基于PCCP管道声信号的现场试验系统技术方案

一种基于PCCP管道声信号的现场试验系统。系统包括水听器、预处理器、数据采集器和主处理器；水听器依次通过预处理器和数据采集器与主处理器相连接。本实用新型专利技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统实现了对PCCP管道内声信号的采集、处理和特征识别，在对现场实验数据进行处理的过程中，主要采用了小波变换进行声信号特征提取，并且用支持向量机进行声信号的特征识别，通过现场实验和数据分析，该系统对断丝信号的识别度准确度可达98.33％。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于计算机控制
，特别是涉及一种基于PCCP管道声信号的现场试验系统。
技术介绍
预应力钢筒混凝土管即PCCP管道的生产和使用有很长的历史。最早设计并制造预应力钢筒混凝土管的是法国邦纳管道公司。到了20世纪40年代，欧美国家也开始纷纷开发和制造预应力钢筒混凝土管。美国作为世界上最大的预应力钢筒混凝土管生产和使用国家，到今已经使用的预应力钢筒混凝土管管道的长度长达28000KM，其中最大的预应力钢筒混凝土管道直径达7.6米。传统的预应力钢筒混凝土管防护的主要方法是人工检查，如听声法和人眼观察法。预应力钢筒混凝土管故障检测的还有远场涡流/变压器耦合(RFEC/TC)，基于水听器的声学检测和声光纤检测(AFO)等方法。RFEC/TC法需要在检测前排空管道内的水，因此会消耗大量的人力和物力。此外，RFEC/TC法是一种离线检验方法，效率较低。声光纤检测法是一种高准确度的实时检测方法，但是该方法成本高，且于在役的预应力钢筒混凝土管道很难再安装声光纤，只能应用于新建的管道。由于水听器对检测声信号灵敏度高，而且只需要在管道内每隔一定距离布设一个水听器即可，所以基于水听器的检测方法不仅检测精度高而且安装方便。该方法相对其他几种检测方法有明显的优势，在预应力钢筒混凝土管道破损检测方面有很广泛的应用前景。针对已有技术的情况，本技术人在对PCCP作了大量的前期研究后，提出了基于水听器的PCCP断丝检测系统，其原理是对PCCP管道的声信号实时在线检测，识别其中的断丝信号，利用断丝信号实现PCCP管道爆管的预警；要监视和识别断丝信号，仅靠在实验室进行的模拟试验时不够的，必须在PCCP管道的现场进行实地的现场试验，但是目前还没有较为成熟的基于PCCP管道声信号的现场试验系统。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术的目的在于提供一种基于PCCP管道声信号的现场试验系统。为了达到上述目的，本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统包括：水听器、预处理器、数据采集器和主处理器；其中：水听器依次通过预处理器和数据采集器与主处理器相连接；水听器为通过PCCP管道接口处的法兰固定安装在PCCP管道中，用于采集管道中声信号的装置；预处理器为模拟信号调理电路，用于实现电荷转电压、信号放大和滤波功能；其主要由电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器三个功能模块组成；数据采集器为模数转换装置，用于采集模拟信号并将其转换成数字信号；主处理器为具有存储器的运算装置，用于实现采集数据的存储及后续数据处理和运算。所述的水听器选用杭州声学所生产的RHS系列球形标准水听器，型号为RHS20A；所述的数据采集器采用NI公司生产的USB4432数据采集卡；所述的主处理器采用一台便携式电脑。所述的主处理器通过数据网络与外部处理器或外部系统相连接。所述的数据采集器为多通道数据采集装置，其通过多通道预处理器连接多个水听器，多个水听器在PCCP管道内部以一定间距布放，构成水听器组。本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统实现了对PCCP管道内声信号的采集、处理和特征识别，在对现场实验数据进行处理的过程中，主要采用了小波变换进行声信号特征提取，并且用支持向量机进行声信号的特征识别，通过现场实验和数据分析，该系统对断丝信号的识别度准确度可达98.33％。附图说明图1为本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统的组成示意图。图2为本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统所采用的数据分析方法的流程图。图3为充水管道中主要的四种声信号的时域波形图。图4为120个样本特征散点图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统进行详细说明。如图1所示，本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统包括：水听器1、预处理器2、数据采集器3和主处理器4；其中：水听器1依次通过预处理器2和数据采集器3与主处理器4相连接；水听器1为通过PCCP管道5的接口处的法兰固定安装在PCCP管道5中，用于采集管道中的声信号；预处理器2为模拟信号调理电路，用于实现电荷转电压、信号放大和滤波功能；其主要由电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器三个功能模块组成；数据采集器3为模数转换装置，用于采集模拟信号并将其转换成数字信号；主处理器4为具有存储器的运算装置，用于实现采集数据的存储及后续数据处理和运算。本系统主要通过水听器1来对声信号进行检测，一般声信号的频率范围为0-20KHZ，因此在选用水听器1时需要考虑到声信号的频率范围，本系统中，所述的水听器1选用杭州声学所生产的RHS系列球形标准水听器，型号为RHS20A；所述的数据采集器3采用NI公司生产的USB4432数据采集卡，其最大采样速率为102.4kS/s，在实际测量过程中，声信号的频率范围为0-20KHZ，因为最低采样率应为40K，USB4431数据采集卡能够满足此采样率的要求，在实际采样过程中，使用的采样率为44K。所述的主处理器4采用一台便携式电脑。所述的主处理器4通过数据网络与外部处理器或外部系统相连接。所述的数据采集器3为多通道数据采集装置，其通过多通道预处理器2连接多个水听器1，多个水听器1在PCCP管道5内部以一定间距布放，构成水听器组，其可以更好地实现对PCCP管断丝声信号的接收和预警。如图2所示，本技术提供的基于PCCP管道声信号的现场试验系统所采用的数据分析方法包括按顺序执行的下列步骤：步骤1)接收突发型声信号的S01阶段：主处理器4通过数据采集器3采集水听器1所接收的声信号，并从中提取突发型声信号作为输入数据；步骤2)数据预处理的S02阶段：对上述输入数据进行滤波和降噪处理；步骤3)小波特征提取的S03阶段：通过小波分解，提取信号在不同频率段的能量作为其特征向量，形成样本；步骤4)支持向量机(SVM)最优参数选择的S04阶段：选择最优的支持向量机模型参数；步骤5)SVM分类的S05阶段：利用支持向量机模型对上述输入数据样本进行分类；步骤6)判断是否为断丝信号的S06阶段：根据分类的结果判断输入数据样本是否属于断丝信号的类型，如果判断结果为“是”，则下一步进入S07阶段，否则进入下一步S08阶段；步骤7)系统发出预警信号的S07阶段：系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于PCCP管道声信号的现场试验系统，其特征在于：所述的基于PCCP管道声信号的现场试验系统包括：水听器(1)、预处理器(2)、数据采集器(3)和主处理器(4)；其中：水听器(1)依次通过预处理器(2)和数据采集器(3)与主处理器(4)相连接；水听器(1)为通过PCCP管道(5)接口处的法兰固定安装在PCCP管道(5)中，用于采集管道中声信号的装置；预处理器(2)为模拟信号调理电路，用于实现电荷转电压、信号放大和滤波功能；其主要由电荷放大器、信号放大电路和带通滤波器三个功能模块组成；数据采集器(3)为模数转换装置，用于采集模拟信号并将其转换成数字信号；主处理器(4)为具有存储器的运算装置，用于实现采集数据的存储及后续数据处理和运算。

【技术特征摘要】
1.一种基于PCCP管道声信号的现场试验系统，其特征在于：所述的基
于PCCP管道声信号的现场试验系统包括：
水听器(1)、预处理器(2)、数据采集器(3)和主处理器(4)；其
中：水听器(1)依次通过预处理器(2)和数据采集器(3)与主处理器(4)
相连接；水听器(1)为通过PCCP管道(5)接口处的法兰固定安装在PCCP
管道(5)中，用于采集管道中声信号的装置；预处理器(2)为模拟信号调
理电路，用于实现电荷转电压、信号放大和滤波功能；其主要由电荷放大器、
信号放大电路和带通滤波器三个功能模块组成；数据采集器(3)为模数转
换装置，用于采集模拟信号并将其转换成数字信号；主处理器(4)为具有
存储器的运算装置，用于实现采集数据的存储及后续数据处理和运算。

【专利技术属性】
技术研发人员：曾周末，李一博，张园，张玉祥，刘圆圆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12