CN105547552B - 一种用于销式结构受力状态的监测方法 - Google Patents

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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes

Abstract

一种用于销式结构受力状态的监测方法，属于结构健康监测技术领域。其特征是在销式结构的销座和销栓的表面分别粘贴压电陶瓷片传感器，首先用一定频率段的正弦扫频电信号对其中一个传感器施加激励，传感器产生的应力波通过销式结构中销栓与销孔的接触面传播，之后被另一压电陶瓷片传感器捕捉并接收，转化为电信号并被NI信号采集卡采集，通过对比分析接收到的信号与正常工况下接收信号基准值的差异来判断和识别此时被测销式结构的受力状态。本发明应用压电陶瓷传感器技术，可简单方便地实现销式结构受力状态的监测和识别，对于提高销式结构系统的安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

Description

一种用于销式结构受力状态的监测方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种用于销式结构受力状态的监测方法。
背景技术
构件连接单元的健康状况对整个结构系统的安全运行和寿命维护起到至关重要的作用。销式连接作为一种结构构件单元之间常见的连接方式，以其轻质高强、组装拆卸方便、可以抵抗转动变形等众多优点而广泛应用于桥梁、建筑、机械等领域。然而在使用过程中，一些超过销式结构设计承载能力的外加荷载必然会对其健康状况以及未来的承载能力产生影响，但是目前在相关领域并没有一种行之有效的方法可以对销式结构受力状况进行实时准确的监测和识别。
压电陶瓷(Lead ZirconateTitanate,PZT)以其特有的传感和作动功能而成为近年来在土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快，频率范围宽，易裁剪，价格低廉等特点而在工程结构监测方面存在着巨大的应用潜力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对销式结构健康监测领域的空白，提出一种用于销式结构受力状态的监测方法，可以对销式结构的受力状况进行实时准确的监测和识别。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种用于销式结构受力状态的监测方法，包括如下内容：
步骤一，将两个压电陶瓷传感器分别以表面粘贴的方式，固定于销式结构的销栓和销座的表面，压电陶瓷传感器表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；
步骤二，将两个压电陶瓷传感器分别通过BNC电缆连接到NI信号采集卡，NI信号采集卡通过USB缆线与电脑分析终端相连；
步骤三，电脑分析终端通过USB缆线控制NI信号采集卡产生一定频段的正弦扫频激励电信号，并通过NI信号采集卡输出端输出，经BNC电缆传输到其中一个压电陶瓷传感器；另一个压电陶瓷传感器接收通过销式结构传递的激励信号并将激励信号转化为电信号，经BNC电缆传输到NI信号采集卡的输入端，NI信号采集卡将其转化为数字信号，并通过USB缆线传输到电脑分析终端；
步骤四，在电脑分析系统中定义销式结构正常无损工作状态下，所测得的压电陶瓷传感器信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期销式结构测量信号的识别特征参数，将其与识别基准值对比分析并计算受力评判指标，通过监测评判指标的变化得出销式结构的受力情况。
所述步骤四中，销式结构正常无损工作状态下的传感器基准信号，通常可以取销式结构建成之后投入使用之前的采集信号，也可以是在通过其他检测方法确认销式结构没有损伤之后，进行实验采集的信号。
所述步骤四中，识别特征参数包括接收信号的能量幅值、小波包能量值、结构局部谐振频率、信号拟合回归系数、因子分析系数、小波包节点系数等一系列可以表征信号特征的直接测量值或者衍生值；受力评判指标包括上述信号特征值的相对变化值、变化相对均方差；所定义的评判指标越大，则表明被测连接单元的受力情况较正常受力情况偏差越大。
所述步骤三中，激励扫频信号的生成和响应信号的接收是通过粘贴于被检测的销式结构表面的压电陶瓷片所实施的。
本发明的有益效果在于将压电陶瓷传感器技术应用到销式连接构件的受力状态的监测和识别，原理明确、成本低廉、操作简单易行、识别准确，可以实现销式结构受力状态的长期在线监测和识别，从而为销式结构的安全评价和寿命预测提供了科学依据，对于减少整个系统结构的监测和运行维护成本，降低销式结构的安全隐患和运行风险，将产生积极的意义。
附图说明
附图1为本发明的销式结构连接示意图及传感器布置图。
附图2是本发明的销式结构受力状态监测示意图。
附图3是一个刚性球体和一个弹性半空间体的接触示意图
附图4是两个具有弹性曲面的圆柱体平行接触示意图
附图5是根据赫兹接触理论求得的平行接触圆柱体的接触面
图中：1吊杆；2销座；3销栓；4压电陶瓷传感器；5BNC电缆；6NI信号采集卡；7USB缆线；8电脑分析终端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做具体的描述：
悬索桥梁中吊杆1与混凝土桥面常用销式结构进行连接，将两个压电陶瓷传感器4分别以表面粘贴的方式，固定于销式结构的销栓3和销座2的表面，压电陶瓷传感器4表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；
将两个压电陶瓷传感器4分别通过BNC电缆5连接到NI信号采集卡6，NI信号采集卡6通过USB缆线7与电脑分析终端8相连；
电脑分析终端8通过USB缆线7控制NI信号采集卡6产生一定频段的正弦扫频激励电信号，并通过NI信号采集卡6输出端输出，经BNC电缆5传输到其中一个压电陶瓷传感器；另一个压电陶瓷传感器接收通过销式结构传递的激励信号并将激励信号转化为电信号，经BNC电缆5传输到NI信号采集卡6输入端，NI信号采集卡将其转化为数字信号，之后通过USB缆线7传输到电脑分析终端8；
在电脑分析系统中定义销式结构正常无损工作状态下，所测得的压电陶瓷传感器信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期销式结构测量信号的识别特征参数，将其与识别基准值对比分析并计算受力评判指标，通过监测评判指标的变化得出销式结构的受力情况。所定义的评判指标越大，则表明被测连接单元的受力情况较正常受力情况偏差越大。
例如，设压电传感器接收信号的能量值为E，可以表示为
其中，ts和tf分表表示接收信号的初始时刻和结束时刻，y(t)和fs分别表示接收信号的离散采样值和采样频率。
在这种情况下，结构的受力评判指标即接收信号能量值的相对变化率R，由下式计算：
其中，Et表示结构实测的信号能量值，E0表示结构健康状态下的信号能量值，即为基准值。以上(2)式中的信号能量值E还可由小波包能量值、结构局部共振频率来代替。
针对压电传感器接收信号的小波包节点系数r，其受力评判指标还可由小波节点系数r的变化相对均方差(The root mean square deviation,RMSD)来进行计算：
其中，ri表示结构实测信号的第i个小波包节点系数，ri 0表示结构健康状态下测试信号的第i个小波包节点系数,N表示小波包节点系数的个数。其式(3)中的小波包节点系数r还可以用信号拟合回归系数、因子分析系数来代替。
本发明的基本原理是，吊杆1和销座2通过销栓3来进行连接，当吊杆1的拉力或压力改变时，销式结构连接部分松紧度会产生变化，销栓3与销座2的销孔内壁之间的挤压力随之发生变化，二者的接触面积随着挤压力的增加而增大。
这里给出简要的理论推导，根据接触力学赫兹接触理论的相关知识，在一个最初表面平整的弹性半空间体和一个半径为R的刚性球体的接触区域中，如图3所示，假设压入深度为d，则接触面是一个半径a的圆，其中a为：
当两个曲面弹性体相互接触时，式(4)同样适用，此时，R为等效半径，针对本研究中两个圆柱体平行接触，如图4所示，其等效半径R可以表示为
其中，R1和R2分别为两个圆柱体的截面半径，此时压入深度d与法向力F呈线性关系：
其中，L为两个圆柱体的平行接触长度，E*为等效弹性模量，如果两个物体都是弹性的，则E*可以表示为
这里，E1和E2分别为两个物体的弹性模量，ν1和ν2是相应的泊松比。
根据以上分析可知，两个圆柱体平行接触的接触面为一个宽为2a,长为L的矩形(如图5所示)，其面积A可以表示为：
A＝2aL (8)
将式(4)和式(6)代入上式，则式(5)可以写为：
其中，
当两个圆柱体弹性接触，其材料性质和几何尺寸确定时，c为一个常数，根据式(9)，则两个圆柱体的平行接触面积A随着法向力F的增大而增大。按照这个分析原理，本研究中销栓与销栓孔的接触面积，也将会随着外部受力的增加而增大。
同时可知压电陶瓷传感器产生的兰姆波在结构中传播，接收信号的能量衰减程度与结构间的接触面积成反比:接触面积越大，兰姆波通过接触面传播后衰减越小，即接收到的能量越大，反之，接触面积减小，则接收到的能量也随之降低。因此，通过监测兰姆波在销式结构中能量传播的衰减程度，即可间接的反映出销栓与结构间接触面积的微变化，从而对销式结构的受力状态进行准确地评估和监测。本发明提出的方法原理简单、操作易行，对受力状态的微小变化也能做到准确实时的监测和识别。
本发明利用了两个表面粗糙的弹性物体相互挤压，实际接触面积会随着挤压力的增大而增大，同时，兰姆波在结构传播过程中通过实际接触面后的能量衰减程度与接触面积成反比，由此，通过比较实际接收到信号的能量与正常情况下参考值的相对大小，即可简单高效地实现销式结构受力状态的监测和识别，对于提高销式结构系统的安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

Claims (4)

1.一种用于销式结构受力状态的监测方法，其特征在于该方法包括如下内容：
步骤一，将两个压电陶瓷传感器(4)分别以表面粘贴的方式，固定于销式结构的销栓(3)和销座(2)的表面，压电陶瓷传感器表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；
步骤二，将两个压电陶瓷传感器(4)分别通过BNC电缆(5)连接到NI信号采集卡(6)，NI信号采集卡(6)通过USB缆线(7)与电脑分析终端(8)相连；
步骤三，电脑分析终端(8)通过USB缆线(7)控制NI信号采集卡(6)产生一定频段的正弦扫频激励电信号，并通过NI信号采集卡(6)输出端输出，经BNC电缆(5)传输到其中一个压电陶瓷传感器；另一个压电陶瓷传感器接收通过销式结构传递的激励信号并将激励信号转化为电信号，经BNC电缆(5)传输到NI信号采集卡(6)的输入端，NI信号采集卡(6)将其转化为数字信号，并通过USB缆线(7)传输到电脑分析终端(8)；
步骤四，在电脑分析系统中定义销式结构正常无损工作状态下，所测得的压电陶瓷传感器信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期销式结构测量信号的识别特征参数，将其与识别基准值对比分析并计算受力评判指标，通过监测评判指标的变化得出销式结构的受力情况。
2.根据权利要求1所述的一种用于销式结构受力状态的监测方法，其特征在于，所述步骤四中，销式结构正常无损工作状态下的传感器基准信号，通常可以取销式结构建成之后投入使用之前的采集信号，也可以是在通过其他检测方法确认销式结构没有损伤之后，进行实验采集的信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于销式结构受力状态的监测方法，其特征在于，所述步骤四中，识别特征参数包括接收信号的能量幅值、小波包能量值、结构局部谐振频率、信号拟合回归系数、因子分析系数、小波包节点系数等一系列可以表征信号特征的直接测量值或者衍生值；受力评判指标包括上述信号特征值的相对变化值、变化相对均方差；所定义的评判指标越大，则表明被测连接单元的受力情况较正常受力情况偏差越大。
4.根据权利要求1所述的一种用于销式结构受力状态的监测方法，其特征在于，所述步骤三中，激励扫频信号的生成和响应信号的接收是通过粘贴于被检测的销式结构表面的压电陶瓷片所实施的。
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