基于悬臂式结构的无参考位移估计方法及验证

发布时间：2020-11-19 04:41

　　 因为对现有在役结构有着性能评估的需求,并且一部分在役结构正在逐步达到使用寿命,所以结构健康监测(SHM)技术在建筑行业的地位日渐重要,成为不可或缺的组成部分。在性能评估中,位移评估极其重要,但很多现场难以架设传统的传感器进行直接且准确的测量,所以很多新的传感技术(无参考和非接触)以及利用其他方式进行的位移评估方法有着很大的需求,将其集成入结构健康监测系统中,以克服基于参考点的位移传感器的局限性。本论文的主要内容如下:(1)本文探讨了一种无需设置参考点的位移估计方法,无参考位移估计法,其主要针对铁路桥梁的横向总位移。此无参考位移估计法,将总位移分解为两个部分:高频的动态位移分量以及低频的伪静态位移分量。其利用接触式的加速度计来采集两类数据,其一为振动方向上的加速度数据,然后运用有限脉冲响应(FIR)滤波器进行动态位移分量估计;另一类数据为用于计算倾斜角的相互垂直的两向加速度数据,然后运用简单动态平均(SMA)滤波器消除倾斜角中的动态分量,再利用理论公式估计伪静态位移分量。最终叠加动态位移分量估计曲线与伪静态位移分量估计曲线,获得总位移估计曲线。(2)本文运用振动台试验对该无参考位移估计法进行了验证。振动台试验分为两类,其一使用自制的可测量三向加速度的低成本高效无线集成传感器2(LEWIS2),其二使用由PCB Piezotronics公司生产的Model 3711E1110G直流响应加速度计,是一种电容式加速度计。结果显示,当向振动台中输入的是大振幅位移时程数据时,用LEWIS2测得的数据来估计伪静态位移时程曲线时有着较大的偏离,这对最终的总估计位移时程曲线的得出有着比较大的影响。电容式加速度计试验中的该种影响较小。主要体现估计位移时程曲线与参考位移时程曲线的拟合情况的总位移E2误差,LEWIS2试验为30%左右,电容式加速度计试验为10%以下。说明了无参考位移估计法有着一定的实际意义,并且传感器设备对无参考位移估计法有着一定的影响。LEWIS2试验的估计效果没有电容式加速度计试验时的好的原因,可以在伪静态位移估计时体现出来,LEWIS2在测量低频数据时的误差比电容式加速度计的大。(3)本文运用ANSYS有限元模拟了振动台试验。结果显示其对比曲线以及量化误差数据非常完美,总位移E2误差在2%以下,而伪静态的各项误差值都近乎为零。说明了无参考位移估计法具有合理性。对比ANSYS有限元模拟与振动台试验。结果显示ANSYS有限元模拟的对比曲线更加完美,误差数据更加小。ANSYS有限元模拟总位移E2误差整体仅为电容式加速度计试验中的1/5,仅为LEWIS2试验中的1/15。在量化误差数据,以及有限元模拟的对比曲线图上可以表现出无参考位移估计法具有合理性,并且再一次说明了传感器设备对无参考位移估计法有着一定的影响。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU317
【部分图文】：

传感器测量ｘ轴方向的加速度。但传感器倾斜时，重力加速度ｇ在传感器的ｘ轴上的投??影产生了输出加速度４?，其等于传感器的ｘ轴与水平轴之间的角度０的正弦与重力加速度ｇ??的乘积，这是正交于重力矢量的，如图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??图２－３单轴的传感識确??当传感器的分辨率不高时，单轴倾斜感测可能提供不准确的读数。所需最低分辨率如下??确定：??

为了提高精度，倾斜感测集成了第二传感器，该第二传感器测量ｙ轴上的重力矢量的投??影。为了将测量的ｙ轴加速度＼转换为倾斜角，计算ｙ轴和重力矢量之间的角度０的余弦，??如图２－４所示：??—?９?＾?Ｃ〇ｓ（０）?（２－１６）??９?＝?ｃｏｓ＿１（ｙ）?（２－１７）??ｆ＾ｌＸ，??ｉ??ｇ??图２＞４双轴的传感器转角??通过合成公式（２－１３）和公式（２－１６），可以计算／＾和／＾之间的比率，并且可以确定倾??斜角的正切值：??＾?＝?（２－１８）??Ａｙ?ｇ＊ｃｏｓ（＜ｄ）?、??在公式（２－１８）的两侧应用反正切函数：??０?＝?ｔａｎ－１＾）?（２－１９）??通过简单动态平均（ＳＭＡ）滤波器衰减动态分量获得伪静态倾斜角，如下所示：??ｅｐ［ｉ］＝＾＾ｅｔ?［ｉ＋ｊ］?（２－２０）??其中Ａ?＝包含动态和伪静态分量的总倾斜角；ｉ?＝第ｉ时间步；ｎ?＝平均点数（即平均窗??口的大小）。??公式基于悬臂桩端的挠度和转角公式，如下：??Ａｐ＝＾?（２－２１）??ｖ?３ＥＩ??ｅｐ?＝?（２－２２）??Ａｐ＝－＾ｅｐＬ?（２－２３）??其中ＡＰ＝估计的伪静态位移；０ｐ＝伪静态倾斜角；ＰＭ乍用在桩端的力；Ｌ?＝桩的长度；??Ｅ?＝桩的弹性模量。??

ＬＶＤＴ负责收集位移数据。??３．１．１低成本高效无线集成传感器２?（ＬＥＷＩＳ２）??ＬＥＷＩＳ２是一种用于测量加速度的自制传感器，如图３－１所示。顾名思义，ＬＥＷＩＳ２非常??便宜，其价格如表３－１所示，总价约１１６美元，远低于商用传感器的价格。本试验所运用的??另一种商用传感器Ｍｏｄｅｌ?３７１１Ｅ１１１０Ｇ直流响应加速度计的价格为７２４美元（定价仅在美国有??效），其匹配的连接线为８１美元，以及其他配套设备的成本。ＬＥＷＩＳ２可以以５００Ｈｚ的频率??高效地收集和存储数据，并且使用计算机进行无线控制。ＬＥＷＩＳ２是一种结合了实时无线控??制，实时收集和存储数据等一系列性能的自制传感器。??ＬＥＷＩＳ２包含了许多组件，包括：ＡｒｄｕｉｎｏＵｎｏＲ３，?Ａｒｄｕｉｎｏ?ｗｉｒｅｌｅｓｓ?ＳＤ?Ｓｈｉｅｌｄ，?ＧＹ－９１?板，??ＸＢｅｅ系列模块，ＸＢｅｅ导出器，ＳＤ卡和电池。??：＿＿￥??二萬｜?．＾ｒｄｉ？ａｏＵｎｏＲ３?１１?ＡｒｄｕａＷｇｅｉｅＭ?ＳＤ?Ｓｈｉｅｉｄ?｜「Ｘ３抒导，器一??ｉ—ｉ?１１?＾．．．．?ｉ??图３－】ＬＥＷ１Ｓ２和ＬＥＷ丨Ｓ２的主要组件??
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本文编号：2889716