發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 04:41

　　 因?yàn)閷ΜF(xiàn)有在役結(jié)構(gòu)有著性能評估的需求,并且一部分在役結(jié)構(gòu)正在逐步達(dá)到使用壽命,所以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)技術(shù)在建筑行業(yè)的地位日漸重要,成為不可或缺的組成部分。在性能評估中,位移評估極其重要,但很多現(xiàn)場難以架設(shè)傳統(tǒng)的傳感器進(jìn)行直接且準(zhǔn)確的測量,所以很多新的傳感技術(shù)(無參考和非接觸)以及利用其他方式進(jìn)行的位移評估方法有著很大的需求,將其集成入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中,以克服基于參考點(diǎn)的位移傳感器的局限性。本論文的主要內(nèi)容如下:(1)本文探討了一種無需設(shè)置參考點(diǎn)的位移估計(jì)方法,無參考位移估計(jì)法,其主要針對鐵路橋梁的橫向總位移。此無參考位移估計(jì)法,將總位移分解為兩個(gè)部分:高頻的動(dòng)態(tài)位移分量以及低頻的偽靜態(tài)位移分量。其利用接觸式的加速度計(jì)來采集兩類數(shù)據(jù),其一為振動(dòng)方向上的加速度數(shù)據(jù),然后運(yùn)用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移分量估計(jì);另一類數(shù)據(jù)為用于計(jì)算傾斜角的相互垂直的兩向加速度數(shù)據(jù),然后運(yùn)用簡單動(dòng)態(tài)平均(SMA)濾波器消除傾斜角中的動(dòng)態(tài)分量,再利用理論公式估計(jì)偽靜態(tài)位移分量。最終疊加動(dòng)態(tài)位移分量估計(jì)曲線與偽靜態(tài)位移分量估計(jì)曲線,獲得總位移估計(jì)曲線。(2)本文運(yùn)用振動(dòng)臺試驗(yàn)對該無參考位移估計(jì)法進(jìn)行了驗(yàn)證。振動(dòng)臺試驗(yàn)分為兩類,其一使用自制的可測量三向加速度的低成本高效無線集成傳感器2(LEWIS2),其二使用由PCB Piezotronics公司生產(chǎn)的Model 3711E1110G直流響應(yīng)加速度計(jì),是一種電容式加速度計(jì)。結(jié)果顯示,當(dāng)向振動(dòng)臺中輸入的是大振幅位移時(shí)程數(shù)據(jù)時(shí),用LEWIS2測得的數(shù)據(jù)來估計(jì)偽靜態(tài)位移時(shí)程曲線時(shí)有著較大的偏離,這對最終的總估計(jì)位移時(shí)程曲線的得出有著比較大的影響。電容式加速度計(jì)試驗(yàn)中的該種影響較小。主要體現(xiàn)估計(jì)位移時(shí)程曲線與參考位移時(shí)程曲線的擬合情況的總位移E2誤差,LEWIS2試驗(yàn)為30%左右,電容式加速度計(jì)試驗(yàn)為10%以下。說明了無參考位移估計(jì)法有著一定的實(shí)際意義,并且傳感器設(shè)備對無參考位移估計(jì)法有著一定的影響。LEWIS2試驗(yàn)的估計(jì)效果沒有電容式加速度計(jì)試驗(yàn)時(shí)的好的原因,可以在偽靜態(tài)位移估計(jì)時(shí)體現(xiàn)出來,LEWIS2在測量低頻數(shù)據(jù)時(shí)的誤差比電容式加速度計(jì)的大。(3)本文運(yùn)用ANSYS有限元模擬了振動(dòng)臺試驗(yàn)。結(jié)果顯示其對比曲線以及量化誤差數(shù)據(jù)非常完美,總位移E2誤差在2%以下,而偽靜態(tài)的各項(xiàng)誤差值都近乎為零。說明了無參考位移估計(jì)法具有合理性。對比ANSYS有限元模擬與振動(dòng)臺試驗(yàn)。結(jié)果顯示ANSYS有限元模擬的對比曲線更加完美,誤差數(shù)據(jù)更加小。ANSYS有限元模擬總位移E2誤差整體僅為電容式加速度計(jì)試驗(yàn)中的1/5,僅為LEWIS2試驗(yàn)中的1/15。在量化誤差數(shù)據(jù),以及有限元模擬的對比曲線圖上可以表現(xiàn)出無參考位移估計(jì)法具有合理性,并且再一次說明了傳感器設(shè)備對無參考位移估計(jì)法有著一定的影響。
【學(xué)位單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU317
【部分圖文】：

傳感器測量ｘ軸方向的加速度。但傳感器傾斜時(shí)，重力加速度ｇ在傳感器的ｘ軸上的投??影產(chǎn)生了輸出加速度４?，其等于傳感器的ｘ軸與水平軸之間的角度０的正弦與重力加速度ｇ??的乘積，這是正交于重力矢量的，如圖２－３所示。得到的加速度和角度可表示如下：??Ａｘ?＝?ｇ?＊?ｓｉｎ（０）?（２－１３）??０?＝ｓｉｎ－１（＾）?（２－１４）??Ｘ，??＂１＾１：?Ｘ??ＨＨｐ??ｇ??圖２－３單軸的傳感識確??當(dāng)傳感器的分辨率不高時(shí)，單軸傾斜感測可能提供不準(zhǔn)確的讀數(shù)。所需最低分辨率如下??確定：??

為了提高精度，傾斜感測集成了第二傳感器，該第二傳感器測量ｙ軸上的重力矢量的投??影。為了將測量的ｙ軸加速度＼轉(zhuǎn)換為傾斜角，計(jì)算ｙ軸和重力矢量之間的角度０的余弦，??如圖２－４所示：??—?９?＾?Ｃ〇ｓ（０）?（２－１６）??９?＝?ｃｏｓ＿１（ｙ）?（２－１７）??ｆ＾ｌＸ，??ｉ??ｇ??圖２＞４雙軸的傳感器轉(zhuǎn)角??通過合成公式（２－１３）和公式（２－１６），可以計(jì)算／＾和／＾之間的比率，并且可以確定傾??斜角的正切值：??＾?＝?（２－１８）??Ａｙ?ｇ＊ｃｏｓ（＜ｄ）?、??在公式（２－１８）的兩側(cè)應(yīng)用反正切函數(shù)：??０?＝?ｔａｎ－１＾）?（２－１９）??通過簡單動(dòng)態(tài)平均（ＳＭＡ）濾波器衰減動(dòng)態(tài)分量獲得偽靜態(tài)傾斜角，如下所示：??ｅｐ［ｉ］＝＾＾ｅｔ?［ｉ＋ｊ］?（２－２０）??其中Ａ?＝包含動(dòng)態(tài)和偽靜態(tài)分量的總傾斜角；ｉ?＝第ｉ時(shí)間步；ｎ?＝平均點(diǎn)數(shù)（即平均窗??口的大�。�。??公式基于懸臂樁端的撓度和轉(zhuǎn)角公式，如下：??Ａｐ＝＾?（２－２１）??ｖ?３ＥＩ??ｅｐ?＝?（２－２２）??Ａｐ＝－＾ｅｐＬ?（２－２３）??其中ＡＰ＝估計(jì)的偽靜態(tài)位移；０ｐ＝偽靜態(tài)傾斜角；ＰＭ乍用在樁端的力；Ｌ?＝樁的長度；??Ｅ?＝樁的彈性模量。??

ＬＶＤＴ負(fù)責(zé)收集位移數(shù)據(jù)。??３．１．１低成本高效無線集成傳感器２?（ＬＥＷＩＳ２）??ＬＥＷＩＳ２是一種用于測量加速度的自制傳感器，如圖３－１所示。顧名思義，ＬＥＷＩＳ２非常??便宜，其價(jià)格如表３－１所示，總價(jià)約１１６美元，遠(yuǎn)低于商用傳感器的價(jià)格。本試驗(yàn)所運(yùn)用的??另一種商用傳感器Ｍｏｄｅｌ?３７１１Ｅ１１１０Ｇ直流響應(yīng)加速度計(jì)的價(jià)格為７２４美元（定價(jià)僅在美國有??效），其匹配的連接線為８１美元，以及其他配套設(shè)備的成本。ＬＥＷＩＳ２可以以５００Ｈｚ的頻率??高效地收集和存儲數(shù)據(jù)，并且使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線控制。ＬＥＷＩＳ２是一種結(jié)合了實(shí)時(shí)無線控??制，實(shí)時(shí)收集和存儲數(shù)據(jù)等一系列性能的自制傳感器。??ＬＥＷＩＳ２包含了許多組件，包括：ＡｒｄｕｉｎｏＵｎｏＲ３，?Ａｒｄｕｉｎｏ?ｗｉｒｅｌｅｓｓ?ＳＤ?Ｓｈｉｅｌｄ，?ＧＹ－９１?板，??ＸＢｅｅ系列模塊，ＸＢｅｅ導(dǎo)出器，ＳＤ卡和電池。??：＿＿￥??二萬｜?．＾ｒｄｉ？ａｏＵｎｏＲ３?１１?ＡｒｄｕａＷｇｅｉｅＭ?ＳＤ?Ｓｈｉｅｉｄ?｜「Ｘ３抒導(dǎo)，器一??ｉ—ｉ?１１?＾．．．．?ｉ??圖３－】ＬＥＷ１Ｓ２和ＬＥＷ丨Ｓ２的主要組件??
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本文編號：2889716