[发明专利]一种杆件绝对轴力测试方法

权利要求书

1.一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将传感器安装在目标杆件；

(2)确立参考传感器；

(3)传感器信号解调采集子系统采集传感器信号，并将其传输给数据处理及轴力识别子系统，数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块对数据有效性进行判断，若有效，并执行步骤(4)；

(4)数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块按照模态分析方法求得特征参数，包括频率、位移振型或应变振型；

(5)数据处理模块绘制|S|与q₁关系图；

(6)数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力。

2.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或应变传感器。

3.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器的数量满足以下要求：若杆件两端平动自由度或转动自由度已知且杆件的有效振动长度即杆件两端点之间的全长距离有条件测量时，传感器个数应大于或等于3，其他情况下传感器个数ns应大于或等于5。

4.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器的响应频率满足杆件动态测试要求，其判断标准为传感器的响应频率大于杆件的一阶自振频率。

5.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的确立参考传感器按照以下原则；

参考传感器所在位置或区域不要落在杆件的模态节点上。

6.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的数据处理模块绘制|S|与q₁关系图步骤如下：

(a)传感器定位：

①若ns≥5，以最靠近杆件一端节点的传感器为原点，以杆件长度方向为x轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标：(x₁，…x_s，…x_ns)，其中x₁为原点；

②若ns＝3或4，以杆件一端的节点为原点，以杆件长度方向为x轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标：(x_B，x₁，…x_s，…x_ns，x_E)，其中传感器的总数为ns+2，其中x_B为原点，x_E等于有效振动长度，设有效传感器总数为nr，nr＝ns或nr＝ns+2，且nr≥4；

(b)根据步骤(4)得到的模态振型，确定普通传感器与参考传感器的振型分量比值，其中普通传感器的坐标为x_i、参考传感器的坐标为x_j，即

①当传感器采用加速度、速度或位移传感器，模态位移比：当杆件两端的平动自由度已知时，以上(4)得到的模态振型分量应增加φ_B和φ_E两个分量；

②当传感器采用应变传感器，模态应变比：当杆件两端的转动自由度已知时，以上(4)得到的模态振型分量应增加δ_B和δ_E两个分量；

nr个有效传感器可以得到(nr-1)个独立的模态位移比或模态应变比；

(c)确定特征矩阵[S_C]，该矩阵的每一行由四个元素构成，分别为：

①当采用加速度、速度或位移传感器时，矩阵[S_C]对应于模态位移比λ_ij的某行各元素分别为：

  第一列  cosq₁x_i-λ_ijcosq₁x_j  第二列  sinq₁x_i-λ_ijsinq₁x_j  第三列  coshq₂x_i-λ_ijcoshq₂x_j  第四列  sinhq₂x_i-λ_ijsinhq₂x_j

②当采用应变传感器时，矩阵[S_C]对应于模态应变比β_ij的某行各元素分别为：

  第一列  q₁²cosq₁x_i-β_ijq₁²cosq₁x_j  第二列  q₁²sinq₁x_i-β_ijq₁²sinq₁x_j  第三列  -q₂²coshq₂x_i+β_ijq₂²coshq₂x_j  第四列  -q₂²sinhq₂x_i+β_ijq₂²sinhq₂x_j

每个模态位移比λ_ij或模态应变比β_ij对应于矩阵的一行，故基于nr个有效传感器即(nr-1)个独立模态位移比λ_ij或模态应变比β_ij的矩阵[S_C]的维数为(nr-1)×4；

(d)基于下式得到一个新的矩阵：

[S]_4×4＝[S_C^T]_4×(nr-1)[S_C]_(nr-1)×4

求该矩阵的秩|S|，其中该表达式中包含两个未知数q₁和q₂。

(e)杆件的几何和材料参数确定：根据实际测量及原设计确定杆件的基本几何和材料参数，包括弹性模量E、截面惯性矩I和单位长度的质量

(f)根据步骤(4)得到的同阶频率f和步骤(e)中确定的杆件几何和材料参数，按下式计算α²：

α2=ωm‾EI=2πfm‾EI]]>

q₁和q₂的关系可以写成：

q2=α2q1]]>

将其代入步骤(d)中得到的秩|S|，则该表达式中仅包含一个未知数q₁，来绘制|S|与q₁的关系曲线图。

7.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力具体步骤如下：

根据步骤(5)得到的|S|与q₁关系曲线，求出|S|＝0时q₁的取值，并代入下式计算得到q₂

q2=α2q1]]>

故杆件的绝对轴力可最终由下式求得：

N＝EI×(q₁²-q₂²)

其中N为绝对轴力、E为弹性模量、I截面惯性矩。