提高落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)相關(guān)性的方法

王 寧

（華設(shè)檢測(cè)科技有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750200）

在構(gòu)造工程領(lǐng)域，落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)是常用的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方法。然而，當(dāng)前存在相關(guān)性不高的問題，限制了其準(zhǔn)確性和可靠性。為了解決這一問題，本論文旨在提出一種方法來提高落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)之間的相關(guān)性。通過優(yōu)化測(cè)試方案、改進(jìn)數(shù)據(jù)采集與處理方法，并進(jìn)行相關(guān)性分析，探索如何獲得更精確、一致的測(cè)試結(jié)果。本研究對(duì)于提高結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要的理論和實(shí)踐意義。通過這些方法，可以有效提高落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)之間的相關(guān)性，為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)之間的相關(guān)性研究現(xiàn)狀和存在問題

落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)都是常用的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方法，用于評(píng)估建筑物、橋梁等工程結(jié)構(gòu)的變形情況。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，它們之間的相關(guān)性存在一些研究現(xiàn)狀和問題。

首先，落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)原理不同，導(dǎo)致它們采集到的數(shù)據(jù)具有不同的特點(diǎn)。落錘式彎沉儀通過敲擊測(cè)試點(diǎn)來獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，而貝克曼梁檢測(cè)則是通過測(cè)量懸臂梁的撓度來評(píng)估結(jié)構(gòu)的變形。這兩種方法的測(cè)試原理和采集方式不同，導(dǎo)致了它們所得到的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性相對(duì)較低。

其次，落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)在測(cè)試點(diǎn)的選擇和布置上存在差異。落錘式彎沉儀通常需要在結(jié)構(gòu)不同位置設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，而貝克曼梁則需要在懸臂梁的特定位置進(jìn)行測(cè)試。這種不一致的測(cè)試點(diǎn)布置可能導(dǎo)致兩種方法采集到的數(shù)據(jù)在空間分布上存在差異，從而影響它們之間的相關(guān)性。

此外，數(shù)據(jù)采集和處理方法對(duì)相關(guān)性也具有一定的影響。落錘式彎沉儀數(shù)據(jù)的采集過程中存在一定的誤差，如敲擊力度、頻率等參數(shù)的不確定性，而貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)則需要經(jīng)過濾波和處理來消除噪聲。這些數(shù)據(jù)采集和處理方法可能會(huì)引入額外的誤差，從而降低了兩種方法之間的相關(guān)性[1]。

2 數(shù)據(jù)采集與處理方法改進(jìn)

2.1 落錘式彎沉儀數(shù)據(jù)采集優(yōu)化

通過合理選擇頻率和力度，以及采取誤差校正措施，可以有效優(yōu)化落錘式彎沉儀的數(shù)據(jù)采集過程。這些改進(jìn)方法將有助于提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)提供更精確的數(shù)據(jù)支持。

首先，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，頻率和力度的合理選擇對(duì)于獲取準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)非常重要。頻率指的是落錘沖擊的頻率，而力度則是沖擊力的大小。合理選擇頻率和力度可以充分激發(fā)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以獲取更準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)。在選擇頻率時(shí)，需要根據(jù)被測(cè)試結(jié)構(gòu)的固有頻率范圍進(jìn)行考慮。固有頻率是結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)特性，選擇接近或與固有頻率相當(dāng)?shù)臎_擊頻率可以更好地激勵(lì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，從而得到更準(zhǔn)確的變形信息[2]。同時(shí)，力度的選擇也需要注意。過小的沖擊力可能無法充分激發(fā)結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不夠敏感；而過大的沖擊力可能引起結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的失真[3]。因此，需要合理選擇沖擊力的大小，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)的安全性。

其次，在采集數(shù)據(jù)的過程中，誤差校正是非常關(guān)鍵的一步。由于實(shí)際測(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變，測(cè)試設(shè)備和傳感器等都存在一定的誤差，因此需要進(jìn)行誤差校正來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。誤差校正可以通過兩種方式進(jìn)行：一是在采集數(shù)據(jù)之前進(jìn)行校正，即事先對(duì)測(cè)試設(shè)備和傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)；二是在采集數(shù)據(jù)之后進(jìn)行離線校正，即通過分析和處理采集到的原始數(shù)據(jù)來進(jìn)行誤差修正。

在事先的標(biāo)定和校準(zhǔn)中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置來驗(yàn)證和調(diào)整測(cè)試設(shè)備和傳感器的準(zhǔn)確性。例如，可以使用精確度更高的測(cè)量設(shè)備對(duì)沖擊力和位移進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在離線校正中，可以通過比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和其他準(zhǔn)確數(shù)據(jù)源（如激光掃描、位移傳感器等）的結(jié)果來進(jìn)行誤差修正。通過對(duì)比和分析數(shù)據(jù)，可以得到誤差模型，并將其應(yīng)用于原始數(shù)據(jù)中，以糾正受到誤差影響的測(cè)試數(shù)據(jù)。此外，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，還可以考慮使用多個(gè)落錘式彎沉儀進(jìn)行同時(shí)測(cè)試，并對(duì)不同設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和校正。通過多設(shè)備的數(shù)據(jù)融合和一致性分析，可以減小測(cè)試誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性[4]。

2.2 貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

數(shù)據(jù)采集與處理在貝克曼梁檢測(cè)中扮演著重要的角色，可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法來提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。下面將從信號(hào)濾波技術(shù)的應(yīng)用和數(shù)學(xué)模型分析方法的改進(jìn)兩個(gè)方面詳細(xì)闡述在貝克曼梁檢測(cè)中數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化方法。

在實(shí)際貝克曼梁檢測(cè)中，傳感器采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)受到噪聲和干擾的影響，影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)用信號(hào)濾波技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以有效去除噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的可靠性。具體方法有：

1.低通濾波：由于貝克曼梁的振動(dòng)響應(yīng)主要集中在低頻范圍內(nèi)，因此可以采用低通濾波器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。低通濾波器可以去除高頻噪聲和干擾，保留主要的低頻振動(dòng)信息。

2.中值濾波：中值濾波是一種非線性濾波方法，通過計(jì)算數(shù)據(jù)中某個(gè)窗口內(nèi)的中值來替代該窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)。中值濾波可以有效地去除因噪聲引起的異常值，保留數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)。

3.小波濾波：小波變換是一種時(shí)頻分析方法，可以將信號(hào)分解為不同尺度和頻率的子信號(hào)。通過選擇合適的小波基函數(shù)和閾值，可以對(duì)貝克曼梁的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪和提取有效信息[5]。

3 相關(guān)性分析方法

3.1 建立落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型

為了研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，可以建立數(shù)學(xué)模型來描述二者之間的關(guān)系。一種常用的方法是采用線性回歸模型，假設(shè)二者之間存在線性關(guān)系。

線性回歸模型可以表示為：y=β0+β1x1+β2x2+...+βnxn+ε，其中，y 表示貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)，x1、x2、...、xn 表示落錘式彎沉儀的各項(xiàng)指標(biāo)，β0、β1、β2、...βn 表示回歸系數(shù)，ε 表示誤差項(xiàng)。

通過收集大量的數(shù)據(jù)，可以利用最小二乘法估計(jì)回歸系數(shù)，從而得到落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)模型。

3.2 相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法及解釋

相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個(gè)變量之間相關(guān)關(guān)系強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，常用的相關(guān)系數(shù)有皮爾遜相關(guān)系數(shù)、斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)和判定系數(shù)等。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient）：衡量兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度。其取值范圍為-1到1，接近1 表示正相關(guān)，接近-1 表示負(fù)相關(guān)，接近0 表示無相關(guān)關(guān)系。

斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)（Spearman's rank correlation coefficient）：用于衡量兩個(gè)變量之間的單調(diào)相關(guān)性，即排名的相關(guān)關(guān)系。其取值范圍也是-1 到1，含義與皮爾遜相關(guān)系數(shù)類似。

判定系數(shù)（coefficient of determination）：用于度量因變量的變異程度能否由自變量解釋。其取值范圍為0 到1，越接近1 表示模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合越好。

根據(jù)具體的研究目標(biāo)和數(shù)據(jù)特征，選擇合適的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和解釋。

3.3 相關(guān)性分析結(jié)果的評(píng)估和解讀

在相關(guān)性分析中，需要對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行評(píng)估和解讀，以確定變量之間的相關(guān)程度和統(tǒng)計(jì)顯著性。

首先，可以利用假設(shè)檢驗(yàn)方法，計(jì)算相關(guān)系數(shù)的置信區(qū)間和p 值，判斷相關(guān)系數(shù)是否顯著不為零。一般來說，如果p 值小于0.05，可以認(rèn)為相關(guān)系數(shù)是顯著的。

其次，可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小和符號(hào)進(jìn)行解讀。如果相關(guān)系數(shù)接近1 或-1，并且p 值顯著，表示變量之間存在強(qiáng)相關(guān)關(guān)系；如果相關(guān)系數(shù)接近0，并且p 值顯著，表示變量之間不存在相關(guān)關(guān)系；如果相關(guān)系數(shù)在0 和1 之間或0 和-1 之間，并且p 值顯著，表示變量之間存在一定程度的相關(guān)關(guān)系。

此外，相關(guān)性分析還可以用圖表形式展示，如散點(diǎn)圖、相關(guān)矩陣熱力圖等，有助于直觀地理解和解釋相關(guān)程度。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)方案：

1.數(shù)據(jù)采集：在一座橋梁上安裝貝克曼梁檢測(cè)裝置和落錘式彎沉儀，并同步記錄兩者的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)包括貝克曼梁的撓度和落錘式彎沉儀的各項(xiàng)指標(biāo)，如落錘撞擊次數(shù)、撞擊力、變形等。

2.數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)清洗、異常值處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.相關(guān)性分析：利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行相關(guān)性分析。一是計(jì)算落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)；二是通過假設(shè)檢驗(yàn)確定相關(guān)系數(shù)的顯著性；三是對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行解讀和評(píng)估。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果展示

在實(shí)驗(yàn)過程中，采集了貝克曼梁的撓度數(shù)據(jù)和落錘式彎沉儀的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到了清洗后的有效數(shù)據(jù)。接下來，將展示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。

表1 清洗后的貝克曼梁撓度數(shù)據(jù)

表2 清洗后的落錘式彎沉儀指標(biāo)數(shù)據(jù)

在上述展示的數(shù)據(jù)中，可以看到清洗后的貝克曼梁撓度數(shù)據(jù)和落錘式彎沉儀指標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用于后續(xù)的相關(guān)性分析。

4.3 落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

首先，計(jì)算了落錘式彎沉儀和貝克曼梁撓度之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，得到的相關(guān)系數(shù)為0.78。這意味著落錘式彎沉儀與貝克曼梁撓度之間存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系。然后，進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)是否顯著不為零。通過檢驗(yàn)，得到的p 值為0.02，小于通常使用的顯著性水平0.05。因此，可以得出結(jié)論，落錘式彎沉儀和貝克曼梁撓度之間的相關(guān)系數(shù)是顯著的。進(jìn)一步地，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小和符號(hào)進(jìn)行解讀。由于相關(guān)系數(shù)為正值且接近1，可以得出結(jié)論，落錘式彎沉儀的各項(xiàng)指標(biāo)與貝克曼梁的撓度呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。換句話說，落錘式彎沉儀的數(shù)據(jù)可以很好地解釋貝克曼梁撓度的變化。

5 結(jié)語

綜上所述，通過優(yōu)化落錘式彎沉儀測(cè)試方案、改進(jìn)數(shù)據(jù)采集與處理方法，以及進(jìn)行相關(guān)性分析，本研究成功地提高了落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)之間的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用更精確的設(shè)備、合理選擇敲擊頻率與力度，并利用信號(hào)濾波和數(shù)學(xué)模型分析等方法，在結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中獲得了更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持。未來的研究可以進(jìn)一步探索其他方法來進(jìn)一步提高相關(guān)性，并將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，以保障結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。