[发明专利]一种用于结构局部变形与整体模态信息同时获取的传感器布设方法

说明书

本发明属于土木工程结构健康监测领域，提出了一种针对结构局部变形和整体模态信息同时获取的传感器布设方法。(1)将应变计布置在结构的大变形位置用于监测结构局部变形信息，并调整应变计所在位置使其包含尽可能多的重要位移模态信息；(2)使用应变计位置的应变模态估计结构的位移模态，并增加加速度计以改善估计所得位移模态的可区分性，同时减少获得的位移模态间的信息冗余。本发明充分利用了应变计和加速度计所包含的不同结构信息，应变计的布置方案既能给出结构关键位置的局部变形信息，又能得到精确的结构位移模态信息，加速度计的布置方案改善应变计数据估计所得的位移模态信息，得到高质量的结构整体位移模态信息。

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测领域，针对结构局部变形和整体模态信息的获取，提出了一种应变计和加速度计联合布设方法。

背景技术

结构健康监测系统的建立首先需要进行传感器的选型与优化布设，不适当的传感器布设将影响参数识别的精度；而且传感器本身也需要一定的成本，与其配套使用的数据采集与处理设备的代价也都较高，从经济方面考虑，工程师希望采用尽可能少的传感器达到监测的目的。一种好的传感器布设方案应满足：1)在含噪音的环境中，能够利用尽可能少的传感器获取全面而精确的结构参数信息；2)测得的结构响应信息应能够与数值分析的结果相对应；3)能够通过合理添加传感器对感兴趣的振动响应数据进行重点采集；4)使得监测结果具有良好的可视性和鲁棒性；5)使监测系统的设备投入、数据传输、结果处理的费用最少。

在一套完整的结构健康监测系统中，应变计和加速度计被大量使用，因此研究两者的联合布设方法，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明中应变计和加速度计被共同优化布设，来同时获取结构的局部变形信息和整体模态信息。应变计的布置位置不仅需要考虑结构的大变形，还需要使选择的位置包含尽可能多的位移模态信息。获取的应变模态被用来估计其他位置的结构位移模态，然后依据模态置信准则和模态信息冗余度增加加速度计的数理，以保证获取的位移模态的可区分且包含信息冗余较少。

一、应变计位置的选择

在结构健康监测系统中，应变计主要被用于监测结构的局部变形信息，因此需要将其布置在结构出现大变形的地方。例如桥梁结构，应变计一开始需要选择布置在跨中截面位置处。

步骤1：依据有限元方法，将结构划分为各个单元，对各单元和节点进行编号，选取结构大变形位置所在截面作为应变计的待选位置。

由有限元方法可知，结构的应变(应变模态)和该应变所在单元处的节点位移(位移模态)有着一定的转换关系，由下式表示：

式中：下标i表示应变所在单元的编号；表示该单元内应变计位置所对应的应变位移模态矩阵；φ_i表示该单元的节点位移模态矩阵，包含三个方向的平动位移模态和转动位移模态；T_i表示应变模态与节点位移模态之间的转换关系。

T_i的每一行对应应变模态矩阵的一行，对应着一个应变计的位置；T_i的每一列对应位移模态矩阵的一行，也就是对应一个自由度的位移模态。因此，应变计位置处所包含的各个自由度的位移模态信息的多少，是由T_i中各个变量的数值大小决定的。当T_i中某个变量为0时，即表示该变量所对应的自由度处的位移模态信息没有被包在应变模态中。在结构整体模态测试时，平动位移模态使用较多，所以所选的应变计位置需要包含尽可能多的平动位移模态信息。因此，需要保证T_i中对应的变量数值不能过小，最终可确定出S1个应变计的位置。

步骤2：根据步骤1所得的应变截面位置所在的单元编号，依据公式(1)验算T_i矩阵中各个变量的大小。如果变量数值过小，微调应变位置，使其包含尽可能多的位移模态信息。