CN106461617B - 检测结构故障的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

本申请描述一套确定结构退化状况的检测系统，该系统包括接收声发射波的声传感器。声传感器检测到的声发射波被视为撞击。该系统包括确定状态A、状态B和状态C的分析电路。状态B的撞击活动比状态A高，速率B超过速率A f1倍。状态C的撞击活动比状态B高，速率C超过速率A f2倍。当确定存在状态C且状态C持续时间达到TM值时，警报会被激活；根据对状态C撞击次数和状态C持续时间的分析确定达到某一阈值时，警报也会被激活。

Description

检测结构故障的方法和仪器

相关申请

本申请是2008年5月3日提交的美国专利申请12/151,077的部分延续申请，该专利申请于2014年5月13日作为美国专利发布(专利号8,723,673)。美国专利申请12/151,077应视作2007年5月4日提交的美国专利申请60/927,523之延续。凡本文提及此两项美国专利申请(12/151,077和60/927,523)之处，均视为全文引用。

发明背景

发明领域

本发明涉及用于支撑结构构件的声学传感和警报装置及其安装方法。具体而言，本发明涉及一个用于持续监测基础设施结构完好性和退化程度的自我管理传感和警报系统，尤其适用于桥梁等组合式结构和地下矿井锚钉支撑顶板等集成结构。

先前技术说明

根据矿井安全与健康管理局(MSHA)的报告，美国地下煤矿每年有1,500–2,000次应报告的冒顶事故。冒顶是造成地下矿井意外死亡的主要原因，每年导致几十人死亡和数千人受伤。根据MSHA的报告，在地下矿井的所有意外死亡中，70％是冒顶造成。此类事故的平均费用在150万至350万美元之间，并且每年会造成该行业数十亿美元的产量损失以及修理和清理费用。

美国有590,000座公路桥梁。其中很多桥梁已经老旧，鉴于未发现或未充分发现的结构构件故障或老化问题，对人类生命构成灾难性的危险。目前评估桥梁结构完好性的方法主要依赖仅在退化晚期才能识别损坏的视觉检查。

请参阅图1(a)，顶板锚钉100通常间距为四英尺，以便构成地下矿井支撑顶。如图1(b)所示，顶板锚钉100固定在顶板105上，在锚钉周围使用可凝树脂110，拧紧后将顶板105的不同地层115a、115b固定在一起。使用膨胀式机械锚杆进行固定的做法较不常见。在这两种情况下，均通过拧紧锚钉头，使之穿过矿井顶板105与锚钉头125之间的固定板120与矿井顶板紧密对接，将拉伸负荷传递到每一个锚钉头上，提供支撑。

有数种采用先前技术的方法被用于研究和加强横梁强度和增进顶板支撑。但是，如图1(c)所示，随着采矿作业持续进行，地层115可能开始分离，并对锚钉产生拉伸负荷。该地层的一个层面也可能横向移动，对锚钉产生剪应力。这些力量可能导致三种不同的状况，造成冒顶：(1)锚钉固定点可能不牢固，造成锚钉松滑脱位；(2)锚钉可能失去作用，最终断裂；以及(3)顶板可能在用锚钉固定的层面上方破裂或分离，在专业技术中称为顶板切落。据统计，在某一特定矿井发生冒顶的概率为每年2.5次。

过去预测冒顶的努力尚未产生可行的结果。多种基于锚钉载荷、张力或应变测量的先前技术均针对材料中的应力与应变关系。一般而言，在图2中，当锚钉承载或承受应力时(即承受覆盖层130(通常为矿井通道上方的黏土、岩石、煤或沙)重量的张力)，锚钉会变形(即拉长)。如图2所示，当达到临界应力和对应的应变时，锚钉则进入屈服区，此后就会断裂。一种先前技术方法是测量应力或应变，从而检测到即将发生的锚钉断裂。现场经验显示，此类方法不可靠。有时这些方法预测锚钉会断裂，但却未断裂；另一些时候预测锚钉不会断裂，但锚钉却断裂。

此种预测锚钉断裂失败的原因是被监测的变量所固有的。并非所有标称相同的锚钉(即相同型号的锚钉)实际上都相同。在制造特定批次锚钉时使用的材料并不完全相同。不同的锚钉会有差异。制造尺寸公差加剧了这些差异和不可预测性。因此，事实上，某一特定型号锚钉的应力与应变曲线显示如图2中A区所示的分布。此外，某一特定锚钉的应力与应变曲线由于曾经承受的应力不同也会出现差异。例如，在矿井顶板中，如果锚钉长期逐渐承受压力，其曲线会与在相同阶段承受阵发性压力的曲线不同，也有别于在不同时段承受相同应力的曲线。

大多数先前技术侧重于测量锚钉的负荷、应变或张力，几种先前技术包括通过测量装置生成信号，使信号在锚钉内传播，随后检测信号的长期变化，例如1979年4月17日发布的Spengler等人的美国专利(专利号4,149,446)；1978年9月19日发布的Popenoe的美国专利(专利号4,114,428)；1982年3月9日发布的Choi的美国专利(专利号4,318,302)和1993年4月27日发布的Kibblewhite的美国专利(专利号5,205,176)。此外，锚钉对外加应力产生的应变沿锚钉的不同部位会有差异。当锚钉的一个部位的应变仍然处于安全区时，锚钉的另一个部位的应变可能已经达到屈服点。在一只锚钉上安装多台应变传感器会使系统价格十分昂贵，沿锚钉的每个部位测量应变则完全不切实际。此外，应变数据不一定能够提供所需的信息。剪切负荷也会对矿井顶板支撑锚钉故障产生很大的影响，在使用测压元件、压敏盘或应变计的负荷或应变测量方法中根本没有考虑到剪切负荷。

预测冒顶的另一种方法是测量顶板下沉，即使用变形测定器确定挖掘区周围的土壤或岩石的移动程度、位置和速率。在采矿业，这种方法被广泛用于采集支撑设计信息，并构成安全监测系统的基础。变形测定器安装在钻孔内。在采矿业，钻孔直径越小，其成本就越低。最简单的变形测定器采用不锈钢弹簧基准锚头，锚头上用不锈钢丝连接一个可在孔口看到的导管指示器。通过指示器上的彩色反光带显示移动状况，随着移动的进展，彩色反光带逐渐被覆盖。在采矿业，此类简单的变形测定器被称为“直观显示器”，因为它能够以直观方式显示顶板移动状况。需要安装大量此类装置才能覆盖整个矿井。全国职业安全与健康研究所(NIOSH)开发了一种顶板监测安全系统，用于测量开阔式顶板(例如房柱式石矿)的移动状况。NIOSH承认该系统对预测冒顶不适用。

现场使用显示，依赖直观显示装置进行预测的方法不可靠。曾出现装置未事先发出预警冒顶的情况；有时装置发出即将冒顶的警示，但顶板却始终未坍塌。依赖直观显示的方法未能预测冒顶的根本原因在于测量的数量，即顶板下沉。该仪器测量某一特定位置的顶板相对于某一参考点的下沉程度。参考点在仪器的固定位置，所基于的假设是该位置不会变化(一个不可靠的假设)。此外，该仪器并不测量地层或将地层固定在一起的结构的实际减弱程度。

矿井顶板下沉会产生纵向和横向压力，对顶板锚钉产生轴向力和剪切力。拉伸力和剪切力结合在一起有时足以造成锚钉断裂。锚钉是否断裂取决于锚钉的材料、结构和尺寸、固定树脂、周围岩石质量以及锚钉轴之间的角度和地层之间的边界方向。直观显示器的测量没有考虑或评估任何一个此类因素。因此，顶板下沉程度不能说明顶板结构的状况，该仪器不能可靠地预测冒顶。虽然地层可能移动，支撑地层的固定锚钉结构可能仍然完全能够将地层固定在一起。反之，尽管顶板下沉程度可能相对较小，但特定地层之间的分离可能已经达到临界值，或者将顶板固定在一起的锚钉结构可能已经减弱到临界水平。

其他先前技术检测方法系基于微震发射研究，此项研究在矿井顶板区配置地震检波器。地震检波器频率上限在4.5-14Hz之间。由于高频压力或声波的严重衰减，无法检测到大范围的数百或数千千赫的高频。此类系统要求在矿井钻孔内安装地震检波器，并随着采矿的进展移动或在新钻孔内加装地震检波器。在该系统中，为了确定是否立即会发生冒顶以及冒顶的位置，需要综合四个计算参数，并由操作人员进行解释。迄今为止，此类地震仪研究均无法可靠地预测冒顶。与此种方法相关的两个问题是无法检测到高频和位置确定取决于在不同方向的声波传播速度。这些速度无法可靠地预测，因为速度取决于岩层的非同质结构。

总之，先前技术缺乏预测地下矿井即将发生的冒顶或刚性支撑结构(例如桥梁)的其他结构故障以便及时采取主动措施预防故障和相关受伤的能力。需要有一种能够发现警报状态以便及时采取主动措施预防故障的系统。

发明总结

本文披露的系统将传感器放置在特定基础设施的战略性位置，当结构达到需要采取主动措施预防基础设施坍塌的减弱结构状态时发出提醒警报。该系统可应用于地下矿井顶板和公路桥梁以及其他结构。例如，在地下矿井中，最好在每一个目标顶板锚钉头上安放一台传感器，但也可以在更少数量的顶板锚钉头上安放传感器。当基础设施或构件减弱达到临界水平时，会激活警报，例如声响警报器、视觉指示或通讯警告(例如寻呼或计算机警示)。这可以通过直接电气连接完成，由发射器传播的电子信号或通过通信网络(例如互联网)向维护办公室显示器发送警报信号。另一种方法是将警报状态储存在存储器内，根据要求由一台接收装置(例如被动射频识别(RFID)系统)从存储器中提取。对于掌握先前技术的人显然可采用任何传统的警告或通知系统。

在该系统中优先采用的传感器对来自目标金属材料、固定树脂或覆盖层(即周边基质)的声发射或声发射压力波作出反应，而声发射或声发射压力波通过作为声波导体的目标金属材料传播。传统的声发射传感器通常用压电晶体制造，购买和运营成本昂贵。目前的系统优先选择使用用压电膜制造的、费用低得多的传感器。

可在桥梁上放置传感器，通过预埋锚钉或钢缆检测声发射。例如，信号可能由微型发射器向安装在桥梁上的中央收发器发送，中央收发器可通过通信网络(例如互联网)向维护办公室或其他监测站的计算机发送信号。为了达到低成本高效益，传感器和相关电子装置可用太阳能电池供电。

当金属、混凝土或岩石等材料承受压力时，发射的声波通常在几十千赫和几兆赫之间的频率范围内。这些压力波来自原子错位和微裂纹以及演变为宏裂纹的裂纹。可用选择和组合可预测参数(例如振幅、频率、功率、延续时间和发生率)来确定这些压力波的特征和识别压力波。当材料接近临界区(例如屈服点)时，声发射发生率会大幅升高。

很多基础设施包含嵌入其他材料中的金属。如上所述，矿工通常在四英尺见方的区域安装长度在五英尺至二十英尺之间的顶板锚钉。在预应力混凝土公路桥上，会在混凝土内嵌入钢筋和钢缆。

本文披露的系统的一种实施方案应用于将多层矿井顶板固定在一起的顶板锚钉。连接在顶板锚钉上的传感器可检测来自锚钉、树脂或锚钉周围和上方覆盖层的声发射。当达到结构缺陷临界水平时，传感器模块会激活警报状态。如同本申请中所述，传感器检测到的视为重要事件的声波称为撞击。当撞击率大幅升高时——最好超过预设阈值参数(例如增加八倍)——则确定达到事件临界水平或警报状态。此种速率变化表示锚钉、周边锚固区或覆盖层已经达到临界退化点。传感器将压力波转换成由电子电路处理的电压。在首选实施方案中，代表压力波或撞击的电压波形是包络检波，每个特定时间间隔的包络数目被记录，并计算传感器输出值。该数值最好是特定时间间隔测量或检测的撞击次数和存储器中输入的基线参考值之间的比率。基线参考值是在锚钉最初安装时预设时段采集的平均值。如果检测到任何此类状况，撞击率就会增加，超过预设阈值的速率，并确定存在警报状态。

警报指示器可以是视觉指示器，例如带开关的发光二极管(LED)或发出警告信号的射频发射器。事实上，可根据与警报指示器相关的变化规律定义需要立即采取措施的情况。例如，一个亮起的LED可能不值得关注，因为顶板重量可能由临近的锚钉支撑。与此类似，相隔几个LED的两个亮起的LED可能也不值得关注。但是，三个相邻的亮起的LED可能要求立即采取措施预防冒顶。

当使用射频发射器时，射频发射器可与矿井通信网络通讯，例如将信号发送到地下或地面维护人员办公室，并在视频终端显示变化规律。包括各种参数预设阈值的算法允许计算机自动决定是否需要立即采取措施。

该系统的一些显著特征是：(1)基础设施减弱区域的位置不是通过三角测量技术和人员判断来决定，而是直接通过LED或视频监视器指示的传感器位置来决定；(2)基础设施减弱不是用可能错过警报状态或造成错误警报的“典型”或“平均”值来测量，而是采用自我参照测量的方法；并且(3)与传统传感器相比，膜传感器费用很低。

如果审视此项发明的目前首选实施方案和随附的图示，就能更全面地理解新发明的上述和其他优势和特征。

图示简要说明

图1A是先前技术地下矿井顶板锚钉布局平面示意图。

图1B是沿I(b)-I(b)线条拍摄的图1A顶板锚钉剖视图。

图1C是先前技术受力时顶板锚钉剖视图。

图2是先前技术顶板锚钉应力/应变曲线示意图。

图3A和图3B是配备本发明传感器的顶板锚钉顶视图和侧视图。

图4是本发明的一种实施方案电子电路示意图。

图5是说明本发明电子电路逻辑第一种实施方案决策树的示意图。

图6是说明本发明电子电路逻辑第二种实施方案决策树的示意图。

图7是长期传感器输出计算曲线图。

图8是检测到状态A、然后状态B、随后第二个状态A的系统累积声发射撞击与时间曲线图。

图9是检测到状态A、然后状态B、状态C、随后第二个状态B的系统累积声发射撞击与时间曲线图。

首选实施方案详细描述

现在请查看图3A、图3B和图4，系统47的一种实施方案显示传感器装置135连接在顶板锚钉100的锚钉头125上。传感器装置135可能仅包括声发射传感器1，以及与系统的其余部分进行无线通信的发射器(未显示)、与系统的其余部分进行有线电子通信的传感器导线20，亦可能包括一个独立外罩中的整个系统。声发射传感器1可用一只压电膜传感器(例如Measurement Specialties,Inc.制造的LDTO-028K/L传感器)制作。

现在请查看图4，传感器1通过传感器线路20将输出信号发送至缓冲放大器2。因为传感器有高输出阻抗，最好有缓冲阶段。缓冲输出使信号不太容易受噪音影响。缓冲后的信号通过线路21传输至放大器3。来自放大器3的输出信号通过线路22传输至放大器4，信号在此进一步放大。然后通过线路26将信号发送至自动增益控制放大器6。通过线路24和线路25进入自动增益控制(AGC)放大器6的增益输入信号用于控制增益。AGC放大器6的增益输入信号140通过线路39和线路40从微处理器传输至场效应晶体管(FET)增益调整电路5。如下所述，微处理器11根据通过线路31检测到的来自包络检波器电路7的包络振幅调整AGC放大器6的增益。包络检波器电路7包括半波整流器8、缓冲器和低通滤波器9以及直流电平位移器10。来自FET增益调整电路5的输出通过线路26输入放大器6。AGC放大器6通过线路28将输出信号发送至缓冲器，并通过线路29将输出信号发送至低通滤波器9。缓冲器和低通滤波器9通过线路30将输出信号发送至直流电平位移器10。使用直流电平位移器以便只有在包络检波器电路7输出信号超过某一阈值(例如0.2伏)时微处理器才会读取包络检波器电路7输出。此项要求是为了避免将噪音错误地视为信号。在进入直流电平位移器10之前，因为使用单电池电源，信号有相当于电池电压一半的偏移。电平位移器10将阈值水平调整到理想的数值。

AGC放大器6也通过线路32将其输出信号发送至缓冲放大器12。来自缓冲放大器12的输出通过线路33进入过零检测器13。来自AGC放大器6的输出信号的每一个过零都会通过线路34触发施密特触发缓冲器。施密特触发缓冲器14通过线路35与数字计数器15连接，使数字计数器15记录来自AGC放大器6输出的信号过零数目。数字计数器15的计数通过线路36传输至微处理器11。当数字计数器15达到预定值时，会通过线路37从微处理器11输出信号，重设数字计数器15。

如上所述，传感器1的信号波形输出可从微处理器11中的包络和过零信息完全复制。请参阅以下图5及其相关说明，了解如何使用此类信息。

为了保持电池能量，系统有时可能被设为非激活或睡眠模式(定义见下文)。这是由微处理器11通过与非激活模式开关17连接的线路41来控制的。当非激活模式开关17关闭时，会将电池电压共集电极电压(VCC)用作向系统47供应的电源电压峰间电压(VPP)。电池18的正极和负极分别通过线路44和线路45与电池电源启动电路19连接。这将防止当系统47不在使用时电池18过度放电。当系统47准备就绪可供使用时，电池电源启动电路19会被启动。当电池电源启动电路19被启动时，会通过线路46将电池18输出电压应用于系统47。

在操作中，微处理器11接收来自声传感器1的信号信息。接收的信息包括声频信号包络，该信号通常在600μs至2ms范围和声频信号越限内。微处理器11根据该信息确定何时达到警报状态(将在图5中进一步阐述)。此外，微处理器11还执行电源管理功能，以便达到最长电池使用寿命。系统47大多数时间将被设为非激活模式。取决于在上一个激活模式中检测到的声发射活动，系统47会定期恢复功能、读取读数、确定是否存在警报状态以及在适当时返回睡眠模式(将在以下图5和图6中阐述)。系统47可能包括不改变其主要功能的替代实施方案。例如，可用一台放大器取代缓冲放大器2、3和4。为了获取高增益和宽频带，最好使用三台放大器。用一台放大器获得相同的性能价格会更昂贵，并会使用更多的能源，更快地造成电池耗竭。在另一个范例中，可使用微处理器11中的过零计数分离输出信号，例如将300kHz信号与700kHz信号分离。可在向包络检波器电路7输入之前，通过平行插入两个带通滤波器获得类似的信息。可利用带通滤波器降低必须处理的电磁信息量。例如，可应用第一台或100kHz与300kHz之间的低频范围带通滤波器和第二台或350kHz与700kHz之间的高频范围带通滤波器，过滤来自传感器输出的电压。来自两种频率范围的输出信号均表示声发射来自锚钉本身。仅来自低频范围的输出信号表示因固定树脂已变质到临界水平或覆盖层破裂已达到临界水平而造成锚固减弱。

可依照经由软件显示和微处理器11执行的程序采用几种不同的实施方案。

图5显示首选方法。当系统47的电源最初开启时，微处理器11的变量和默认值会启动，包括设定DELTA T1、DELTA T和阈值变量F的数值。在检测到声发射撞击计数前，会留出时段DELTA T1，以便接受监测的系统做好准备。例如，在矿井顶板实施方案中，当顶板锚钉最初安装在顶板上时，顶板锚钉和树脂结构需要一段时间在岩层上固定，从而造成该过渡阶段独特的声发射信号。在时段DELTA T1之后，会记录时间间隔DELTA T期间的撞击次数，并将该数目作为变量REF 1储存在存储器中。这就为所有进一步测量建立了基线参考值。在矿井顶板实施方案中，会为顶板结构中的每一个特定锚钉建立基线参考值。计数器会重设，记录每一个时段DELTA T的新撞击次数。如图7所示，会将每一个时段DELTA T的计数与数值REF 1进行比较，创建传感器输出值曲线，该曲线可能反映率比、频率测量或在本申请中其他部分提到的其他计算值。图7是撞击值与时间对照曲线图，特别说明锚钉在承受越来越强的应力时的状况。曲线在点a和点b之间的倾斜度出现了明显的变化，该范围内测量的撞击次数与基线值的比率超过阈值8(该阈值设为REF 1)。如果计数低于REF 1值八倍(首选倍数)，计数器则重设，然后开始新撞击计数。如果计数超过REF 1值八倍或以上，则确定存在警报状态，将警报信号传输给用户，通过线路38向警报/发射器16发出警报信号(如图4所示)。这可能通过视觉指示器(例如闪光LED)来完成。另一种方法是，装置可能通过掌握此项技术的人所熟悉的发射器将警报信号传输至远程地点，在该远程地点以音响或显示方式发出警报。当受监测的物体达到极高的减弱程度时，则会被确定为警报状态，并生成警报信号。在顶板锚钉范例中，则表示已经达到材料屈服点。

在本范例中，通过将在固定时间间隔内记录的撞击次数与参考值进行比较来确定警报状态。另一种确定警报状态的方法是采用累积撞击次数的导数。在安全状态下，累积撞击曲线的倾斜度是接近直坡的图形。当达到材料屈服区时，倾斜度会极大增加，并很快达到一个新的、更高的接近直坡的图形。微处理器11可以这样计算累积撞击次数导数，并在导数增加时(例如五倍)确定存在警报水平。为了避免倾斜度微小波动造成的错误，可计算短期内的导数平均值。

在另一个可供选择的实施方案中，可对每一次撞击的信号频率进行监测。例如，从600kHz高频量转变为300kHz低频量则表示锚钉周边的锚固区或地层已经减弱到可确定存在警报状态的程度。可通过在系统47中插入两台带通滤波器或如上所述通过监测微处理器11的越限来完成这一任务。另一种方法是对撞击率和声发射频率进行监测，并在这两种测量值之一显示已经达到危险区时利用OR功能确定警报状态。

图6显示一种节能模式实施方案。系统47仅在某些读取读数的时间间隔完全通电。为了防止错过重要事件，非激活时段长度可调节，并根据最后读取读数时采集的数值变化。当读数显示的结果较好时，非激活时段被设为较长的间隔。当读数显示检测的数据输入或信号高度变化时，非激活时段被设为较短的间隔。图6的流程图显示的程序包括第二种节能性能。在这种程序中，警报信号被终断，而不是在检测到警报状态后不断传输警报信号(例如LED闪光)。在一个或几个预设周期后，定时器被设为频繁唤醒。在下面这个周期中，当决策框显示“是否已触发警报”时，输出将是“是”，警报信号(例如LED闪光)被再次触发，系统返回到非激活模式，并返回“监视器定时器”方框。在警报激活一次后，周期路径会比显示警报状态之前的周期路径短得多，从而节省更多的能量。

图6显示的实施方案的另一个特征是方框“处理数据和查看声发射类型特征”。该程序使用信号包络和越限信息，并与以前的读取结果进行比较，它将确定信号是否的确是由声发射造成。如果环境噪音很大，这个步骤特别有帮助。掌握此项技术的人能够便利地增加特征，例如电池电量不足指示器和显示该系统状态的某些LED闪光模式。

部分延续专利申请中增加的信息

基础设施105(例如地下矿井顶板、公路桥或其他结构)会不时出现结构变化。此类结构变化会造成从发生变化的位置向各个方向放射的压力波。如上所述，这种现象称为声发射事件(AE事件)，当声发射传感器检测到声发射事件时，则可称为声发射撞击。可根据每个单位时间在基础设施105中发生的声发射撞击率评估基础设施105的稳定性。基础设施105在不同阶段的稳定性可用声发射撞击率来定义。

当基础设施105经受的声发射撞击次数接近恒定时，则可能存在称为状态A200的稳定期，因而表示正常、稳定的活动。该状态A 200亦可能代表锚钉100和周围地层115a、115b中的声发射撞击率。状态A 200可能是声发射传感器1检测到正常背景发射的声活动期，也可能是系统47的学习期，在该学习期声发射传感器1建立特定基础设施105在正常稳定背景下的声发射撞击率。状态A 200可能是在锚钉100安装后允许系统稳定下来的DELTAT1时段(见上文)之后的DELTA T时段。状态A 200可能在定义为速率A的每个特定时间间隔内有多次撞击。速率A在同一个基础设施105的不同位置可能会不同，在不同的场址也可能不同。

在图8中，用y轴表示特定基础设施105的声发射撞击累积次数，用x轴表示时间。根据该图，基础设施105从时间0秒到时间1000秒处于状态A 200。状态A 200的特征是速率A有相对较小的斜率S1，且该斜率处于稳定状态。该线条可以是实际线条，或者是由穿过不同数据点的插入值或平均值构成的线条。速率A可能是检测系统47登记的背景速率，或者代表基础设施105和锚钉100及其周围地层115a、115b的稳定状态。可由系统47的分析电路从声发射传感器1采集数据，或者由系统47的检测电路从声发射传感器1采集信号，并将该数据传输至分析电路，以便分析电路确定基础设施105处于状态A 200。在一个示范实施方案中，斜率S1可能是2，速率A可能是每秒2次撞击。在其他示范实施方案中，速率A可能是其他速率，例如每秒2.5次撞击、每秒3次撞击、每秒3.5次撞击、每秒0-4次撞击、或者最多每秒5次撞击。

地层115a、115b或基础设施105其他部分的变化可能造成声发射撞击率上升，超过速率A或为状态A 200定义的速率A范围。分析电路此时则会将基础设施105确定为处于状态B 202。声发射活动速率上升可能表示基础设施105正在变得更加不稳定，因此系统47可能向用户发出不稳定状态警示。当特定时间间隔内的声发射事件数目增加f1倍时(可能相对于状态A 200的速率A位于fL和fH范围内)，系统47可能确定存在状态B 202。例如，在一种实施方案中，fL是3，fH是6。因此，f1可能位于高于速率A的3-6范围内。在另一些方案中，fL可能是4，fH可能是9，因此f1在4-9范围内。在图8中，系统47确定在1000秒至1250秒之间存在状态B 202。在该时段的累积撞击次数为2000，速率f1是8。如果系统47设置为fL至fH范围是4-9，当速率f1为8时，系统47将基础设施105确定为处于状态B 202。

处于状态B 202的线条斜率为S2，该斜率高于处于状态A 200的斜率S1。

处于状态B 202的线条可能是在相等时间跨度(此处为1000秒至1250秒)的实际测量值，亦可能通过插值法之类的数学程序形成。可沿着曲线的所有时间以相同的方法生成线条，或者按照其他示范实施方案采用不同的线条生成方法。当确定存在状态B 202时，为了警告操作员基础设施105正在出现超常不稳定状态，可生成视觉和/或声音警示。该较高的不稳定状态可能通过地球或基础设施105内部的正常程序返回到较低的声发射撞击率而稳定下来。如果在状态B 202时向操作员发出警告，则可能为时过早，甚至不适当，因为基础设施105尚未面临坍塌或其他故障的危险。

图8显示了此种情形，系统在1250秒时退出状态B 202，系统47开始检测到来自基础设施105或锚钉100或其周围地层115a、115b的较低声发射撞击率。系统47在该时间点开始确定回归状态A 200，线条斜率再次变成S1(S1为2)，撞击率为每秒2次。尽管该速率与以前从0到1000秒的状态A 200相同，在其他研究中也可能与该时段不同，前提是它低于区分状态A 200与状态B 202的fL阈值。随着基础设施105返回到状态A 200，不再处于状态B202，生成的警示可能被终止，不会再提醒用户注意这种较高的不稳定状态。

图9显示使用系统47对基础设施105进行第二次分析。从0至750秒，系统47确定存在状态A 200；从750至1500秒，则确定存在状态B 202。如上所述，当前确定存在状态B 202时可能发出警示。但是，基础设施105没有在出现状态B 202之后返回到状态A 200，而是进入甚至更高的声发射撞击活动状态，此种状态可称为“灾难性”状态或状态C 204。如果此种状态C 204持续，将导致基础设施105坍塌或其他故障。当声发射撞击率为f2的倍数时(大于f1，大于速率A)，则确定存在状态C 204。状态C 204中的声发射撞击率比可能是速率C，该速率大于速率A f2倍。如上所述，速率C可能大于fH。例如，如果fL-fH范围为3-6，一旦速率C大于6，系统47将确定存在状态C 204。状态C 204中的线条斜率可能是S3，该斜率大于S2和S1。

在其他示范实施方案中，fH值可能不同，fL值可能也不同。在其他方案中，fL-fH范围可能是0.5-2、1-2、2-3、2-5、3-5、4-5、5-10、1-15或3.5-10。

一旦基础设施105进入不稳定状态C 204，在状态B 202中发出的警示可能继续或停止。但是，当系统47确定存在状态C 204时，可能发出警报。如上所述，警报可能是向用户发出的更紧急通知，基础设施不稳定性比发出警示时更严重和更紧急。系统47可设为一旦检测到状态C 204立即发出警示，亦可将系统47设为在检测到状态C 204时不立即发出警示，而是根据某个进一步确定的事件发出警示。这些进一步事件可描述为系统47确定存在状态C 204后发生的警报启动事件，即不是仅仅依据确定存在状态C 204生成警报。

第一个警报启动事件可能是时间测量，即测量在最初确定存在状态C 204之后基础设施105处于状态C 204的时间。一种可能的情况是基础设施105经历的某些结构调整使其退出状态C 204，并重新进入状态B 202，甚至进入状态A 200。如果出现此种情况，则没有理由再担心基础设施105坍塌或发生其他结构故障，也没有理由再发出警报。如果发出警报，则是错误警报，会占用资源，并造成用户倾向于忽略今后的警报，因为用户会认为这些也是错误警报。一旦首先确定存在状态C204，系统47可监控状态C 204的持续时间。如图9的曲线图所示，状态C 204从1500秒开始，在2000秒终止，延续500秒。系统47可能有一个TM设定值，当达到该数值时，会激活警报。在某些实施方案中，TM为5秒。如果确定状态C 204持续5秒，则生成警报。如果状态C 204退出，系统47在达到5秒之前确定回归状态B 202或状态A200，警报则不被激活。虽然时间描述为5秒，根据不同的范例实施方案，时间TM可为10秒、15秒、20-100秒、100-500秒，最高可达到1000秒。

一旦状态C 204不再存在，基础设施105返回到状态B 202或状态A 200，测量处于状态C 204的时间的计数器可以重设。因此，如果TM是5秒，状态C 204持续2秒后退出，其后再次进入状态C 204，则需要在重新进入状态C 204后持续5秒才能发出警报。但是，可选择在这方面对系统47进行另一种配置。例如，如果TM是5秒，状态C 204在退出之前持续2秒，则重新进入状态C 204后只需持续3秒即可生成警报。

即使进入状态C 204也不生成警报的原因是有时基础设施105变得不稳定，但其部分结构在移动后进入新的稳定状态，所以不需要发出警告警报。但是，如果不稳定状态持续一段时间TM，则表示无法恢复到稳定状态，会导致坍塌。警报与警示不同，警报是通知用户存在更严重的状态。警示可一直持续到发出警报，或者在退出状态B 202后消除，在警报被激活之前不会向用户发出任何通知。但是，在大多数实施方案中，当出现状态C 204时，在发出警报之前会发出警示。警示和警报均可以是声发射撞击率次数、不同强度的声响或不同的视觉显示(例如光或颜色)。警报可以明显地与警示不同，但不一定要用程度或次数加以区别，可以直接告知用户正在发出警报或警示。

系统47可以采用其他设置方案，不使用系统在状态C 204的时间测量TM来确定是否应当发出警报。在此类其他警报启动事件中，设置阈值，系统47查看数据，确定是否达到该阈值。阈值根据在状态C 204的持续时间倍数和在状态C 204持续时间内的撞击次数决定。例如，请查看图9，状态C 204在1500-2000秒之间存在，总共持续500秒。在状态C 204开始时的累积撞击次数是2500，在状态C 204终止时的累积撞击次数是5500，在状态C 204期间的总计撞击次数为3000。

分析可确定状态C 204线条下方的面积，如果该面积等于数值A，则激活警报。如果面积小于数值A，则不激活警报。这样，警报生成系基于状态C 204的持续时间和在此期间的撞击次数。状态C 204线条下方的面积可以用两种不同方法之一进一步计算。该面积可以作为状态C 204线条下方的三角形面积206计算，该三角形的底边是与x轴平行的水平线210，该水平线起始于状态C 204开始时(1500秒)。假设数值A是1,000,000，一旦状态C 204开始，系统47则开始计算面积A。在2000秒，面积206是0.5X 500X 3000＝750,000，该数值小于1,000,000。状态C 204在2000秒终止，此时确定存在状态B 202。因为面积206未在状态C 204中达到数值A，则未生成警报。但是，如果数值A为187,500，则会在1750秒达到该数值A，此时计算的面积A 206为0.5X 250X 1500＝

187,500。一旦达到该数值A，就会生成警报。

在状态C 204中，计算第二次警报启动事件中线条下方面积的方法是：计算等于面积206的面积，再加上面积208。面积206的计算如上所述。面积208的计算是用y轴上的线条210的高度乘以x轴上的时间。在图9中，面积208是2500X 500＝1,250,000。面积206在2000秒时是750,000。因此，在状态C 204中，线条下方一直到x轴的总面积是面积206+面积208＝750,000+1,250,000＝2,000,000。如果数值A是3,000,000，系统在2000秒返回到状态B202，则尚未达到数值A，不会生成警报。如果数值A是较小的数字，则可能在1500至2000秒之间的某个时间达到面积206+208的总和，即会按照该替代方案的设置生成警报。

在该第二种方案中，当线条下方的面积达到数值A时，会生成警报。在状态C 204中，线条下方的面积可作为面积206计算，在其他范例实施方案中亦可作为面积206+208计算。如果未在状态C 204退出之前达到数值A，则不会生成警报。

这种使用面积确定是否激活警报的第二次警报启动事件的原理是基于声发射撞击振幅和该高声发射撞击率的持续时间。声发射撞击振幅越高，确定基础设施105处于不稳定临界水平和即将发生结构故障所需的状态C 204持续时间越短。

系统47可设置为在检测到首次警报启动事件时或检测到第二次警报启动事件时生成警报。可按照上述两种方法之一配置第二次警报启动事件。另外还有替代范例实施方案，在这些方案中，系统47在检测到状态C 204时监测第一次和第二次警报启动事件，并在第一次或第二次警报启动事件首次出现时激活警报。这种方案同时监测两次警报启动事件，一旦其中一次达到其警报状态，就会发出警报，即使另一次启动事件尚未达到其警报状态也会发出警报。在与上述方案都不相同的另一些方案中，必须确定发生所有警报启动事件才能发出警报。这种方案可能包括系统47确定存在状态B 202并发出警示的内容，但在发生一次或两次警报启动状态时激活状态C 204的实施方案中也可能不包括此类警示。

图8和图9中描述的线条显示为笔直的直线，从一种状态到另一种状态的转变则显示为突然变向，形成锐角。在其他方案中，线条可能不是笔直的直线，可能是锯齿状或弯曲状或各种不同的形状。已知确定曲线或不同形状线条下方面积的机制。此外，从一种状态转变为另一种状态(例如，从状态A 200转变为状态B 202)可能不是略弯的曲线或者不形成锐角的其他形状。披露的数字仅用作示范，在其他示范实施方案中，可能会有其他数字。

新披露的主题可能包括以前描述的所有构件和方案。例如，系统47可以是在矿井或其他基础设施105中近期安装的系统，也可以是后来安装的改装系统。学习背景噪音的时间延迟可能是状态A 200，但状态A 200也可能是系统47在了解背景/学习阶段之后的状态。

尽管以上描述的是目前首选的实施方案，需要明确指出的是，本发明并不仅限于此种实施方案，可能在以下权利要求范围内采用其他方案实施和使用。

Claims (16)

1.一种用于确定结构退化的检测系统，包括：

传感器，所述传感器固定于所述结构并将多个声发射波中的每一个检测为撞击；

分析电路，所述分析电路确定状态A、状态B和状态C；

所述状态A在每个特定时间间隔的撞击次数称为速率A；

所述状态B的撞击活动比所述状态A高，所述状态B在每个特定时间间隔的撞击次数称为速率B，速率B比所述速率A高出f1倍，但所述速率B不超过速率A fH倍，其中小于所述fH的fL限定所述状态A与所述状态B之间的阈值；

所述状态C的撞击活动比所述状态B高，所述状态C在每个特定时间间隔的撞击次数称为速率C，速率C比速率A高出f2倍，所述速率C大于所述fH，其中所述fH限定所述状态B与所述状态C之间的阈值；

当出现以下两者中的一者时，警报会被激活：(i)确定为所述状态C的持续时间达到设定值；以及(ii)确定为所述状态C并且已达到阈值，该阈值基于对状态C撞击次数和状态C持续时间的分析，

其中所述分析是以下中的一者：(a)在所述状态C下的累积撞击次数达到所述阈值；(b)随时间绘制检测到的所述撞击次数的线条，所述阈值被定义为面积，处于所述状态C时所述线条下方的所述面积被计算作为得出的面积，并且所述得出的面积等于所述阈值面积。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述设定值是五秒。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述速率B超过所述速率A所述f1倍，所述f1在所述fL和所述fH之间的范围内，其中所述fL为3并且所述fH为6。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述状态A是背景状态，所述速率A采集于所述声发射波，所述声发射波直接源于安装了所述传感器的多个目标金属物体及其周边区域所承受的应力；速率A采集于一个预设时段，该时段在目标金属物体安装之后和开始监控目标金属物体及其周边区域的退化状况之前。

5.如权利要求1所述的检测系统，还包括与识别声发射波的所述传感器进行电子通讯的检测电路，其中分析电路与检测电路进行电子通讯，从检测电路接收输入，撞击是被视为重要事件的声发射波，警报是与分析电路进行电子通讯的警报电路的一部分。

6.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括一套警示装置，当分析电路确定出现状态B时会激活警示，在状态B出现后立即出现状态A时，则不会激活警示。

7.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，当确定存在状态C，并在持续时间达到设定值之前确定存在状态A或状态B时，警报不会被激活；一旦退出状态C，即重设时间。

8.如权利要求1所述的检测系统，还包括固定到多个目标金属物体上的多个传感器，所述多个目标金属物体位于所述结构内，所述多个传感器中的每一个固定到所述结构中的不同位置。

9.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，阈值用数值为A的面积表示，根据对所述状态C撞击次数和所述状态C持续时间的分析得出面积；得出的面积等于0.5乘以所述状态C持续时间乘以所述状态C撞击次数；当得出的面积等于数值A时，即达到阈值，警报会被激活。

10.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述声发射波源自所述结构和紧邻所述结构的区域中的至少一个。

11.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述速率A是每秒2次撞击、每秒2.5次撞击、每秒3次撞击、每秒3.5次撞击、每秒4次撞击、以及最高每秒5次撞击中的任一者。

12.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述限定在fL与fH之间的范围是0.5-15。

13.如权利要求12所述的检测系统，其中fL是4并且fH是9。

14.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述设定值是10秒、15秒、20-100秒、100-500秒、以及最高1000秒中的任一种。

15.如权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述警报包括视觉指示和声音中的至少一种。

16.一种识别多个目标金属物体之一或其周边结构退化的方法，包括以下步骤：

将声传感器安装在目标金属物体上，接收直接从承受应力的目标金属物体内及其周边结构发射的声发射波；

将所述声发射波中的每一个检测为撞击；

分析声发射波速率，以便确定存在状态A，状态A在每个特定时间间隔内有多次声发射波撞击，称为速率A；

分析声发射波速率，以便确定存在状态B，状态B的撞击活动比状态A高，状态B在每个特定时间间隔内有多次撞击，称为速率B，速率B超过速率A f1倍，但速率B不得超过速率A fH倍，其中小于fH的fL限定状态A和状态B之间的阈值；

分析声发射波速率，以便确定存在状态C，状态C的撞击活动比状态B高，状态C在每个特定时间间隔内有多次撞击，称为速率C，速率C超过速率A f2倍，速率C大于fH，其中fH限定状态B和状态C之间的阈值；

当确定存在状态B时发出警示，当确定存在状态A时不发出警示；

一旦首次出现以下两个事件之一，则发出警报：

1–确定存在状态C，其持续时间达到设定值；以及

2-确定存在状态C，并且根据对状态C撞击次数和状态C持续时间的分析确定达到阈值，其中所述分析是以下中的一者：(a)在所述状态C下的累积撞击次数达到所述阈值；(b)随时间绘制检测到的所述撞击次数的线条，所述阈值被定义为面积，处于所述状态C时所述线条下方的所述面积被计算作为得出的面积，并且所述得出的面积等于所述阈值面积。

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