一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置，包括PCB加速度器（1）、振動(dòng)臺(tái)（2）、混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器（3）、被測(cè)結(jié)構(gòu)體（4）、數(shù)字濾波器（5）、信號(hào)的數(shù)字化采集器（6）和模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)（7）；所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體（4）設(shè)置在所述振動(dòng)臺(tái)（2）上；所述PCB加速度器（1）和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器（3）均設(shè)置在所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體（4）中。本發(fā)明的測(cè)試裝置具有精準(zhǔn)、高效、布設(shè)及監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單和工程適用性較強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1954年以來(lái)，發(fā)生的垮壩事件一共有3496件，給人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。我國(guó)修建的8.7萬(wàn)座水庫(kù)大壩中，有43.7%為病險(xiǎn)水庫(kù)，就是截止到2007年年底，還仍然有將近3萬(wàn)余座的病險(xiǎn)水庫(kù)，因此，保持建筑物的安全運(yùn)行及使用變得十分嚴(yán)峻和緊迫，需要對(duì)建筑物在各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)收集的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)建筑物的安全狀態(tài)。水工結(jié)構(gòu)在此運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，因此，需要在結(jié)構(gòu)中埋設(shè)一定的傳感器以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的性態(tài)。布設(shè)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器具有經(jīng)濟(jì)投入較大、精度較低等缺點(diǎn)。
[0003]水工混凝土結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中不僅會(huì)受到靜荷載的作用，而且會(huì)受到動(dòng)荷載的作用；壓電智能材料的運(yùn)用能夠在一定程度上減小經(jīng)濟(jì)投入，可以同時(shí)用于結(jié)構(gòu)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)和被動(dòng)監(jiān)測(cè)，而且其具有頻響范圍寬、響應(yīng)速度快等許多其他材料不具有的特點(diǎn)。由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可知，振動(dòng)是結(jié)構(gòu)完整性的靈敏顯示器，結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的變化。在結(jié)構(gòu)健康的動(dòng)力監(jiān)測(cè)中，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是前提和難點(diǎn)所在，其識(shí)別結(jié)果的精準(zhǔn)與否直接影響到后續(xù)工作的進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置以及方法，對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)健康的動(dòng)力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要理論及實(shí)際意義。
[0005]由于振動(dòng)是結(jié)構(gòu)完整性的靈敏顯示器，結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的變化，在結(jié)構(gòu)健康的動(dòng)力監(jiān)測(cè)中，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。本發(fā)明正是基于自振頻率的識(shí)別原理，提出了自振頻率的識(shí)別方法，基于混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊(CPSM, Concrete PZT Smart Module)識(shí)別水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研究并提出了自振頻率的識(shí)別方法。本發(fā)明以前人的研究為基礎(chǔ)，在肯定前人在設(shè)計(jì)、使用監(jiān)測(cè)儀器和傳感器的基礎(chǔ)上，引入了壓電陶瓷智能材料，利用壓電陶瓷材料設(shè)計(jì)適合大壩安全監(jiān)控的壓電陶瓷機(jī)敏模塊，并探索其在大壩安全監(jiān)控方面的運(yùn)用。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置，包括PCB加速度器、振動(dòng)臺(tái)、混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器、被測(cè)結(jié)構(gòu)體、數(shù)字濾波器、信號(hào)的數(shù)字化采集器和模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)；所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體設(shè)置在所述振動(dòng)臺(tái)上；所述PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器均設(shè)置在所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體中，將混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器埋置在被測(cè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，可在一定程度上削弱溫度、濕度等外界環(huán)境變化對(duì)壓電陶瓷片的影響；[0007]所述振動(dòng)臺(tái)輸出信號(hào)激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生自振頻率；等效加速度下PCB加速度器和所述混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)通過(guò)數(shù)字濾波器和信號(hào)的數(shù)字化采集器傳輸?shù)侥B(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)；
[0008]所述混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器包括壓電陶瓷片、硫化硅橡膠層、信號(hào)線和外包混凝土，所述硫化硅橡膠層包覆在所述壓電陶瓷片的外圍，包覆有硫化硅橡膠層的壓電陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信號(hào)線的一端焊接在壓電陶瓷片上，另一端穿過(guò)外包混凝土與其他元器件連接。
[0009]模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于獲得的信號(hào)主要通過(guò)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別方法中時(shí)域分析方法，當(dāng)測(cè)量信號(hào)是一個(gè)平穩(wěn)、正態(tài)分布、零均值的隨機(jī)時(shí)間序列時(shí)，能準(zhǔn)確地反映信號(hào)本身的特征。時(shí)域分析方法適用于較短數(shù)據(jù)的分析處理。模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)中，主要采用NExT法獲得隨機(jī)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)中任意兩點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)，然后利用ITD法將上述互相關(guān)函數(shù)作為輸入對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)提取。
[0010]dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering)系統(tǒng)用于信號(hào)的數(shù)字化采集，其由硬件和軟件兩大構(gòu)件構(gòu)成，其中軟件系統(tǒng)包括從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)代碼自動(dòng)生成的工具和對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可視化、自動(dòng)化管理的一系列軟件。
[0011]壓電陶瓷片為一種人工制作的壓電材料，為鐵電體一類的物質(zhì)；壓電陶瓷片的混凝土包層，其主要由水泥砂漿構(gòu)成；信號(hào)線，一般是待壓電陶瓷片的表面干燥后焊接而上的；單組分硫化硅橡膠質(zhì)地柔軟，防水性好，且能夠較好的避免壓電陶瓷片埋入混凝土中可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，考慮到壓電陶瓷片自身材質(zhì)較脆，一般在壓電陶瓷片外圍覆蓋一層單組分硫化硅橡膠以達(dá)到保護(hù)埋入混凝土中的壓電陶瓷片的效果；應(yīng)力、位移從壓電陶瓷片向外層混凝土傳遞過(guò)程中沿極化方向上呈圓形等勢(shì)面，所以壓電陶瓷機(jī)敏模塊對(duì)的體型一般可以使用圓柱體。
[0012]所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘接在所述振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)輸出信號(hào)的隨機(jī)噪聲信號(hào)，頻率較為豐富，便于激勵(lì)出在此范圍內(nèi)的不同階次結(jié)構(gòu)自振頻率，通過(guò)輸入不同的等效加速度來(lái)控制輸入信號(hào)的能量大小，采用dSPACE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取激振等效加速度下CPSM和PCB加速度器獲得的振動(dòng)信號(hào)作為分析樣本。
[0013]利用本發(fā)明水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置進(jìn)行水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試方法，包括如下步驟:
[0014](I)振動(dòng)臺(tái)輸出激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生自振頻率；
[0015](2)通過(guò)輸入不同的等效加速度來(lái)控制輸入信號(hào)的能量大??；
[0016](3)等效加速度下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器去噪后，被信號(hào)的數(shù)字化采集器采集；
[0017](4)信號(hào)傳遞到模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)，首先選擇參考點(diǎn)，然后由NExT法得到隨機(jī)激勵(lì)下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)相對(duì)于參考點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)，將計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)值作為ITD時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別的輸入數(shù)據(jù)，得到脈沖響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試。
[0018]NExT法(Natural Excitation Technique)又稱為自然激勵(lì)技術(shù),其基本原理為隨機(jī)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)兩點(diǎn)之間響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)有相似的表達(dá)式，在求得兩點(diǎn)之間響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)后，再通過(guò)時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別法方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。兩個(gè)響應(yīng)之間的互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置，其特征在于:包括PCB加速度器(I)、振動(dòng)臺(tái)(2)、混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器(3)、被測(cè)結(jié)構(gòu)體(4)、數(shù)字濾波器(5)、信號(hào)的數(shù)字化采集器(6)和模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)(7);所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體(4)設(shè)置在所述振動(dòng)臺(tái)(2 )上；所述PCB加速度器(I)和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器(3 )均設(shè)置在所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體(4)中； 所述振動(dòng)臺(tái)(2)輸出信號(hào)激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)體(4)產(chǎn)生自振頻率；等效加速度下PCB加速度器(I)和所述混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器(3)獲得振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)通過(guò)數(shù)字濾波器(5)和信號(hào)的數(shù)字化采集器(6)傳輸?shù)侥B(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)(7)； 所述混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器(3)包括壓電陶瓷片(10)、硫化硅橡膠層(12)、信號(hào)線(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡膠層(12)包覆在所述壓電陶瓷片(10)的外圍，包覆有硫化硅橡膠層(12)的壓電陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信號(hào)線(II)的一端焊接在壓電陶瓷片(10)上，另一端穿過(guò)外包混凝土(9)與其他元器件連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置，其特征在于:所述混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器(3)為圓柱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置，其特征在于:所述被測(cè)結(jié)構(gòu)體(4)通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘接在所述振動(dòng)臺(tái)(2)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試裝置進(jìn)行水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試方法，其特征在于包括如下步驟: (1)振動(dòng)臺(tái)輸出激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)被測(cè)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生自振頻率； (2)通過(guò)輸入不同的等效加速度來(lái)控制輸入信號(hào)的能量大??； (3)等效加速度下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器去噪后，被信號(hào)的數(shù)字化采集器采集； (4)信號(hào)傳遞到模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)，首先選擇參考點(diǎn)，然后由NExT法得到隨機(jī)激勵(lì)下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機(jī)敏模塊傳感器獲得的振動(dòng)信號(hào)相對(duì)于參考點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù)，將計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)值作為ITD時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別的輸入數(shù)據(jù)，得到脈沖響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水工混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別的測(cè)試。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK103471794SQ201310408967
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】蘇懷智, 張楠, 楊孟, 蔡珊珊 申請(qǐng)人:河海大學(xué)