[發明專利]一種基于長標距光纖光柵傳感器的索結構監測方法

有效

• 申請號: 201610818204.5
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN106442541B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 張建;李攀杰;吳智深
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88;G01L1/24;G01B11/16;G01M7/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳國強

1.一種基于長標距光纖光柵傳感器的索結構監測方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一，布置健康監測系統：利用索夾在索結構上布置健康監測系統，所述的健康監測系統由多個設置于索結構的長標距光纖光柵傳感器組成，通過信號采集系統采集健康監測系統監測到的索結構的應變信號；

步驟二，振動測試：采用力錘錘擊索結構上布置有長標距光纖光柵傳感器的節點位置處；

步驟三，信號采集與參數識別：信號采集系統采集振動測試中的沖擊力信號和長標距應變時程；基于子空間識別算法識別系統矩陣，進而識別索結構多層次的參數，參數包括：頻率、阻尼、應變陣型、位移陣型、應變柔度、位移柔度；

所述的子空間識別算法中，狀態空間方程是以觀測值為長標距應變進行建立，過程為：

當測試力施加在節點上時，節點豎向轉角和節點轉角位移之間的關系表示為{θ}＝K{q}，其中{q}為節點豎向位移，{θ}為節點轉角位移，K由有限單元法的自由度分離所得；長標距應變和節點轉角位移之間的關系有式中：h_m為長標距光纖光柵傳感器所固定位置的截面中性軸高度；l_m是單元長度；T₁,T₂為選擇矩陣，T₁的效果相當于去掉所乘矩陣的尾行，T₂的效果相當于去掉所乘矩陣的首行；

則建立了長標距應變和節點豎向位移之間的線性關系

{ϵ‾}=hmlm(T1-T2)K{q}]]>

其次，當觀測值為長標距單元應變y^ε(t)時，設觀測向量狀態向量其中q(t)和分別為節點的位移和加速度時程；則建立觀測向量和狀態向量之間的關系有下列等式成立：

yϵ‾(t)=[Cϵ]hmlm(T1-T2)K0x(t)]]>

再令則離散的狀態空間方程為：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+ω_k

ykϵ‾=Cxk+υk]]>

式中，A,B,C為系統矩陣，u_k為輸入的沖擊力，下標k代表離散時間點，ω_k,υ_k分別為模型誤差和觀測誤差；

所述的子空間識別算法中，同時識別應變柔度和位移柔度，所采用方案是通過模態分解后的對比求解模態縮放系數，進而進行結構的柔度識別，過程為：

模態縮放系數的識別中，在任意的ω下都有下式成立

{φrϵ‾}{φrd}TQrjω-λci=cimbimz-λi]]>

式中，為長標距應變陣型，為位移陣型，Q_i是模態縮放系數；是C^m的第i行，是B^m的第i列，而C^m＝CΨ，B^m＝Ψ^-1B，A＝ΨΛΨ；λ_i是Λ矩陣斜對角線上第i行，λ_ci＝lnλ_i/△t，z＝e^jw△t，△t為離散時間間隔；

上式中，利用最小二乘求解模態縮放系數Q_r：

Qr=cimbim(jω-λci)(z-λi){φrϵ‾}{φrd}T]]>

則索的應變柔度、位移柔度矩陣分別為：

fϵ‾=Σr=1N({φrϵ‾}{φrd}TQr-λci+{φrϵ‾*}{φrd*}TQr*-λci*)]]>

fd=Σr=1N({φrd}{φrd}TQr-λci+{φrd*}{φrd*}TQr*-λci*)]]>

式中，r代表模態階次，N代表所識別的模態階次；f^d分別為應變柔度矩陣和位移柔度矩陣，·^*代表對變量·進行共軛轉置；

步驟四，利用識別的頻率進行索力的識別，根據識別的應變柔度定位索結構的損傷。