基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松动件定位方法
【专利摘要】基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松动件定位方法，在被撞击物上划分网格；安装加速度传感器；计算每个网格中心点到两两加速度传感器的距离差；采集各个加速度传感器接收到的撞击信号；采用移动平均法消除信号的低频噪声，采用Butterworth滤波器将环境背景噪声滤除；对消噪后的冲击信号进行希尔伯特变换，得到冲击信号的起振点时刻；根据网格中心点到各传感器的传播距离差和各通道之间的到达时间差计算每个网格中心点的名义传播速度；对所有网格中心点的名义传播速度进行数据筛选，计算其方差；找所有方差中最小值，并记录其中心点的坐标，将定位结果显示出来。本发明具有定位精度高，搜寻速度快的优点。
【专利说明】基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松动件定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核电站【技术领域】，具体涉及基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松 动件定位方法。 技术背景
[0002] 核电站中存在大量的螺钉、螺帽等连接件，由于高速水流的不断冲击，出现腐蚀、 折旧而松动甚至跌落，还有在系统测试、补给燃料、大修阶段从外界进入系统的金属碎片， 这都会使得系统运行的稳定性和可靠性降低，甚至影响到整个核电站的安全。松动件定位 作为松动件检测系统的重要组成部分，准确地定位松动件有利于在停堆检修时快速找到松 动件，并进行相应的修补，尽量减少维修人员暴露在核辐射下的时间，保证维修人员的安 全，对于核电站的稳定性和安全性有很大的帮助。
[0003] 现有的松动件定位相关文献有：
[0004] G. . Por, J. Kiss, I. Sorosanszky, G. . Szappanos, Development of a false alarm free advanced loose parts monitoring system(ALPS)[J],Progress in Nuclear Energy, 2003, 43 (1-4) : 243-251.一种基于信号SPRT (Sequence Probability Ratio Test, 顺序概率比测试）的时差估计方法，先用噪声的AR模型对信号进行白化，然后通过计算白 化信号的SPRT来估算信号到达时差。
[0005] Yong Beum Kim, Seon Jae Kim1Hae Dong Chung1Yong Won Park1Jin Ho Park1A Study on Technique to Estimate Impact Location of Loose Part Using Wigner-Ville Distribution [J],Progress in Nuclear Energy, 2003, 43 (1-4) : 261-266.一种基于魏格 纳-威利分布的松动件冲击位置的估计方法研究，提出了对信号进行魏格纳-威利变换，获 取时频图，进而获取松动件跌落位置。该方法准确性高，但计算量很大。每个信号的时频域 线都是不一样的，而且需要手工来绘制，不利于实现自动化。
[0006] S. Figedy, G. . Oksa, Modern methods of signal processing in the loose part monitoring system[J],Progress in Nuclear Energy, 2005, 46 (3-4) : 253-267.一种基于 小波去噪的时差估计方法，通过小波去噪，即去除噪声的影响，然后再估计时差。该方法由 于去除了噪声的影响，所以在低信噪比的情况下仍然有较好的估算效果，但是由于该方法 还是以信号的过零点作为信号到达时间，没有考虑弯曲波的复杂传播模式，所以在实际定 位时当传播距离较远时仍然存在较大误差。
[0007] Seong-Nam Jeong1Kyoung-Hang WoojEoun-Taeg Hwang, Won-HoChoi, A Study on the Estimation Method of Impact Position Using the Frequency Analysis[J], Strategic Technology. The 1st International Forum on, 2006:392-395. 一种基于频率分析的冲击位置估计方法研究，提出了一种基于频散的松动件定位方法。该 方法准确性高，稳定性也比较高，但前期需要建立起比较完善的数据库，工作量大。
【发明内容】
[0008] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] 基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松动件定位方法，包括以下步骤：
[0010] 1)根据定位精度要求，在被撞击物上划分网格，然后对划分好的网格编号1?N;
[0011] 2)在被撞击物上按等边三角形布置安装3个加速度传感器，以获取松动件跌落时 产生的撞击信号f(t);
[0012] 3)根据被撞击物的几何形状计算每个网格中心点到各两两加速度传感器的距离 差di，j;
[0013] 4)通过数据采集卡同步采集各个加速度传感器接收到的撞击信号f(t)，撞击信 号f(t)包括松动件跌落时的冲击信号s(t)和环境背景噪声n(t);
[0014] 5)采用移动平均法消除撞击信号f(t)的低频噪声，再采用8阶Butterworth滤波 器将环境背景噪声n(t)滤除，得到消除了噪声干扰的冲击信号s(t);
[0015] 6)对步骤5)中处理得到的冲击信号s(t)用希尔伯特变换进行分析，得到冲击信 号s(t)的起振点时刻；由于无法获知冲击信号s(t)跌落的时刻，只能从3个加速度传感器 的冲击信号s(t)中获得波传播的时间差，每两个通道之间的到达时间差为;
[0016] 7)根据网格中心点到各加速度传感器的传播距离差du和各通道之间的到达时 间差计算每个网格中心点的名义传播速度;
[0017] 8)计算弯曲波在结构中传播的速度上下限Vmax和Vmin ;
[0018] 9)对所有网格中心点的名义传播速度Vu进行数据筛选：判断名义传播速度Viij 是否在弯曲波传播的速度区间[V_，Vniin]内，若网格中心点的名义传播速度Vu均在速度区 间[V_，Vmin]内，则计算该网格中心点的速度的方差D(V)，否则给方差D(V)赋以一个大值；
[0019]10)搜索所有网格中心点的方差D(V)中最小值，记录其中心点的坐标；
[0020] 11)定位结果显示。
[0021] 所述的步骤3)中，对于平面，根据公式（1)计算网格中心到各个加速度传感器的 距离差：
[0022]
【权利要求】
1. 基于希尔伯特变换和数据筛选的核电站松动件定位方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 根据定位精度要求，在被撞击物上划分网格，然后对划分好的网格编号1?N ; 2) 在被撞击物上按等边三角形布置安装3个加速度传感器，以获取松动件跌落时产生 的撞击信号f(t); 3) 根据被撞击物的几何形状计算每个网格中心点到各两两加速度传感器的距离差 di，j ; 4) 通过数据采集卡同步采集各个加速度传感器接收到的撞击信号f(t)，撞击信号 f(t)包括松动件跌落时的冲击信号s(t)和环境背景噪声n(t); 5) 采用移动平均法消除撞击信号f(t)的低频噪声，再采用8阶Butterworth滤波器将 环境背景噪声n(t)滤除，得到消除了噪声干扰的冲击信号s(t); 6) 对步骤5)中处理得到的冲击信号s(t)用希尔伯特变换进行分析，得到冲击信号 s (t)的起振点时刻；由于无法获知冲击信号s (t)跌落的时刻，只能从3个加速度传感器的 冲击信号s (t)中获得波传播的时间差，每两个通道之间的到达时间差为; 7) 根据网格中心点到各加速度传感器的传播距离差du和各通道之间的到达时间差 ti;j计算每个网格中心点的名义传播速度vi;j ; 8) 计算弯曲波在结构中传播的速度上下限Vmax和Vmin ; 9) 对所有网格中心点的名义传播速度Vu进行数据筛选：判断名义传播速度Vu是否 在弯曲波传播的速度区间[v_，Vniin]内，若网格中心点的名义传播速度Vu均在速度区间 [v_，V miJ内，则计算该网格中心点的速度的方差D(v)，否则给方差D(V)赋以一个大值； 10) 搜索所有网格中心点的方差D(v)中最小值，记录其中心点的坐标； 11) 定位结果显示。
2. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的步骤3)中，对于平面，根据公 式（1)计算网格中心到各个加速度传感器的距离差：
其中（x，y)为网格中心点的坐标，（Xi^i)为加速度传感器i的坐标，Uj，yj)为加速度 传感器j的坐标，i = 1，2, 3 ;j = 1，2, 3 ;i关j ; 对于半球面，根据公式（2)计算网格中心到各个加速度传感器的距离差：
其中r为球的半径，03)为网格中心点的球坐标，（仍4)为加速度传感器i的球坐标， 吵/?)为加速度传感器j的球坐标，i = 1，2, 3 ; j = 1，2, 3 ;i关j。
3. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的步骤5)中，根据公式（3)消 除撞击信号f(t)低频噪声：
其中f'（t)为移动平均后的撞击信号，η为移动平均的时期个数，η设置为7。
4. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的步骤6)中，根据包络线的峰 值来确定冲击信号s (t)起振点时刻，具体包括以下步骤： 6. 1)求冲击信号s (t)的希尔伯特变换5(〇,根据定义：
其中，〗(0为冲击信号s (t)的希尔伯特变换信号； 6.2)以冲击信号s (t)为实部，其希尔伯特变换信号JW为虚部，构成一个新的函数如 公式（5):
其中，Iz(Ol = I2O)+*^?)是新函数的幅值函数,θ (t)为相位函数，|z (t) I则即为冲 击信号S (t)的包络线函数； 6. 3)对幅值函数|z (t) I求峰值：比较每个点相邻的6个点的幅值，若此点为幅值最大 值，则此点的幅值为的一个峰值，取求得的第一个峰值所对应的时间点t为冲击信号s(t) 的起振时刻，根据公式（6)计算各加速度传感器之间的时间差： ti;J = Vtj (6) 其中，h为加速度传感器i的起振时刻，tj为加速度传感器j的起振时刻，i = 1，2, 3 ; j = 1，2, 3 ;i 关 j。
5. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的步骤7)中，根据公式（7)计 算名义传播速度'j:
其中，为网格中心点到各两两加速度传感器的距离差，为两个通道之间的到达 时间差，i = 1，2,3 ;j = 1，2,3 ;i 关 j。
6. 根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于：所述的步骤8)中，根据（8)公式计 算弯曲波速度上下限Vmax和Vmin :
其中ω_，Comin分别为弯曲波的最高角频率和最低角频率，E为材料的杨氏模量，h为 被撞击物体的厚度，P为材料的密度，u为材料的泊松比。
【文档编号】G01M7/08GK104376881SQ201410667559
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】林京, 罗志, 曾亮, 黄利平, 高飞, 华佳东 申请人:西安交通大学