一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法.pdf

本发明公开了一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法，采用带有加速度计的力锤，信号放大器，三个振动传感器、信号采集卡和笔记本电脑组成采集仪器。使用时，瓷砖的三个角各安装一个振动传感器，用带有加速度计的力锤敲击墙体上的瓷砖的一角，振动传感器会得到三条该瓷砖的相关振动曲线，然后，将该振动曲线通过分析处理之后得到可以被MATLAB处理的文件，接着通过分量分析法来进行模态参数识别，可得到瓷砖的共振频率和阻尼系数。由于墙体瓷砖的固有振动频率会随着瓷砖和墙体的黏贴牢固程度不同而不同，设定一个阈值，当该瓷砖的固有振动频率在阈值范围内则认定该瓷砖和墙体黏贴良好，没有掉落危险；否则，该瓷砖就有掉落危险，应该提出警示。

1.一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法，其特征在于，该方法采用由3个连接
电荷放大器的振动传感器，一个带有加速度计并连接电荷放大器的力锤，一个与电荷放大
器相连接的信号采集卡和一个笔记本电脑组成的采集仪器；
将3个振动传感器布置在被测墙体瓷砖的三个角上，用力锤敲击瓷砖没有布置振动传
感器瓷砖的一角，对瓷砖进行激励；
瓷砖上的3个振动传感器会得到三条该瓷砖的振动曲线和力锤的响应波形，这3个振动
传感器的三条振动曲线通过电荷放大器输送给信号采集卡，然后汇集在笔记本电脑；
笔记本电脑首先根据与力锤敲击点最近的振动传感器和力锤上的加速度计测得的时
间历程数据进行处理后，可以得到敲击点的传递函数；然后将3个振动传感器的三条振动曲
线通过分析处理之后得到可以被MATLAB处理的文件，接着通过分量分析法来进行模态参数
识别，得到瓷砖的共振频率，由于墙体瓷砖的固有振动频率会随着瓷砖和墙体的黏贴牢固
程度不同而不同，因而，设定一个阈值，当该瓷砖的固有振动频率在阈值范围内则认定该瓷
砖和墙体黏贴良好，没有掉落危险；否则，该瓷砖就有掉落危险。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的力锤是钢制锤头。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于所述的信号采集仪器测得的数据容易受
到外界或其内部各种因素的干扰，将力锤施加的激励视为随机激励，此时，传递函数不能直
接使用傅里叶积分进行计算，利用下式求出此时原点的传递函数；
$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{fx}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_f\left(\mathrm{\ω}\right)}$
其中，Sfx(ω)为激励与响应的互谱，Sf(ω)为响应的自谱。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对瓷砖进行激励是各态厉均的，因此可
通过对多组时间历程数据求取传递函数后，得到平均后的传递函数曲线。

一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法

技术领域

本发明涉及信号波形处理领域，具体涉及一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险
的方法。

背景技术

外墙瓷砖是陶瓷原料经压力成型在高温条件下烧制而成的建筑材料。其产品全部
瓷化，结构致密，材料坚硬，不变形、不退色，有很好的耐磨性，抗冻性、耐急冷急热性强，耐
化学侵蚀性强。作为一种常用外墙的装饰材料，在我国的工程建设中得到了广泛的应用。我
国外墙瓷砖的产销量和使用量居世界第一。但是，外墙瓷砖在使用过程中存在的安全性问
题不可忽视。近年来外墙瓷砖脱落，尤其是高层建筑的外墙瓷砖脱落造成的人身伤害事件
和财产损失事件时有发生。经常可以看到相关由于墙体瓷砖黏贴不牢固，进而掉落砸伤行
人的新闻。我国目前已经经历了20多年建筑业的高速发展期，期间建造的高层建筑中大量
使用了外墙瓷砖装饰，在未来相当长的一段时间内将可能是外墙瓷砖脱落造成人身伤害事
件的高发期，应该引起设计、墙体维护者和房屋所有者的高度重视。

发明内容

针对上述高层建筑外墙瓷砖易出现掉落的问题，本发明的目的在于，提供一种测
定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法，其特征在于，该方法采用由3个连
接电荷放大器的振动传感器，一个带有加速度计并连接电荷放大器的力锤，一个与电荷放
大器相连接的信号采集卡和一个笔记本电脑组成的采集仪器；

将3个振动传感器布置在被测墙体瓷砖的三个角上，用力锤敲击瓷砖没有布置振
动传感器瓷砖的一角，对瓷砖进行激励；

瓷砖上的3个振动传感器会得到三条该瓷砖的振动曲线和力锤的响应波形，这3个
振动传感器的三条振动曲线通过电荷放大器输送给信号采集卡，然后汇集在笔记本电脑；

笔记本电脑首先根据与力锤敲击点最近的振动传感器和力锤上的加速度计测得
的时间历程数据进行处理后，可以得到敲击点的传递函数；将振动传感器的三条振动曲线
通过分析处理之后得到可以被MATLAB处理的文件，接着通过分量分析法来进行模态参数识
别，得到瓷砖的共振频率，由于墙体瓷砖的固有振动频率会随着瓷砖和墙体的黏贴牢固程
度不同而不同，因而，设定一个阈值，当该瓷砖的固有振动频率在阈值范围内则认定该瓷砖
和墙体黏贴良好，没有掉落危险；否则，该瓷砖就有掉落危险。

所述的力锤是钢制锤头。

由于所述的采集仪器测得的数据容易受到外界或其内部各种因素的干扰，将力锤
施加的激励视为随机激励，此时，传递函数不能直接使用傅里叶积分进行计算，利用下式求
出此时原点的传递函数；

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{fx}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_f\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中，Sfx(ω)为激励与响应的互谱，Sf(ω)为响应的自谱。

所述对瓷砖进行激励是各态厉均的，因此可通过对多组时间历程数据求取传递函
数后，得到平均后的传递函数曲线。

本发明的测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法，在不破坏墙体的情况下，通
过简单的信号采集仪器和力锤敲击得到瓷砖的振动波形，进而通过软件分析得到瓷砖相对
应的频率特性，通过判断该频率德行进而判断该瓷砖是否有掉落的危险。比起人肉眼观察
和普通的判断瓷砖是否会不会掉落的办法，本发明的判断准确率更高，同时由于设备简单，
检测的费用少，而且操作简单。

附图说明

图1为本发明的测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法流程图；

图2为采集仪器安装示意图。

图中的标记分别表示，1、第一振动传感器，2、第二振动传感器，3、第三振动传感
器，4、力锤敲击点，5、力锤，6、第一电荷放大器，7、第二电荷放大器，8、第三电荷放大器，9、
第四电荷放大器，10、信号采集卡，11、笔记本电脑。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

如图1-2所示，本实施例给出一种测定墙体上的瓷砖是否有掉落危险的方法，该方
法采用采集仪器；该采集仪器由一个带有加速度计的力锤5，三个振动传感器(3，4，5)，四个
电荷放大器(6，7，8，9)，信号采集10和笔记本电脑10组成。

采集仪器主要工作原理和操作分为两部分：

第一部分：瓷砖的振动波形采集

步骤一：将振动传感器(1，2，3)分别固定在瓷砖的三个角，如图1所示，其中第一振
动传感器1距离敲击点4最近。

步骤二：将三个振动传感器(1，2，3)分别和电荷放大器(6，7，9)相接，带有加速度
计的力锤5和信号放大器8相接。

步骤三：电荷放大器8接入信号采集卡10的第一通道，电荷放大器(6，7，9)分别接
入信号采集卡10的第二，三，四通道。信号采集卡10和笔记本电脑11相接。

步骤四：设置利用力锤5迅速敲击瓷砖上一角的敲击点4，此时，会在笔记本电脑11
上得到三个振动传感器(1，2，3)和力锤5上的加速度计敲击的响应波形，并将振动传感器
(1，2，3)的三条振动曲线通过分析处理之后得到可以被MATLAB处理的文件。

第二部分：振动曲线波形分析

步骤一：对采集的第一传感器1和力锤5上的加速度计测得的时间历程数据进行去
趋势。信号采集卡10的采样频率为f＝1000Hz。由于测得的响应为瞬态响应，响应持续时间
短，为了保证在计算传递函数时截取的信号包含了完整的响应情况，因此采用矩形窗比较
来截取时间历程数据。取参与传递函数计算的数据点数n＝4096，因此根据采样率定理：

$\mathrm{\Δ}u=\frac{1}{M\·\mathrm{\Δ}T}---\left(1\right)$

可知此时信号分辨率约为0.02Hz。式中，M为参与计算的数据点数，ΔT为原始信号
的采样频率，Δu为频域信号的分辨率。

步骤二：由于采集仪器测得的数据容易受到外界或其内部各种因素的干扰，可以
将力锤5施加的激励视为随机激励。此时，传递函数不能直接使用傅里叶积分进行计算，但
可利用式(2)求出此时力锤敲击点4的传递函数。

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{fx}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_f\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

其中，Sfx(ω)为激励与响应的互谱，Sf(ω)为响应的自谱。

步骤三：由于对瓷砖进行激励是各态厉均的，因此可通过对多组时间历程数据求
取传递函数后，得到平均后的传递函数曲线。

步骤四：当激励频率接近第r阶模态的自然频率时，则该阶模态在传递函数中起主
导作用，称为主导模态，而主模态领域内的其他模态影响不大，可以用一个复常数He来代
替。因此，当激励频率在自然频率附近时，可以把传递函数写成:

$H_{rp}\left(\mathrm{\ω}\right)=H_{s,rp}\left(\mathrm{\ω}\right)+H_c=H_{s,rp}^R\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{jH}}_{s,rp}^I\left(\mathrm{\ω}\right)+H_c^R+H_c^I---\left(3\right)$

其中，

$H_{rp}^I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1-{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s}}^2}{K_{es}\[{(1-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s})}^2+\left(2{\mathrm{\ξ}}_s\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s}\right)\]}---\left(4\right)$

$H_{rp}^I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{-2{\mathrm{\ξ}}_S\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s}}{K_{es}\[{(1-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s})}^2+\left(2{\mathrm{\ξ}}_s\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_s}\right)\]}---\left(5\right)$

对于自然频率，可由频响函数的虚频曲线峰值对应的频率点得到，峰值频率为：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_s\sqrt{1-\frac{2}{3}{\mathrm{\ξ}}_s^2}\≈{\mathrm{\ω}}_s---\left(6\right)$

步骤五：此时，根据该频率的峰值大小和峰值所处的频率的波段来判断该瓷砖是
否有掉落的危险：

假设将要掉落的瓷砖的频率的峰值大小的范围是a，同时所处的频率波段为b。则
当该频率的峰值的大小在和所处的波段分别在a和b范围内，则判断该瓷砖有掉落的危险，
应该提出警示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明
的保护范围。