结构健康监测中多维传感器的优化布置方法研究

发布时间：2016-09-11 14:00

  本文关键词：桥梁健康监测中的传感器优化布置研究，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2013年

结构健康监测中多维传感器的优化布置方法研究

王相  

【摘要】：传感器优化布置是设计结构健康监测系统的关键问题之一.,它对数据采集的有效性有着至关重要的影响。考虑到实际工程结构型式复杂、体量巨大,以及现场条件和建造费用等因素的影响,只能在结构有限的位置上布置相对较少的传感器,因此一个好的传感器布设方案,应以尽可能少的传感器获取足够多的结构状态信息。以往的传感器优化布置算法一般针对结构某一方向进行传感器优化布置研究,然后将多维传感器布置在这些测点上,这就造成传感器在优化的结构振动方向是最优的,而在其余方向不是最优的。针对这一问题,本文提出了多维传感器的优化布置方法,研究的内容主要包括以下几个方面： (1)基于Kammer提出的三维动态测点优化布置的有效独立法(Effective independence algorithm for triaxial accelerometers,简称EfI3),将其推广到其他维数,分别给出了适用于高层建筑的EfI2和EfI5算法。将EfI3算法中使用的矩阵行列式值作为信息阵最大化的标准推广到使用矩阵的迹等其他标准来最大化信息阵,以广州新电视塔为算例,并比较不同标准下传感器布置的优劣。 (2)针对以往算法不能考虑结构自身不适定性的问题,提出了一种能够综合考虑结构反应信息敏感性以及系统鲁棒性相协调的优化方法,该方法通过E测试矩阵使Fisher信息矩阵获得最大值，，且能够保证在迭代过程中振型矩阵的条件数最小；本文以广州新电视塔为例,采用模态保证准则、Fisher信息矩阵行列式,以及振型矩阵条件数三种优化准则,对比分析了仅考虑水平振动,以及同时考虑水平振动和空间扭转的传感器优化布置效果,证明了本文方法的可行性和优越性。 (3)针对大型复杂的实际结构,考虑到自由度之间信息的冗余现象,本文提出了基于冗变度分析的多维传感器快速扩展方法,以便更加有效地布置多维传感器。该方法采用扩展的方式,通过迭代直到所需的传感器数目,最后所得的布置方案即能满足模态振型的可观性要求义能够采集尽可能多的振动信息。本文以悬臂长板和大连北大桥作为算例,将该力法与经典的三维有效独立法进行比对,并采用模态的可视化程度、模态保证准则、矩阵的条件数3种评价准则对比分析了传感器优化布置的效果,证明了本文方法的可行性和优越性。 (4)借鉴Kammer提出的质量加权的有效独立法,本文提出发展了刚度加权的有效独立法。为了提高迭代的效率以及能够保证在特定的测点布置传感器,进而提出了刚度加权有效独立扩展法,它是从初始配置结果进行扩展,直到所需的传感器数目。为了探讨精确缩聚的优越性,同时又考虑到质量矩阵加权和刚度矩阵加权之间的差异,本文采用二维简支桁架进行计算,分析两者与经典的多维传感器的有效独立法之间的差异。证明了质量矩阵加权和刚度矩阵加权都有利于提高结构动态响应信号测量时的信噪比,但质量矩阵加权的优越性更强一些。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU317
【目录】：

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