被測桿體上每個應變片測點彎曲應變參數(shù)，彎曲應變?yōu)? #舊=(%，2)/2,彎曲應力為=￡-#_=￡?>,-今2)/2 iT_i); 步驟7. 3:;計算被測桿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 :對被測桿體的N'對有效應變片的彎矩Mf進行函數(shù)擬合，在被測桿體由應變 片分割的N' -1個區(qū)間段上使用三次樣條插值擬合獲取被測桿體上的彎矩函數(shù)，每個區(qū)間 段上的擬合函數(shù)的一階導數(shù)和二階導數(shù)均為連續(xù)函數(shù)，則獲得的擬合彎矩函數(shù)曲線是光滑 曲線，具體擬合步驟如下： 步驟8. 1:被測桿體的N'對有效應變片，相鄰兩個應變片之間是一個區(qū)間，所以有 ^-1)個區(qū)間，設每個區(qū)間段[21;，21;+1]& = 0，1，...，以-2)，1^表示^-1)個區(qū)間的 序號。設第k個區(qū)間[zk，zk+1]的三次樣條插值擬合函數(shù)為Sk(x)，Sk(X)表示距離被測桿體 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是距離被測桿端點的距離，zk =kXd(k= 0, 1，. . .，N' -2)是當應變片i=k序號時，該應變片距離被測桿端點的距離，zk+1= (k+l)Xd(k= 0，l，...，N' -2)是當應變 片i=k+1序號時，該應變片距離被測桿端點的距離，ak，bk，ck，dk為三次樣條插值擬合函數(shù) 需要求解的參數(shù)。 根據(jù)三次樣條插值擬合函數(shù)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(shù)的連續(xù)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(shù)Sk(X)公式 (15)中，獲得每一個區(qū)間段[zk，zk+1](k= 0，l，...，N' -2)對應的彎矩函數(shù)：
步驟9 :沿測點長度范圍剪應力分布函數(shù)： 步驟9. 1 :對公式（22)的函數(shù)Sk(X)進行求導運算得到S'k(k)，根據(jù)擬合的彎矩函數(shù) 的導數(shù)S'k(x)得到每個區(qū)間段剪應力分布函數(shù)： Tk(X) = 4 ? S，k(xV(3Ji ? R2) (23) 其中X是距離被測桿端點的距離，R是桿體橫截面的半徑； 步驟9. 2 :將被測桿體上任意一點距離桿體端點的距離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(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】黃永明, 虞金花, 章國寶, 張露, 吳奧 申請人:東南大學