CN110792185B - 一种力和位移同步自监测的智能阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，包括阻尼器、位移测量架、摄像系统；阻尼器包含活塞、缸筒、两端连接段、阻尼介质和图像散斑，图像散斑处于未在缸筒包含下活塞的表面上；所述位移测量架固接于缸筒上靠近图像散斑一侧的端部；摄像系统固定于位移测量架之上，其镜头对准图像散斑。该智能阻尼器利用基于图像处理技术的DIC非接触式位移测量方法和二维数字散斑动态应变测量分析系统的技术，测量精确度较高、实用性强，能实现力和位移同步自监测，具有各部分相对独立，安装、更换以及维护方便等优点，其可用于不同类型阻尼器的性能研究和改进。

Description

一种力和位移同步自监测的智能阻尼器
技术领域
本发明属于阻尼器的工作性能测试领域，特别涉及一种力和位移同步自监测的智能阻尼器。
背景技术
随着人们抗震意识的提高与新型抗震方法的出现，人们跳出了传统增强梁、柱、墙以提高抗震能力的观念，结合结构的动力性能，各种利用阻尼器吸能、耗能系统和主动控制减震体系都已经走向了工程实际。
利用阻尼吸能减震作为一种减轻地震对工程结构破坏的技术，在很多领域已经有了广泛的应用并发展迅速，但关于阻尼器在地震中实际作用效果的实际数据还比较少。
结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)目前已成为土木工程学科发展的重要领域。该技术能够实现以最小人力自动地、实时地、连续地对结构安全状况进行观察和监测，使得能够实时地、在线地对结构进行安全控制。目前针对阻尼器的监测方式主要采用布置分布式传感器，这种接触式位移测量技术会对阻尼器自身工作性能产生影响，如专利申请号：CN201520769212.6。
因此，拥有一种能够实时测量阻尼器力、位移的非接触式测量技术便显得尤为重要，这将极大地有助于我们对阻尼器性能的研究和完善。
发明内容
本发明的目的在于设计一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，以便于研究阻尼器的实际工作性能，并检测阻尼器的安全性与可靠性。
为了实现上述目的，本发明可以采取如下技术方案：
一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，包括阻尼器、位移测量架、摄像系统：所述阻尼器包含活塞、缸筒、两端连接段、阻尼介质和图像散斑，活塞位于缸筒内部，阻尼介质处于缸筒内，当阻尼器受到扰动而工作时，活塞迫使缸筒内的阻尼介质运动，从而阻尼介质将外界的能量转化成热能耗散，两端连接段分别连接活塞的一端与缸筒的一端，当阻尼器正常工作时，两端连接段的最小净截面尺寸需满足其保持弹性状态的要求，图像散斑处于未在缸筒包含下活塞的表面上；所述位移测量架固接于缸筒上靠近图像散斑一侧的端部；所述摄像系统固定于位移测量架之上，其镜头对准图像散斑。
摄像系统利用基于图像处理技术的DIC非接触式位移测量方法和二维数字散斑动态应变测量分析系统技术进行测量。
作为优选，实时监控阻尼器涂有图像散斑的表面，其测得的数据可以本地保存在摄像系统中，也可以远程传输到使用者设备上。
通过非接触式位移测量技术，在不影响阻尼器自身工作的前提下，能够实时精确地进行监测，并传送到使用者的相关设备中。
作为优选，摄像系统与位移测量架相互独立，其安装、更换和维护方便。
作为优选，本发明使用摄像系统，实时采集阻尼器活塞各个变形阶段的散斑图像，根据散斑图像得到阻尼器活塞表面点的轴向位置变化，利用计算设备，采用相关算法进行计算，从而得到阻尼器活塞的轴向应变、轴向位移，即测得阻尼器的实际工作性能；具体推导工程如下：首先，利用公式σ＝E·ε及F＝σ·A得到阻尼器活塞的轴力，其次，根据位移与时间的关系曲线可得到阻尼器活塞的加速度a，最后，根据达朗贝尔原理建立受力平衡方程，可得到阻尼器的出力为E·ε·A-m·a；其中E、ε、A分别代表阻尼器活塞的弹性模量、轴向应变和截面面积。
作为优选，阻尼器不受限制。
阻尼器不局限于单出杆油缸式粘滞阻尼器，可以为双出杆油缸式粘滞阻尼器、金属粘滞阻尼器等；阻尼器也可为金属阻尼器，包括但不局限于屈曲约束支撑。
本发明具有以下有益效果：
1.力和位移同步自监测的智能阻尼器不改变原先阻尼器的任何安装和使用，仅在原先的阻尼器上附加位移测量架和摄像系统；2.力和位移同步自监测的智能阻尼器的测量方法利用了非接触式位移测量技术，不同于普通的位移测量方法，它不会影响阻尼器自身运动，且精确度较高、实用性强；3.力和位移同步自监测的智能阻尼器中的位移测量方法采用了二维数字散斑动态应变测量分析系统，可实现对阻尼器力与位移的一体化测试；4.本发明可用于不同类型的阻尼器的性能研究与改进。
附图说明
图1是本发明实施例1中的阻尼器的结构示意图。
图2是本发明实施例1的力和位移同步自监测的智能阻尼器的结构示意图。
图3是本发明实施例2中的阻尼器的结构示意图。
图4是本发明实施例2的力和位移同步自监测的智能阻尼器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1～2所示：一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，包括阻尼器(1)、位移测量架(2)、摄像系统(3)，其特征在于：所述阻尼器(1)包含活塞(1-1)、缸筒(1-2)、两端连接段(1-3)、阻尼介质(1-4)和图像散斑(1-5)，活塞(1-1)位于缸筒(1-2)内部，阻尼介质(1-4)处于缸筒(1-2)内，当阻尼器(1)受到扰动而工作时，活塞(1-1)迫使缸筒(1-2)内的阻尼介质(1-4)运动，从而阻尼介质(1-4)将外界的能量转化成热能耗散，两端连接段(1-3)分别连接活塞(1-1)的一端与缸筒(1-2)的一端，两端连接段(1-3)的最小净截面尺寸需满足阻尼器(1)正常使用时保持弹性状态的要求，图像散斑(1-5)处于未在缸筒(1-2)包含下活塞(1-1)的表面上；所述位移测量架(2)固接于缸筒(1-2)上靠近图像散斑(1-5)一侧的端部；所述摄像系统(3)固定于位移测量架(2)之上，其镜头对准图像散斑(1-5)。
摄像系统(3)利用基于图像处理技术的DIC非接触式位移测量方法和二维数字散斑动态应变测量分析系统技术进行测量。
摄像系统(3)具有高分辨率和帧频率，安装于位移测量架(2)上，实时监控阻尼器涂有图像散斑(1-5)的表面，其测得的数据可以本地保存在摄像系统中，也可以远程传输到使用者设备上。
摄像系统(3)与位移测量架(2)相互独立，其安装、更换和维护方便。
阻尼器可为粘滞阻尼器，包括但不局限于单出杆油缸式粘滞阻尼器、双出杆油缸式粘滞阻尼器和金属粘滞阻尼器等。
实施例2：
如图3～4所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述阻尼器(1)为防屈曲支撑阻尼器，所述阻尼器(1)包含核心部件(1-1)、外约束部件(1-2)、两端连接段(1-3)和图像散斑(1-4)，核心部件(1-1)位于外约束部件(1-2)内部，外约束部件(1-2)的长度略短于核心部件(1-1)，其内侧尺寸略大于核心部件(1-1)的截面尺寸，当阻尼器(1)正常工作时，其外侧尺寸需满足外约束部件(1-1)处于弹性状态的要求，两端连接段(1-3)的截面尺寸略大于核心部件(1-1)的截面尺寸，图像散斑(1-4)处于未在外约束部件(1-2)包含下核心部件(1-1)的表面上。
阻尼器也可为金属阻尼器，包括但不局限于屈曲约束支撑。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，包括阻尼器（1）、位移测量架（2）、摄像系统（3），其特征在于：所述阻尼器（1）包含活塞（1-1）、缸筒（1-2）、两端连接段（1-3）、阻尼介质（1-4）和图像散斑（1-5），活塞（1-1）位于缸筒（1-2）内部，阻尼介质（1-4）处于缸筒（1-2）内，当阻尼器（1）受到扰动而工作时，活塞（1-1）迫使缸筒（1-2）内的阻尼介质（1-4）运动，从而阻尼介质（1-4）将外界的能量转化成热能耗散，两端连接段（1-3）分别连接活塞（1-1）的一端与缸筒（1-2）的一端，当阻尼器（1）正常工作时，两端连接段（1-3）的最小净截面尺寸需满足其保持弹性状态的要求，图像散斑（1-5）处于未在缸筒（1-2）包含下活塞（1-1）的表面上；所述位移测量架（2）固接于缸筒（1-2）上靠近图像散斑（1-5）一侧的端部；所述摄像系统（3）固定于位移测量架（2）之上，其镜头对准图像散斑（1-5），实时采集阻尼器活塞（1-1）各个变形阶段的散斑图像，根据各个变形阶段的散斑图像（1-5）得到阻尼器活塞（1-1）表面点的轴向位置变化，利用计算设备，采用算法进行实时计算，从而得到阻尼器活塞（1-1）的轴向应变、轴向位移，即测得阻尼器（1）的实际工作性能，具体相关算法的推导工程如下：首先，利用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
及
Figure DEST_PATH_IMAGE002
得到阻尼器活塞（1-1）的轴力，其次，根据位移与时间的关系曲线可得到阻尼器活塞（1-1）的加速度a，最后，根据达朗贝尔原理建立受力平衡方程，可得到阻尼器（1）的出力为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中E、ε、A分别代表阻尼器活塞（1-1）的弹性模量、轴向应变和截面面积。
2.根据权利要求1所述的一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，其特征在于：所述摄像系统（3）利用基于图像处理技术的DIC非接触式位移测量方法和二维数字散斑动态应变测量分析系统技术进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，其特征在于：所述摄像系统（3）具有高分辨率和帧频率，安装于位移测量架（2）上，实时监控阻尼器涂有图像散斑（1-5）的表面，其测得的数据可以本地保存在摄像系统中，也可以远程传输到使用者设备上。
4.根据权利要求1所述的一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，其特征在于：所述摄像系统（3）与位移测量架（2）相互独立，其安装、更换和维护方便。
5.根据权利要求1所述的一种力和位移同步自监测的智能阻尼器，其特征在于：所述阻尼器（1）可为粘滞阻尼器，包括但不局限于单出杆油缸式粘滞阻尼器、双出杆油缸式粘滞阻尼器和金属粘滞阻尼器等；阻尼器（1）也可为金属阻尼器，包括但不局限于屈曲约束支撑。
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