CN104813137A - 用于控制装置的实时结构测量(rtsm) - Google Patents

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Abstract

一种预加应力的轴向元件(1)借助于固定连接件(5)和柔性连接件(6)安装在结构(2)的两个点之间。当结构(2)振动时，在所述连接点之间产生移动，通过测量柔性连接件(5)的旋转角获得所述移动。另外，在结构(2)与轴向元件(1)的中间点之间的相对移动能够由传感器(3)测量。在此方式中，实时地获得了结构的移动的离散形式。如果轴向元件(4)安装在较高阶模态具有零横移的位置处，则不测量所述较高阶模态的模态移动。在此方式中，如果仅考虑前两个模态，则能够独立地测量所述两个模态的模态移动。

Description

用于控制装置的实时结构测量(RTSM)
摘要
本发明示出用于测量关于结构的相对位移的解决方案，以使用所测量的信号来作为用于主动和半主动振动结构控制的实时反馈信号。所述控制使由任何自然的或人造的振动源引起的结构运动减小。测量相对位移的常规方法通常不能准确地实时测量位移。通常，出现在测量的信号方面的延迟对于反馈控制装置而言通常具有负面影响。
本发明包括预加应力的轴向元件(1)，该预加应力的轴向元件(1)通过使用固定的连接件(5)和柔性的连接件(6)安装在结构(2)的两个不同点之间。当结构(2)响应于外部“源”而振动时，在轴向元件的两个连接点之间发生相对位移，该相对位移可以基于轴向元件的柔性连接件(6)的旋转角来测量。另外，在轴向元件(1)的中间点处，能够通过传感器(3)测量结构(2)与轴向元件(1)之间的相对位移。通过这些测量值，可以在安装有轴向元件(1)的位置处实时地获得整个结构的离散位移的形状。
在安装轴向元件(4)的情况下，在最高模态穿过零点处，该最高模态的模态位移将不被测量。假设结构的总位移与前两个模态相关，这通常充分近似于实际上地震引起的位移，那么可以独立地实时地测量这两个模态的模态位移。通过主动或半主动装置的模态控制可以在某些情况下改进结构的性能。
为了保持由轴向元件(1)的固有振动引入的测量信号的噪声等级尽可能低，重要的是，轴向元件(1)的基础频率明显高于结构(2)的固有频率。为了达到该目标，必须使用由具有小密度以及可以被高预加应力的诸如碳纤维之类的材料制成的轴向元件。
技术领域
本发明对应于实时监控结构位移领域。提出本发明以提供关于相对位移的信息，该信息能够用于控制装置以能够实时控制由自然或人为方式引起的事情导致的主动或半主动结构振动。所述振动会由地震、风、机器、人类、车辆、人或者其他因素引起。主动或半主动装置的反馈控制以外的其他应用，比如结构健康监控及其他也是可能的。
在本发明中，一个或更多个轴向元件安装在结构的两个不同点之间。当结构振动时，能够测量轴向元件与结构之间的相对旋转角这得到结构的两个点之间的相对位移。通过使用该信息，在安装轴向元件的离散点处实时地获得整个结构的位移形状。
背景技术
主动和半主动控制装置被越来越频繁地用于减小由地震、风、机器、人或车辆引起的结构振动。为了以最有效的方式控制结构，这些装置需要关于结构位移的实时信息。对结构运动的测量越精确，这些主动和半主动控制装置的性能越好。事实上，通常，对于反馈控制信号而言能够接受测量的信号的仅非常小的时间延迟(根据结构的类型百分之几秒或更少)。这个事实激励该新系统的研发以实时测量结构位移，该系统也可用于其他振动应用。
许多主动和半主动结构控制装置使用结构的相对位移作为用于结构控制的反馈信号。通常，常见工程实践会在两个点处使用加速计来测量结构位移。因此，为了获得实时位移，加速度信号需要被积分两次。为了积分信号，加速度记录必须实时地进行带通过滤。该实时过滤过程导致信号在时间上延迟，这样通常不能接受并且禁止其在主动或半主动装置上使用。
替代性地，可以通过如[1]、[8]和[9]中描述的差分全球定位系统DGPS测量结构位移，该差分全球定位系统DGPS是主要地用于健康监控的系统。因此，特定的天线应该被安装在建筑物的外侧，其中，需要测量建筑物位置。通过至少4个卫星图，结构的位置并且因此结构的位移可以被测量。测量值的分辨率足够准确，但是时间方面的信号延迟使得其不能用于主动或半主动装置的控制。因为健康监控不需要真正的实时，因此该类型的结构测量是有用的。
对于实时地测量结构位移而言的另一选择是使用光学传感器。存在不同类型的光学传感器，这主要发现在结构健康监控的范围中的应用。安装在楼层的顶部处的位置灵敏探测器对由安装在楼层的底部处的发光二极管(LED)产生的光的位置进行测量。在[3]、[5]、[6]和[7]中，通过照相机检测结构的两个点的相对位移。通过图像信号处理，将由照相机拍摄的照片转变成位移。具有用于远程测量的成像能力的微波干涉计被用于测量建筑物位移。在所有这些情况下，在结构的相对彼此靠近的两个点之间的相对位移可以被实时地测量。在已经提到用于建筑物实施的文献中，相对测量包括最多3个楼层。为了测量中高层建筑的基部与顶部之间的相对位移，可能必须以串级的方式安装若干光学传感器。此外，在光学传感器安装在结构的承受结构旋转的点上的所有情况下，位移信号将受到该旋转影响，且为了得到目标相对位移信号，结构的旋转需要测量，这不是个简单的任务。另外，用于使用光学传感器测量中高层建筑的基部与顶部之间的相对位移的解决方案可能比本发明在此提出的方案需要更大的安装空间。
在专利US 2011/0029276 A1[10]中，不同的传感器，如倾角计、陀螺仪以及加速计，用于确定静止或运动的结构——比如建筑物、飞行器或轮船——的实时扭曲。因此，结构的特定点的扭曲被测量，但是结构的两个不同点之间的相对位移不被测量，此为是该专利的目的。
在专利101975568A【11】中，示出了一种使用倾角计实时测量的方法。因此，测量了不同点的倾斜，但不测量结构的两个不同点之间的相对位移，这是本专利的目的。
在专利200920033350.2[12]中，示出了通过使用多个倾角计的实时建筑物结构测量方法。因此，结构的特定点的倾斜被测量，但结构的两个不同点之间的相对位移不被测量，这是该专利的目的。
在专利JP 2001040906(A)[13]中，提出了主动地震运动消除装置的实时控制系统。因此，专利专注于用于任何类型传感器的实时数据处理，而不如同本发明那样测量相对位移。
此专利中示出的本发明提供了上述问题的解决方案，即，如何准确地并且经济地实时地测量结构的相对位移，从而使用所测量的信号控制主动或半主动装置。本发明的优点是系统需要相对较小的安装空间。例如，对于建筑物而言，系统可以被安装在电梯核心内。
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附图说明
接下来将参照附图对本发明进行描述，在附图中：
图1示意性地示出了模态结构(2)，其中，具有不同的长度的两个轴向元件(1)和(4)安装在模态结构(2)上以实时地测量结构(2)的相对位移。
图2示出了轴向元件(1)和(4)的固定的连接(5)和柔性的连接(6)。在所示情况下，轴向元件由碳纤维层压制成。
左：正视图；以及右：连接的截面。
1轴向元件/ 2结构/ 3轴向元件与结构之间的相对位移传感器/ 4第二轴向元件/ 5固定的连接/ 6柔性的连接/ 7螺纹杆/ 8钢板/9螺钉/ 10螺栓/ 11激光传感器
具体实施方式
本发明涉及用于实时地测量结构的相对位移的解决方案，例如使用信号来控制主动或半主动结构控制装置。在其他领域比如结构振动健康监控中的应用也是可能的。
本发明包括轴向元件(1)(图1)，该轴向元件(1)安装在结构(2)的两个不同的点之间。例如，图1示意性地示出了建筑物框架。本发明也可用于任一结构(桥梁、港口、货栈、传输线等)。如果结构(2)由于地震、风、旋转机器、人、车辆或者任何其他原因开始移动，那么轴向元件(1)的旋转角可以被测量。通过已知该轴向元件(1)的旋转角，通过以下公式可以获得此轴向元件(1)在不同高度hi处相对于未扭曲结构的相对位移：
通过传感器(3)——该传感器(3)测量在不同高度hi处轴向元件(1)与结构(2)之间的相对位移si——通过以下公式可以获得结构(2)相对于未扭曲结构的相对位移：
uo和so等于零，因为在轴向元件连接至结构(2)的点处在轴向元件(1)与结构(2)之间不存在相对位移。
通过安装的轴向元件(1)，能够实时获得结构位移的全部离散形状。如果仅关注位移，则不需要楼层传感器(3)。
通过将具有不同的长度的第二轴向元件(4)引入同一结构(2)中，能够确定高模态对于总位移的贡献。这样对于模态位移用作反馈信号来控制主动或半主动的装置而言是有用的。仅作为示例，让我们假设：三阶模态位移和结构(2)的更高阶模态的贡献可以被忽略。那么，与一阶结构模态相对应的实时位移可以通过安装在结构(2)具有关于二阶振动模态的节点的位置处的轴向元件(4)来测量。在实际应用中，在一些情况下合适的是，假设三阶模态和高阶模态对于总结构位移没有过多参与。通过在二阶模态穿过零点处测量的一阶模态位移η1,o，可以根据以下公式实时地获得一阶模态的离散位移形状：
η1＝v1·η1，o
v1表示描述结构(2)的一阶模态的标准化矢量。该矢量可以例如通过结构(2)的数值模拟或通过参数或非参数的结构的识别程序被预估。可以通过下述公式计算二阶模态的实时离散位移形状，η2＝u-η1
轴向元件(1、4)为预加应力的，所以轴向元件的固有频率明显高于结构(2)的固有频率。这样避免了轴向元件(1、4)的固有频率在所测量的轴向元件(1、4)与结构(2)之间的旋转角信号上引入不可接受的干扰。可以通过使用具有低质量密度的并且可以被预加应力成高轴向载荷的材料来获得轴向元件(1、4)的高频率。以图2中所示的情况为例，轴向元件(1、4)由非常好地满足这些要求的碳层压制成。
在图2中，示出了用于轴向元件(1、4)与结构(2)之间的固定的连接(5)和柔性的连接(6)的可能的构型。柔性的连接(6)允许通过两个螺纹杆(7)对轴向元件(1、4)进行预加应力。对于碳纤维层压作为轴向元件材料的情况(如图2中所示)，碳纤维可以通过在两个钢板(8)保持层压而被固定，两个钢板(8)进而通过多个螺钉(9)彼此预加应力在一起。对于不同的轴向元件(1、4)的材料，可能需要至轴向元件的其他固定部和结构(2)的其他连接(5)和(6)。
图2中的螺栓(10)能够允许在连接(5)和(6)与轴向元件(1、4)的固定的钢板(8)之间平面(铰接)旋转。轴向元件(1、4)与结构(2)之间的旋转角可以通过不同类型的传感器测量，比如电位计、倾角计、用作倾角计的加速计、旋转罗盘、陀螺仪或如图2中所示的激光传感器(11)的位移传感器。
在使用倾角计或加速计的情况下，根据结构(2)的预期的激励输入和测量的位置，必须考虑这些传感器也测量绝对建筑物运动。因此，额外的传感器需要被直接地安装在结构(2)上，使得轴向元件(1、4)与结构(2)之间的相对旋转可以通过两个信号的减法来确定。在使用比如图2中所示的激光传感器(11)的位移传感器的情况下，该传感器测量连接(5)或(6)与钢板(8)之间的相对位移。该测量的位移能够得出实时相对目标移位qi，且不用先计算旋转角
应当认为，结构(2)的与轴向元件(1、4)连接的点承受结构的旋转。除了使用旋转罗盘或陀螺仪测量旋转角之外，使用的传感器测量轴向元件(1、4)与此轴向元件(1、4)被安装的点之间的相对旋转。在该情况下，结构(2)在连接有轴向元件(1、4)的位置处的旋转使目标相对位移的测量值歪曲。因此，重要的是测量在结构的其旋转可以被忽略的点处的相对旋转角就建筑物而言，该点可以是如图1中所示的基部。
仅为了简单起见，在图1中，实时测量仅沿结构(2)的一个方向。本发明也可以用于通过沿两个垂直方向中的每个方向的轴向元件实时测量结构(2)的位移。通过第二传感器(11)，可以测量轴向元件(1、4)沿垂直方向的旋转以除去图1中示出的结构的平面的位移。在该情况下，需要通过双向铰接件将轴向元件(1、4)连接至结构(2)。
对于结构(2)的双向位移，可能需要在轴向元件中安装传感器(3)并且从轴向元件(1)朝向结构(2)测量，并且反之不然。在该情况下，应该使用非接触式的位移传感器(例如激光传感器)。由于安装在轴向元件(1)中的传感器(3)将减小轴向元件的频率，因此在设计中应该考虑传感器(3)的重量。轴向元件的频率应该始终远离结构的频率。

Claims (15)

1.一种轴向元件(1)(缆线、绳、片等)，所述轴向元件(1)在结构(2)的两个点之间安装并且预加应力，以通过测量所述轴向元件(1)的与所述结构之间所夹的旋转角来获得这两个点之间的实时位移；实时获得的位移能够基于下述情形：由地震、风、机器、人、车辆或其他原因产生的自然或人为的结构振动。
2.一种通过不同位移传感器(3)在轴向元件(1)与结构(2)之间的相对结构位移的测量方法，所述方法用于实时获得所述机构(2)在附接有所述轴向元件(1)的离散点处的位移形状；如果预期所述结构(2)主要是双向位移，则应当将非接触式传感器(3)安装在所述轴向元件(1)中而不是安装在所述结构中。
3.一种根据前述权利要求所述的在结构(2)中的两个点之间预加应力且安装的轴向元件(4)，其中，较高阶模态穿过零点以测量基础模态的位移且过滤了此较高阶模态的参与。
4.具有不同长度的预加应力的多个轴向元件，例如(1)和(4)，所述多个轴向元件如在前述权利要求中描述的那样安装在结构(2)的同一平面内以实时地确定独立的模态位移。
5.两个或更多个轴向元件(1)和(4)，所述两个或更多个轴向元件(1)和(4)沿结构(2)安装在不同位置以获得关于所述结构的扭转运动的信息和关于所述结构的不同点的位移或沿不同方向的位移的信息。
6.安装和预加应力的一个或更多个轴向元件(1)或(4)，利用所述一个或更多个轴向元件(1)或(4)测量旋转角并且可选地还测量同一轴向元件沿一个或两个垂直方向的位移si；在前述权利要求中描述的同一轴向元件提供了关于结构(2)沿两个垂直方向的位移的信息。在这种情况下，根据所述轴向元件(1、4)及其连接部分(5)和(6)的材料，会需要通过双向或球形铰接件来将所述轴向元件(1、4)连接至所述结构(2)。
7.一种根据前述权利要求所述的预加应力的轴向元件，在如权利要求1所述的那样自然或人为地引起的结构振动期间，使用两个点或更多个点的相对或模态总结构位移作为用于结构振动的主动和半主动控制装置的实时直接反馈信号。
8.一种根据前述权利要求所述的预加应力的轴向元件，其中，在轴向元件(1、4)与结构(2)之间的相对关系通过下述装置测量：位移传感器，例如如图2中示出的激光传感器，或任何类型的传感器，例如电位计、倾角计、用作倾角计的加速计、旋转罗盘、陀螺仪或用于测量旋转角的其他传感器。
9.一种根据前述权利要求所述的缆线，所述缆线的材料为碳纤维层或具有类似振动性能的能够获得高刚性、低质量和高固有振动频率的其他材料，以减少通过所述缆线的固有频率而引入测量中的干扰。
10.缆线(1、4)至结构的固定连接(5)和柔性连接(6)，所述固定连接(5)和所述柔性连接(6)允许对根据前述权利要求所述的缆线进行轴向预加应力，所述缆线成层压缆线的形式，例如图2中示出的碳纤维，或任一其他类型的轴向元件(任一材料的缆线、线、绳、钢筋束、带和背带等)。
11.缆线至结构的其他类型的固定连接(5)和柔性连接(6)，其意在符合前述权利要求。
12.一种系统，用于通过钢板或金属板(8)固定层压轴向元件(任一材料的缆线、线、绳、钢筋束、带和背带等)，如图2中示出的碳纤维，所述系统被用于使用根据前述权利要求所述的层压的缆线。
13.根据权利要求12所述的其他类型的固定系统，其用于其他类型的缆线材料，所述固定系统意在符合前述权利要求。
14.一种系统，用于测量根据前述权利要求所述的实时相对结构位移，所述系统安装在除了图1中示出的结构以外的其他类型的结构中，例如任一类型的建筑物、桥梁、塔、轴状物、工业结构和设备、救生绳、任一类型的机器和其他结构。
15.一种根据前述权利要求所述的用于其他用途的结构实时测量系统，所述其他用途例如健康结构监控、识别系统或其他系统以及来自主动或半主动振动控制装置的振动控制。
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