CN106918389B - 一种基于多普勒光学位移法的振型分析方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒光学位移法的振型分析方法，所述振型分析方法包括：1)选择多个检测点，然后通过激光多普勒振动传感器依次在每个检测点向标的建筑物发射激光，并接收反射光；2)通过步骤1)得到每个检测点的位移数据Xi，j，其中，i为检测点位编号，j为监测数据时间点；3)对位移数据Xi，j，进行两次差分计算，获得每个监测位点的加速度信号Accx，j。满足了大跨空间结构在运维状态下进行结构模态测试的多普勒动力测试系统，可以实现在复杂环境下，进行远距离、非接触的环境激振的振动测试，提供满足现场测试的快速简易检测手段。

Description

一种基于多普勒光学位移法的振型分析方法及其应用
技术领域
本发明属于建筑工程安全技术领域，具体涉及一种基于多普勒光学位移法的振型检测方法。
背景技术
模态分析是研究结构动态特性的重要研究方法。在机械，汽车，航天，土木等工程领域中，常常需要考虑到结构的模态参数。而结构的动态参数是通过模态测试和模态分析的方法来确定。一种操作简单精度高的模态测试装置就成为模态参数测试的关键。目前国内外对模态测试主要采用以下方法：
一是锤击法模态测试：锤击法能量较小，敲击力大小及方向不易控制，一般锤击法都需要采用多次平均以获得较稳定的测量数据。锤击法测试结构的模态，难以保证每次敲击力相同和敲在同一位置，并且，在待测结构上粘贴传感器，这就给待测结构带来了附加质量，从而改变了结构的质量分布，影响结构的固有特性，导致测试结果与实际相差甚远。二是激振法模态测试：主要是通过分析仪器输出信号源来控制激振器，激励被测试件。输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励(SIMO)与多点同时激励法(MIMO)。而激振器对被测试件击振时，是通过控制激振器的位置来进行不同点的击振，这种击振方法操作繁琐，精度低，也有可能定位在节点处，这使得击振效果不明显。而且只能测量有限的几个点的振幅值，测量结构比较粗糙。
以上方法都是一种接触式间接的测量方法，由于都是由人为的去敲击或者是移动激振器，操作过程中必然存在误差，使得测试精度低，不能直观形象揭示结构的固有振型，以致达不到测试要求。
目前，振动频率检测装置通常采用压电振动元件的加速度传感器，当检测轴方向的力作用于压电振动元件时，压电振动元件的谐振动频率发生变化，根据该谐振动频率的变化，检测施加给加速度传感器的加速度。然而，采用加速度传感器来实现振动频率的检测过程中，需要将加速度传感器固定在标的建筑上，两者需要接触才能完成检测，但是，在有些情况下，例如大跨空间结构等复杂环境下，并不便于安装加速度传感器，因此，现在亟需一种能够在远距离、非接触式的、高精度的检测方法。
发明内容
本发明针对现有技术的需要提供了一种远距离、非接触的环境激振的振动测试方法，该测试方法是基于多普勒光学移动法的振型检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多普勒光学位移法的振型分析方法，所述振型分析方法包括：
1)选择多个检测点，然后通过激光多普勒振动传感器依次在每个检测点向标的建筑物发射激光，并接收反射光；
2)通过步骤1)得到每个检测点的位移数据Xi，j，其中，i为检测点位编号，j为监测数据采样点；
3)对位移数据Xi，j，进行两次差分计算，获得每个监测位点的加速度信号Acci，j。/.
在根据本发明的一个实施方案中，步骤3)所述加速度信号是通过运行下述程式计算得到的：
Figure BDA0001252770690000021
其中，xi，j为第i个监测点位，第j个采样点的位移数据；
xi，j+1为第i个监测点位，第j+1个采样点的位移数据；
xi，j-1为第i个监测点位，第j-1个采样点的位移数据；
h为采样间隔，本发明中采样间隔的典型值为2000Hz。
在根据本发明的一个实施方案中，步骤3)所述的差分计算之前还包括通过滤波剔除Xi，j中的空值和坏值，防止实施方案中由于采集单元的扰动而产生的信号漏采和突变。
通过运行下述程式计算得到的：
Figure BDA0001252770690000022
在根据本发明的一个实施方案中，所述振型分析方法还包括：
4)对差分加速度信号f＝Accx，j进行快速傅里叶变换，得到对应的频率谱图，前n阶的试验检测固有频率分别为ωtest、1、ωtes、t2、ωtest、3…ωtest、n。
本发明还提供了根据上述振型分析方法在结构的状态评估中的应用。
在根据本发明的一个实施方案中所述应用为在弦横向自由振动试验中通过比对理论固有频率和试验检测固有频率，评估弦结构的状态。
优选地，所述理论固有频率方程为：
Figure BDA0001252770690000031
其中，ωn为第n阶理论固有频率；
l为弦结构横向长度；
T为弦结构两端固定、承受张力；
p为弦上段位长度的质量载荷。
在根据本发明的一个实施方案中，取前3阶理论固有频率ω1、ω2、ω3分别与试验测得的前三阶试验检测固有频率ωtest、1、ωtest、2、ωtest、3比较，误差超过阈值认为弦结构状态出现损伤：
(ωtest，n-ωn)/ωn＞θ
其中，θ为误差阈值，一般取值为0.5％～5％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
本发明提供了具有远距离、非接触式特征的多普勒振动频率检测技术和方法体系。满足了大跨空间结构在运维状态下进行结构模态测试的多普勒动力测试系统，可以实现在复杂环境下，进行远距离、非接触的环境激振的振动测试，提供满足现场测试的快速简易检测手段。
附图说明
图1为多普勒振动测试示意图；
图2a-图2c为根据本发明的基于多普勒光学位移法的振型分析方法的检测和变换后得到的检测图谱；其中，图2a为通过本发明的方法采集到的原始位移信号图谱；图2b为将图2a的信号图谱进行快速傅里叶变化后得到位移数据中的频率特征图谱；图2c为在对图2a的信号图谱进行差分处理后，再一次进行快速傅里叶变化后得到的信号图谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，在待测标的建筑物选取多个采样点，在与采样点对应的地方分别放置激光多普勒振动传感器，然后按照一定顺序编码，并根据编码依次发出激光并接收反射光。也可以使用一台激光多普勒振动传感器，依次在与采样点对应的地方进行测试操作。虽然在图1中标示了激振源，但是本申请并非依赖于特定施加的激振源才能实现，实践中自然情况下产生的振动即可实现激振的目的，例如空气或水流的流动、附近因施工传递而来的振动甚至由附近经过的汽车或火车产生的振动等。
根据本发明的基于多普勒光学位移法的振型分析方法包括以下步骤：
1.激光多普勒振动传感器的精度可达到1mm，分辨率可达到0.1mm，采样频率，可以根据试验要求设置，最高采集频率可以达到100KHz)。通过多普勒振动测试得到监测点位的位移数据xi，j(时序矩阵。i为检测点位编号，j为监测数据时间点)。
2.位移数据滤波。对xi，j进行滤波，提出空值与坏值。
3.对位移数据xi，j进行差分得到位移数据中的频率特征，通过对位移数据进行再次差分得到对应监测点位的加速度信号Accx，j。
Figure BDA0001252770690000041
其中，h为采样间隔。
4、通过式l对差分加速度信号f＝Accx，j进行快速傅里叶变换，得到对应的频率谱图。
Figure BDA0001252770690000042
5、通过得到的频率谱图对待测结构的振型进行分析，并完成对结构的状态评估。
实施例2
现结合图2进一步说明本发明的基于多普勒光学位移法的振型分析方法的具体步骤。图2所示为对一个结构跨度为6m，矢高为0.4m，垂度为0.4m形状的平面张弦桁架结构进行振型分析的结果图。使用标准激振源对张弦桁架结构进行阶跃激励，使用多普勒光学位移法采集其位移变化信息数据，并对数据进行快速傅里叶变换，得到图2a-c所示振型特征曲线。
图2a为通过本发明的方法采集到的原始位移信号图谱；图2b为将图2a的信号图谱中的位移数据进行快速傅里叶变化后得到位移数据中的频率特征图谱；图2c为在对图2a的信号图谱中的位移数据进行再次差分处理后，再一次进行快速傅里叶变化后得到的信号图谱。通过上述变换以及图2a-c可见，根据本发明的方法进行差分处理后，差分处理前后得到的前三阶固有频率是一致的，因此，本方法的检测分析方法是准确的。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于多普勒光学位移法的振型分析方法，其特征在于，所述振型分析方法包括：
1)选择多个检测点，然后通过激光多普勒振动传感器依次在每个检测点向标的建筑物发射激光，并接收反射光；
2)通过步骤1)得到每个检测点的位移数据Xi,j，其中，i为检测点位编号，j为监测数据采样点；
3)对位移数据Xi,j，进行两次差分计算，获得每个监测位点的加速度信号Acci,j；
4)对差分加速度信号f＝Acci,j进行快速傅里叶变换，得到对应的频率谱图；
其中采样间隔为h，且2000Hz≤h≤100KHz。
2.如权利要求1所述的振型分析方法，其特征在于，所述采样间隔h＝2000Hz。
3.如权利要求1或2中所述的振型分析方法，其特征在于，步骤3)所述的差分计算之前还包括通过滤波剔除Xi,j中的空值和坏值。
4.如权利要求1～3中任一项所述的振型分析方法在结构的状态评估中的应用，所述应用为在弦横向自由振动试验中通过比对理论固有频率和试验检测固有频率，评估弦结构的状态，所述理论固有频率方程为：
Figure FDA0002424808160000011
其中，ωn为第n阶固有频率；
l为弦结构横向长度；
T为弦结构两端固定、承受张力；
ρ为弦上段位长度的质量载荷。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，取前3阶理论固有频率ω1、ω2、ω3分别与试验测得的前三阶试验检测固有频率ωtest，1、ωtest，2、ωtest，3比较，误差超过阈值认为弦结构状态出现损伤：
(ωtest,n-ωn)/ωn＞θ
其中，θ为定义误差阈值，取值为0.5％～5％。
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