王 寧

（華設(shè)檢測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是常用的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法。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之間的相關(guān)性。通過優(yōu)化測試方案、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、一致的測試結(jié)果。本研究對于提高結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的準(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之間的相關(guān)性，為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測提供更可靠的數(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都是常用的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法，用于評估建筑物、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試點(diǎn)來獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，而貝克曼梁檢測則是通過測量懸臂梁的撓度來評估結(jié)構(gòu)的變形。這兩種方法的測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)性相對較低。

其次，落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測在測試點(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)置測試點(diǎn)，而貝克曼梁則需要在懸臂梁的特定位置進(jìn)行測試。這種不一致的測試點(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試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測提供更精確的數(shù)據(jù)支持。

首先，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，頻率和力度的合理選擇對于獲取準(zhǔn)確的測試數(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)確的測試數(shù)據(jù)。在選擇頻率時，需要根據(jù)被測試結(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結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，從而得到更準(zhǔn)確的變形信息[2]。同時，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)際測試環(huán)境復(fù)雜多變，測試設(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，即事先對測試設(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量設(shè)備對沖擊力和位移進(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落錘式彎沉儀進(jìn)行同時測試，并對不同設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和校正。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結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。下面將從信號濾波技術(shù)的應(yīng)用和數(shù)學(xué)模型分析方法的改進(jìn)兩個方面詳細(xì)闡述在貝克曼梁檢測中數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化方法。

在實(shí)際貝克曼梁檢測中，傳感器采集到的數(shù)據(jù)可能會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)用信號濾波技術(shù)對采集到的數(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信息。

2.中值濾波：中值濾波是一種非線性濾波方法，通過計算數(shù)據(jù)中某個窗口內(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。

3.小波濾波：小波變換是一種時頻分析方法，可以將信號分解為不同尺度和頻率的子信號。通過選擇合適的小波基函數(shù)和閾值，可以對貝克曼梁的振動信號進(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回歸系數(shù)，從而得到落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)模型。

3.2 相關(guān)系數(shù)計算方法及解釋

相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個變量之間相關(guān)關(guān)系強(qiáng)度的統(tǒng)計指標(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)行計算和解釋。

3.3 相關(guān)性分析結(jié)果的評估和解讀

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

首先，可以利用假設(shè)檢驗(yàn)方法，計算相關(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)計與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

為了研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，設(shè)計了以下實(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)計方法進(jìn)行相關(guān)性分析。一是計算落錘式彎沉儀和貝克曼梁檢測數(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；三是對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行解讀和評估。

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數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

首先，計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，并利用信號濾波和數(shù)學(xué)模型分析等方法，在結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中獲得了更準(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。