[發明專利]基于四元數傳遞率的結構狀態檢測與識別方法

有效

• 申請號: 201410310240.1
• 申請日: 2014-07-01
• 公開（公告）號: CN104063606B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 任同群;惠美玲;何亮;劉沖;王大志;梁軍生;戴恒震;張志勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞,梅洪玉

技術領域

本發明屬于基于振動響應信號的結構健康檢測技術領域，涉及一種激勵未知條件下基于四元數傳遞率的一般性結構狀態檢測與識別方法。

背景技術

工程結構在其服役過程中難免會經受來自工作環境或自然環境的各種載荷因素作用，并可能由此引起累積性和突發性結構故障。故障產生后，結構的靜、動力學特性隨之改變，輕則影響結構的使用功能，重則引發結構破壞事故，甚至危及生命財產安全。因此，結構狀態檢測在提高結構可靠性，降低結構維護成本，結構安全隱患預報等方面有著重要的意義。

基于結構振動響應信號的檢測方法的核心思想是通過對比當前被測結構與原始健康結構響應信號或信號的某種特征參數來進行狀態檢測。此類方法的關鍵技術是通過信號處理，提取足夠多的響應特征信息和追求足夠高的對損傷的敏感度。其中，傳遞率是近幾年發展起來的重要損傷特征，它定義為兩個像變量之間的頻響函數，即響應點輸出與參考點輸出的拉普拉斯變換之比。當取s＝jw，即用傅里葉變換替代拉氏變換，傳遞率即為結構響應信號頻率的函數。從本質上，傳遞率是頻響函數的函數，綜合反映了包括質量、阻尼和剛度的全部動態參數，同時它摒棄了激勵為白噪聲這一假設前提，且傳遞率與外激勵的大小無關，而僅與加載位置有關。這使得傳遞率在模態參數識別與結構狀態檢測方面得到廣泛的應用。如C.Devriendt以及韓杰等人分別采用傳遞率進行工作模態參數識別。Dapeng Zhu等證明了傳遞率對質量和剛度有很好的敏感度，H.Zhang等以傳遞率幅值曲線下的面積差以及傳遞率相位差積分比為損傷指標進行損傷識別，刁延松等在申請的專利“基于振動傳遞率函數主成分置信度的結構損傷預警方法”中以傳遞率函數主成分置信度為損傷指標，在專利“基于振動傳遞率函數和支持向量機的結構損傷識別方法”中則以傳遞率小波分解后各頻帶能量變化量為損傷指標，分別進行損傷識別。

現有的基于傳遞率的相關應用中，均以單軸傳感器采集的標量振動信號作為分析基礎。在實際應用中，結構的振動響應往往是由不同方向振動分量組成的空間振動，且合成的空間振動方向可能在采集過程中隨時間變化而變化。然而，單軸傳感器的測量值僅僅是實際空間振動在傳感器敏感方向上的投影，因此當傳感器敏感方向與實際振動方向偏離，測量值雖然保持了信號原有的頻率成分，但其幅值譜卻發生變化。除非兩傳感器安裝方向一致，否則計算得到的傳遞率將偏離理論值。而且，隨著實際空間振動方向的變化，可能導致傳遞率產生不規律的縮放變化，進而導致相應的損傷指標發生不規律的變化，最終影響損傷識別結果。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有基于標量信號傳遞率的技術缺陷，發明一種基于三通道信號聯合處理的四元數傳遞率結構狀態檢測與識別方法，無需考慮實際振動方向以及傳感器的安裝方向。

本發明的技術文案如下：

一種基于四元數傳遞率的結構狀態檢測與識別方法，包括空間振動信號的四元數傳遞率求解、基于四元數傳遞率的損傷特征提取、損傷指標的定義和四元數傳遞率優越性驗證。

(1)四元數傳遞率求解

將三通道信號表述成四元數時域序列。參考標量信號傳遞率的定義，四元數傳遞率即為兩個四元數像變量的四元數頻譜之比。