CN103471794B - 一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，包括PCB加速度器（1）、振动台（2）、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器（3）、被测结构体（4）、数字滤波器（5）、信号的数字化采集器（6）和模态参数识别系统（7）；所述被测结构体（4）设置在所述振动台（2）上；所述PCB加速度器（1）和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器（3）均设置在所述被测结构体（4）中。本发明的测试装置具有精准、高效、布设及监测简单和工程适用性较强等众多优点。

Description

一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置以及方法。

背景技术

自1954年以来，发生的垮坝事件一共有3496件，给人民生命财产和国民经济造成了巨大损失。我国修建的8.7万座水库大坝中，有43.7%为病险水库，就是截止到2007年年底，还仍然有将近3万余座的病险水库，因此，保持建筑物的安全运行及使用变得十分严峻和紧迫，需要对建筑物在各个运行状态下的运行状态进行监控，对收集的监测资料进行分析，实时评价建筑物的安全状态。水工结构在此运行过程中不可避免的会产生结构损伤，因此，需要在结构中埋设一定的传感器以监测结构的性态。布设传统的监测仪器具有经济投入较大、精度较低等缺点。

水工混凝土结构在运行过程中不仅会受到静荷载的作用，而且会受到动荷载的作用；压电智能材料的运用能够在一定程度上减小经济投入，可以同时用于结构的主动监测和被动监测，而且其具有频响范围宽、响应速度快等许多其他材料不具有的特点。由结构动力学可知，振动是结构完整性的灵敏显示器，结构的损伤会导致结构的物理力学参数变化，进而引起结构动力学响应的变化。在结构健康的动力监测中，结构模态参数的识别是一个重要的环节，同时也是前提和难点所在，其识别结果的精准与否直接影响到后续工作的进行。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置以及方法，对水工混凝土结构健康的动力监测领域具有重要理论及实际意义。

由于振动是结构完整性的灵敏显示器，结构的损伤会导致结构的物理力学参数变化，进而引起结构动力学响应的变化，在结构健康的动力监测中，结构模态参数的识别是一个重要的环节。本发明正是基于自振频率的识别原理，提出了自振频率的识别方法，基于混凝土压电陶瓷机敏模块（CPSM，ConcretePZTSmartModule）识别水工混凝土结构自振频率的实现技术，研究并提出了自振频率的识别方法。本发明以前人的研究为基础，在肯定前人在设计、使用监测仪器和传感器的基础上，引入了压电陶瓷智能材料，利用压电陶瓷材料设计适合大坝安全监控的压电陶瓷机敏模块，并探索其在大坝安全监控方面的运用。

技术方案：本发明所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，包括PCB加速度器、振动台、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器、被测结构体、数字滤波器、信号的数字化采集器和模态参数识别系统；所述被测结构体设置在所述振动台上；所述PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器均设置在所述被测结构体中，将混凝土压电陶瓷机敏模块传感器埋置在被测结构体内部，可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷片的影响；

所述振动台输出信号激励被测结构体产生自振频率；等效加速度下PCB加速度器和所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得振动信号，并将信号通过数字滤波器和信号的数字化采集器传输到模态参数识别系统；

所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器包括压电陶瓷片、硫化硅橡胶层、信号线和外包混凝土，所述硫化硅橡胶层包覆在所述压电陶瓷片的外围，包覆有硫化硅橡胶层的压电陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信号线的一端焊接在压电陶瓷片上，另一端穿过外包混凝土与其他元器件连接。

模态参数识别系统对于获得的信号主要通过模态参数的识别方法中时域分析方法，当测量信号是一个平稳、正态分布、零均值的随机时间序列时，能准确地反映信号本身的特征。时域分析方法适用于较短数据的分析处理。模态参数识别系统中，主要采用NExT法获得随机激励下结构中任意两点的互相关函数，然后利用ITD法将上述互相关函数作为输入对结构进行试验模态参数提取。

dSPACE（digitalSignalProcessingAndControlEngineering）系统用于信号的数字化采集，其由硬件和软件两大构件构成，其中软件系统包括从Simulink模型到dSPACE实时代码自动生成的工具和对实验进行可视化、自动化管理的一系列软件。

压电陶瓷片为一种人工制作的压电材料，为铁电体一类的物质；压电陶瓷片的混凝土包层，其主要由水泥砂浆构成；信号线，一般是待压电陶瓷片的表面干燥后焊接而上的；单组分硫化硅橡胶质地柔软，防水性好，且能够较好的避免压电陶瓷片埋入混凝土中可能出现的应力集中现象，考虑到压电陶瓷片自身材质较脆，一般在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶以达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片的效果；应力、位移从压电陶瓷片向外层混凝土传递过程中沿极化方向上呈圆形等势面，所以压电陶瓷机敏模块对的体型一般可以使用圆柱体。

所述被测结构体通过环氧树脂粘接在所述振动台上，通过振动台输出信号的随机噪声信号，频率较为丰富，便于激励出在此范围内的不同阶次结构自振频率，通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小，采用dSPACE数据采集系统对监测数据进行采集，取激振等效加速度下CPSM和PCB加速度器获得的振动信号作为分析样本。

利用本发明水工混凝土结构自振频率识别的测试装置进行水工混凝土结构自振频率识别的测试方法，包括如下步骤：

（1）振动台输出激励信号，激励被测结构体产生自振频率；

（2）通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小；

（3）等效加速度下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号，经过数字滤波器去噪后，被信号的数字化采集器采集；

（4）信号传递到模态参数识别系统，首先选择参考点，然后由NExT法得到随机激励下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号相对于参考点的互相关函数，将计算得到的互相关函数值作为ITD时域模态参数识别的输入数据，得到脉冲响应函数，实现了水工混凝土结构自振频率识别的测试。

NExT法（NaturalExcitationTechnique）又称为自然激励技术，其基本原理为随机激励下结构两点之间响应的互相关函数和脉冲响应函数有相似的表达式，在求得两点之间响应的互相关函数后，再通过时域模态参数识别法方法进行模态参数识别。两个响应之间的互相关函数的表达式为：

$R_{\mathrm{ijk}}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left[x_{\mathrm{ik}}(t+\mathrm{\τ})x_{\mathrm{jk}}\left(t\right)\right]=\underset{r=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ir}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{js}}{a}_{\mathrm{kr}}{a}_{\mathrm{ks}}{\∫}_{-\∞}^t{\∫}_{\∞}^{t-\mathrm{\τ}}{e}^{{\mathrm{\λ}}_r(t+\mathrm{\τ}-p)}{e}^{{\mathrm{\λ}}_s(t-q)}E\left[f_k\left(p\right)f_k\left(q\right)\right]\mathrm{dpdq}$

式中：δ(t)为脉冲函数；a_k为仅与激励点k有关的常数项，φ_ir为第i测点的第r阶模态振型，a_kr为仅同激励点k和模态阶次r有关的常数项。

将式E[f_k(p)f_k(q)]＝a_kδ(p-q)代入式两个响应之间的互相关函数的表达式并积分，可得 $R_{\mathrm{ijk}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{r=0}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ir}}{b}_{\mathrm{jr}}{e}^{{\mathrm{\λ}}_r\mathrm{\τ}},$ 其中 $b_{\mathrm{jr}}=\underset{s=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{js}}{a}_{\mathrm{kr}}{a}_{\mathrm{ks}}{a}_k(-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_r+{\mathrm{\λ}}_s})$ 为只和参考点j和模态阶次r有关的常数项。

ITD法（TheIbrahimTimeDomainTechnique）多自由度的结构振动方程为：

$\left[M\right]\left\{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[C\right]\left\{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\right\}+\left[K\right]\left\{\mathrm{\δ}\right\}=0$

式中：[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{δ}为位移矩阵，令所求得的特征值V_r满足由此可以得到系统的模态频率ω_r和阻尼比ξ_r，即有R_r＝lnV_r，

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明测试装置基于自振频率分析的基本理论及弹性结构自身固有的振动模态特征，根据结构动力特征的模态分析方法，通过模态分析了解结构物在某一个易受影响的频率范围内的各阶模态的基本特性，得到结构在此频段在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应情况。该发明通过基于数值模态参数（结构自振频率）、基于CPSM和PCB加速度器的试验模态参数对比分析，验证了利用混凝土压电陶瓷机敏模块作为传感器被动监测混凝土结构模态自振频率的合理性和可行性，进而研发了一套新型的用于水工混凝土结构自振频率识别的测试装置以及实现技术。本发明的测试装置具有精准、高效、布设及监测简单和工程适用性较强等众多优点。

附图说明

图1为本发明装置工作流程示意图；

图2为实施例中重力坝段模型三维模型图；

图3为重力坝模型中CPSM和PCB布置示意图；

图4为CPSM的基本组成示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，包括PCB加速度器1、振动台2、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器3、被测结构体4、数字滤波器5、信号的数字化采集器6和模态参数识别系统7；所述被测结构体4通过环氧树脂粘接在所述振动台2上；所述PCB加速度器1和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器3均设置在所述被测结构体4中；所述振动台2输出信号激励被测结构体4产生自振频率；等效加速度下PCB加速度器1和所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器3获得振动信号，并将信号通过数字滤波器5和信号的数字化采集器6传输到模态参数识别系统7；

所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器3为圆柱体，包括压电陶瓷片10、硫化硅橡胶层12、信号线11和外包混凝土9，所述硫化硅橡胶层12包覆在所述压电陶瓷片10的外围，包覆有硫化硅橡胶层12的压电陶瓷片10埋入在外包混凝土9中；所述信号线11的一端焊接在压电陶瓷片10上，另一端穿过外包混凝土9与其他元器件连接。

本发明装置中，被测结构体4选用重力坝模型进行测试，其三维模型见附图2，在混凝土重力坝模型中埋设6支PCB加速度传感器1和4支CPSM传感器（PZT-1-1、PZT-1-2、PZT-2-1、PZT-2-2），具体参见附图3，将制作的混凝土重力坝模型底部通过环氧树脂粘接在振动台上，采用白噪声激励，用dSPACE数据采集系统对监测数据进行采集，利用NExT法和ITD法时域分析提取混凝土重力坝模型模态参数。

通过上述构建的测试装置，本发明利用压电陶瓷机敏模块进行水工混凝土结构自振频率识别的测试装置实现方法如下：

步骤一、压电陶瓷片与本体结构结合方式的确定及CPSM的制做。压电陶瓷机敏模块采用水灰比为水：细砂：水泥=1：2.9：2.09，利用压电陶瓷片作为主要传感器元件埋置在混凝土重力坝模型本体结构内部，故可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷片的影响。

步骤二、混凝土被监测结构体的设计及制备。根据科研或实际工程的需要，基于实验室能够提供的条件，制备需要尺寸大小及数量的待监测混凝土结构体。为了提高CPSM的信号质量，采用与CPSM相同的水灰比浇筑如附图3所示的混凝土重力坝模型,其模型参数具体见附图3。将制作的混凝土重力坝模型底部通过环氧树脂粘接在振动台上，保持混凝土重力坝与振动台刚性胶结，以便通过振动台的输出信号激励混凝土重力坝模型，通过振动台输出信号为频率范围100Hz～2000Hz的随机噪声信号，频率较为丰富，便于激励出在此范围内的不同阶次结构自振频率。通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小，本实施例中采用0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g共6个等效加速度来控制输入的能量大小。理论上，振动台输出的等效加速度越大，重力坝模型所能被激励的结构自振频率的阶次越高。

步骤三、采集监测数据信息及获取对比分析样本。采用白噪声激励，激励频率为100Hz～2000Hz，采用dSPACE数据采集系统对监测数据进行采集，采样频率为4000Hz。激励白噪声信号的激振方向为垂直于坝轴线方向。取激振等效加速度2.0g下CPSM和PCB加速度器获得的振动信号作为分析样本。由于白噪声激励的频率范围为100Hz～2000Hz，考虑到此范围内低频的影响较大，选取模型大于200Hz的模态频率作为对比分析。

步骤四、构建模态参数的识别方法系统，实现水工混凝土结构自振频率识别测试。基于NExT方法识别模态参数时，需要选择参考点，由附图3所示混凝土重力坝模型中的CPSM压电陶瓷机敏模块的排列方式，其中，PZT-1-1、PZT-1-2、PZT-2-1、PZT-2-2均表示传感器，可知PZT-2-2位置靠近振动台，振动效应较小，可以作为参考值，此种情况下，由NExT法可得到的PZT-1-1、PZT-1-2和PZT-2-1相对于PZT-2-2点的互相关函数关系。将计算得到的互相关函数值作为ITD时域模态参数识别的输入数据，分别得到脉冲响应函数曲线图。得到利用CPSM被动监测混凝土结构的信号经过NExT法和ITD拟合的结果，按照同样方法，选取2#测点为参考点，对PCB加速度计采集的加速度信号进行分析，利用NExT法和ITD法时域分析提取混凝土重力坝模型模态参数，考虑到CPSM制作过程中不可避免会发生漏电现象，将频率成分中含有交流电频率50Hz的频率成分去除。以结构完整状态，激励等效加速度为2.0g下，分别利用CPSM和PCB加速度传感器获得模态参数，并进行对比分析，最终实现水工混凝土结构自振频率识别测试。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (3)

1.一种水工混凝土结构自振频率识别的测试方法，其特征在于：该方法基于一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，该装置包括PCB加速度器(1)、振动台(2)、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)、被测结构体(4)、数字滤波器(5)、信号的数字化采集器(6)和模态参数识别系统(7)；所述被测结构体(4)设置在所述振动台(2)上；所述PCB加速度器(1)和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)均设置在所述被测结构体(4)中；

所述振动台(2)输出信号激励被测结构体(4)产生自振频率；等效加速度下PCB加速度器(1)和所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)获得振动信号，并将信号通过数字滤波器(5)和信号的数字化采集器(6)传输到模态参数识别系统(7)；

所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)包括压电陶瓷片(10)、硫化硅橡胶层(12)、信号线(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡胶层(12)包覆在所述压电陶瓷片(10)的外围，包覆有硫化硅橡胶层(12)的压电陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信号线(11)的一端焊接在压电陶瓷片(10)上，另一端穿过外包混凝土(9)与其他元器件连接；

该方法包括如下步骤：

(1)振动台输出激励信号，激励被测结构体产生自振频率；

(2)通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小；

(3)等效加速度下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号，经过数字滤波器去噪后，被信号的数字化采集器采集；

(4)信号传递到模态参数识别系统，首先选择参考点，然后由NExT法得到随机激励下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号相对于参考点的互相关函数，将计算得到的互相关函数值作为ITD时域模态参数识别的输入数据，得到脉冲响应函数，实现了水工混凝土结构自振频率识别的测试。

2.根据权利要求1所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试方法，其特征在于：所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试方法，其特征在于：所述被测结构体(4)通过环氧树脂粘接在所述振动台(2)上。