一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置製造方法
2023-12-02 09:23:01
一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，包括PCB加速度器（1）、振動臺（2）、混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器（3）、被測結構體（4）、數字濾波器（5）、信號的數位化採集器（6）和模態參數識別系統（7）；所述被測結構體（4）設置在所述振動臺（2）上；所述PCB加速度器（1）和混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器（3）均設置在所述被測結構體（4）中。本實用新型的測試裝置具有精準、高效、布設及監測簡單和工程適用性較強等眾多優點。
【專利說明】一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置。
【背景技術】
[0002]自1954年以來，發生的垮壩事件一共有3496件，給人民生命財產和國民經濟造成了巨大損失。我國修建的8.7萬座水庫大壩中，有43.7%為病險水庫，就是截止到2007年年底，還仍然有將近3萬餘座的病險水庫，因此，保持建築物的安全運行及使用變得十分嚴峻和緊迫，需要對建築物在各個運行狀態下的運行狀態進行監控，對收集的監測資料進行分析，實時評價建築物的安全狀態。水工結構在此運行過程中不可避免的會產生結構損傷，因此，需要在結構中埋設一定的傳感器以監測結構的性態。布設傳統的監測儀器具有經濟投入較大、精度較低等缺點。
[0003]水工混凝土結構在運行過程中不僅會受到靜荷載的作用，而且會受到動荷載的作用；壓電智能材料的運用能夠在一定程度上減小經濟投入，可以同時用於結構的主動監測和被動監測，而且其具有頻響範圍寬、響應速度快等許多其他材料不具有的特點。由結構動力學可知，振動是結構完整性的靈敏顯示器，結構的損傷會導致結構的物理力學參數變化，進而引起結構動力學響應的變化。在結構健康的動力監測中，結構模態參數的識別是一個重要的環節，同時也是前提和難點所在，其識別結果的精準與否直接影響到後續工作的進行。
實用新型內容
[0004]發明目的:本實用新型的目的在於針對現有技術的不足，提供一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，對水工混凝土結構健康的動力監測領域具有重要理論及實際意義。
[0005]由于振動是結構完整性的靈敏顯示器，結構的損傷會導致結構的物理力學參數變化，進而引起結構動力學響應的變化，在結構健康的動力監測中，結構模態參數的識別是一個重要的環節。本實用新型正是基於自振頻率的識別原理，提出了自振頻率的識別方法，基於混凝土壓電陶瓷機敏模塊(CPSM, Concrete PZT Smart Module)識別水工混凝土結構自振頻率的實現技術，研究並提出了自振頻率的識別方法。本實用新型以前人的研究為基礎，在肯定前人在設計、使用監測儀器和傳感器的基礎上，引入了壓電陶瓷智能材料，利用壓電陶瓷材料設計適合大壩安全監控的壓電陶瓷機敏模塊，並探索其在大壩安全監控方面的運用。
[0006]技術方案:本實用新型所述的水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，包括PCB加速度器、振動臺、混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器、被測結構體、數字濾波器、信號的數位化採集器和模態參數識別系統；所述被測結構體設置在所述振動臺上；所述PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器均設置在所述被測結構體中，將混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器埋置在被測結構體內部，可在一定程度上削弱溫度、溼度等外界環境變化對壓電陶瓷片的影響；
[0007]所述振動臺輸出信號激勵被測結構體產生自振頻率；等效加速度下PCB加速度器和所述混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器獲得振動信號，並將信號通過數字濾波器和信號的數位化採集器傳輸到模態參數識別系統；
[0008]所述混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器包括壓電陶瓷片、硫化矽橡膠層、信號線和外包混凝土，所述硫化矽橡膠層包覆在所述壓電陶瓷片的外圍，包覆有硫化矽橡膠層的壓電陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信號線的一端焊接在壓電陶瓷片上，另一端穿過外包混凝土與其他元器件連接。
[0009]模態參數識別系統對於獲得的信號主要通過模態參數的識別方法中時域分析方法，當測量信號是一個平穩、正態分布、零均值的隨機時間序列時，能準確地反映信號本身的特徵。時域分析方法適用於較短數據的分析處理。模態參數識別系統中，主要採用NExT法獲得隨機激勵下結構中任意兩點的互相關函數，然後利用ITD法將上述互相關函數作為輸入對結構進行試驗模態參數提取。
[0010]dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering)系統用於信號的數位化採集，其由硬體和軟體兩大構件構成，其中軟體系統包括從Simulink模型到dSPACE實時代碼自動生成的工具和對實驗進行可視化、自動化管理的一系列軟體。
[0011]壓電陶瓷片為一種人工製作的壓電材料，為鐵電體一類的物質；壓電陶瓷片的混凝土包層，其主要由水泥砂漿構成；信號線，一般是待壓電陶瓷片的表面乾燥後焊接而上的；單組分硫化矽橡膠質地柔軟，防水性好，且能夠較好的避免壓電陶瓷片埋入混凝土中可能出現的應力集中現象，考慮到壓電陶瓷片自身材質較脆，一般在壓電陶瓷片外圍覆蓋一層單組分硫化矽橡膠以達到保護埋入混凝土中的壓電陶瓷片的效果；應力、位移從壓電陶瓷片向外層混凝土傳遞過程中沿極化方向上呈圓形等勢面，所以壓電陶瓷機敏模塊對的體型一般可以使用圓柱體。
[0012]所述被測結構體通過環氧樹脂粘接在所述振動臺上，通過振動臺輸出信號的隨機噪聲信號，頻率較為豐富，便於激勵出在此範圍內的不同階次結構自振頻率，通過輸入不同的等效加速度來控制輸入信號的能量大小，採用dSPACE數據採集系統對監測數據進行採集，取激振等效加速度下CPSM和PCB加速度器獲得的振動信號作為分析樣本。
[0013]利用本實用新型水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置進行水工混凝土結構自振頻率識別的測試方法，包括如下步驟:
[0014](I)振動臺輸出激勵信號，激勵被測結構體產生自振頻率；
[0015](2)通過輸入不同的等效加速度來控制輸入信號的能量大小；
[0016](3)等效加速度下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器獲得的振動信號，經過數字濾波器去噪後，被信號的數位化採集器採集；
[0017](4)信號傳遞到模態參數識別系統，首先選擇參考點，然後由NExT法得到隨機激勵下PCB加速度器和混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器獲得的振動信號相對於參考點的互相關函數，將計算得到的互相關函數值作為ITD時域模態參數識別的輸入數據，得到脈衝響應函數，實現了水工混凝土結構自振頻率識別的測試。
[0018]NExT法(Natural Excitation Technique)又稱為自然激勵技術,其基本原理為隨機激勵下結構兩點之間響應的互相關函數和脈衝響應函數有相似的表達式，在求得兩點之間響應的互相關函數後，再通過時域模態參數識別法方法進行模態參數識別。兩個響應之間的互相關函數的表達式為:
[0019]
【權利要求】
1.一種水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，其特徵在於:包括PCB加速度器(I)、振動臺(2)、混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器(3)、被測結構體(4)、數字濾波器(5)、信號的數位化採集器(6)和模態參數識別系統(7);所述被測結構體(4)設置在所述振動臺(2 )上；所述PCB加速度器(I)和混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器(3 )均設置在所述被測結構體(4)中； 所述振動臺(2)輸出信號激勵被測結構體(4)產生自振頻率；等效加速度下PCB加速度器(I)和所述混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器(3)獲得振動信號，並將信號通過數字濾波器(5)和信號的數位化採集器(6)傳輸到模態參數識別系統(7)； 所述混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器(3)包括壓電陶瓷片(10)、硫化矽橡膠層(12)、信號線(11)和外包混凝土(9)，所述硫化矽橡膠層(12)包覆在所述壓電陶瓷片(10)的外圍，包覆有硫化矽橡膠層(12)的壓電陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信號線(II)的一端焊接在壓電陶瓷片(10)上，另一端穿過外包混凝土(9)與其他元器件連接。
2.根據權利要求1所述的水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，其特徵在於:所述混凝土壓電陶瓷機敏模塊傳感器(3)為圓柱體。
3.根據權利要求1所述的水工混凝土結構自振頻率識別的測試裝置，其特徵在於:所述被測結構體(4)通過環氧樹脂粘接在所述振動臺(2)上。
【文檔編號】G01M7/02GK203432772SQ201320560238
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】蘇懷智, 張楠, 楊孟, 蔡珊珊 申請人:河海大學