CN115683035B - 一种梁式结构的应变模态参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梁式结构的应变模态参数测量方法，包括以下步骤：在梁式结构确定信号发生点；在信号发生点中指定信号采样点；在信号采样点搭建串联式全桥结构，根据串联式全桥结构配置计算模型；获取测试采样点的输出信号，计算梁式结构的应变模态参数。根据上述技术方案，可以精确识别与测量梁式结构在不同工况下结构的应变模态参数，可以提高识别与测量结果的精度，所测量的模态参数更接近实际情况，可以有效避免结构突变带来的非线性误差。

Description

一种梁式结构的应变模态参数测量方法

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测领域，具体而言，涉及一种梁式结构的应变模态参数测量方法。

背景技术

随着我国现代化工业、公路、铁路的迅速发展，特别是行架、钢铁及梁式结构工业的发展，越来越多的建筑物及其他领域都采用梁式结构来建造，对于这些往往是国家重点工程项目的关键结构的首选，甚至是唯一之选。目前，针对梁式型结构的损伤识别以及振动疲劳常用检测方法包括超声检测、红外检测、声发射、自然电位检测、冲击回波检测等，这些检测方法可以对梁式结构的外观及结构部分特性进行结构健康检测。

梁式结构的关键结构部件、节点的损伤判断，很难通过以上检测方法反映，因此为梁式结构的建筑，其整体结构健康状况、安全程度、剩余寿命等需要一种技术方案进行系统和全面的评估，这种技术方案以通过梁式结构的应变模态参数识别与测量和处理获得结构系统的固有频率、阻尼、相应的结构模态振型，为梁式结构损伤识别、结构健康监测提供科学手段。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供了一种梁式结构的应变模态参数测量方法，包括以下步骤：

在梁式结构确定信号发生点；

在信号发生点中指定信号采样点；

在信号采样点搭建串联式全桥结构，根据串联式全桥结构配置计算模型；

获取测试采样点的输出信号，计算梁式结构的应变模态参数；

其中，搭建串联式全桥结构包括：在梁的四个方向表面设置电阻应变计，通过电阻应变计构成四组桥臂，四组桥臂定义为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂。

其中，第一桥臂由布置在梁的顶面一个应变计和布置在梁的右面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

第二桥臂由外接一个与第一桥臂等阻值的两个定值电阻首尾相连构成；

第三桥臂由布置在梁的左面一个应变计和布置在梁的底面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

第四桥臂由外接一个与第一桥臂或第三桥臂等阻值的两个定值电阻首尾相连组成电桥构成。

进一步的，串联式全桥结构指：将所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂所在的桥臂首尾相连组成串联式电桥。

进一步的，设置电阻应变计指：沿梁式结构长度方向布置应变片，外接等阻值的定值电阻。

其中，计算模型还包括：可变电压源、冲击力锤、动态应变信号放大器和数据处理系统；

可变电压源用于给所述串联式全桥结构供电；

冲击力锤用于在信号发生点进行锤击，给所述串联式全桥结构提供锤击激励；

动态应变信号放大器用于放大结构在锤击激励下所产生的应变响应；

数据处理系统与所述串联式全桥结构的电路输出相连，用于计算全桥结构的输出量输入对应的计算模型以计算得到各向的识别结果。

进一步的，获取测试采样点的输出信号包括：获取四组电阻应变计的电阻参数、惠斯通电路桥压、应变计的灵敏度系数，电阻参数还包括：梁式结构右面电阻R_R、梁式结构左面电阻R_L、梁式结构顶面电阻R_T、梁式结构底面电阻R_B；

全桥应变计的输出电压的计算方式为：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，ΔR为应变记电阻的变化量。

其中，应变模态参数包括：梁结构各表面纵向应变，计算方式为：

其中，ε为梁结构各表面纵向应变，其值为梁式结构四个面的应变响应之和。

进一步的，测试采样点的输出信号指：

由冲击力锤在梁式结构的信号发生点锤击激励产生的应变信号；

应变信号已通过动态应变信号放大器执行放大处理。

在一个所述梁式结构中设置9个信号发生点，所述9个信号发生点在梁式结构中平均分布。

根据本发明，可以精确识别与测量梁式结构在不同工况下结构的应变模态参数，提高识别与测量结果的精度，使模态参数更接近实际情况，并有效避免结构突变带来的非线性误差。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的梁式结构应变模态参数测量方法步骤图；

图2是根据本发明实施例提供的串联式全桥结构图；

图3是根据本发明实施例提供的电阻应变计布点位置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做详细描述。

本发明用于对梁式结构的关键结构部件的特性进行检测，在其表面指定位置设置电阻式应变片，组成一个多面串联式组合后，与可变电压源和冲击力锤及动态信号放大器和数据采集系统配合，采集应变响应后经过放大的信号，计算应变模态参数。

图1提供了本申请中梁式结构应变模态参数测量方法步骤图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S100：在梁式结构确定信号发生点；

本申请提供的方法，在梁上确定九个锤击点作为信号发生点，如图3所示，9个信号发生点在梁式结构中平均分布。

步骤S110：在信号发生点中指定信号采样点：

在步骤S100中提供的信号发生点，选择一个点，作为信号采样点，如图3中，选择第2点作为信号采样点，在信号点采样点布局串联式全桥。

步骤S120：在信号采集位置搭建串联式全桥结构，根据串联式全桥结构配置计算模型；

本步骤中搭建的梁式结构为串联式全桥结构，首先，在梁的四个方向表面设置四组电阻应变计，通过所述四组电阻应变计构成四组桥臂，所述四组桥臂定义为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；

第一桥臂由布置在梁的顶面一个应变计和布置在梁的右面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

第二桥臂由外接一个与第一桥臂等阻值的两个定值电阻首尾相连构成；

第三桥臂由布置在梁的左面一个应变计和布置在梁的底面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

第四桥臂由外接一个与第一桥臂或第三桥臂等阻值的两个定值电阻首尾相连组成电桥构成。

当梁结构的横向截面为四边形时，第一表面为右部表面，第三表面为顶部表面，第二表面和第四表面分别为左部表面和底部表面；即右部表面、左部表面、顶部表面以及底部表面中：第一电阻应变计和第三电阻应变计、第二电阻应变计和第四电阻应变计与梁结构纵向平行布置。

如图2所示，串联式全桥结构包括：右部表面、顶部表面的纵向两电阻应变计依次串联组成第一桥臂、左部表面、底部表面的纵向两电阻应变计依次串联组成第三桥臂；外接等阻值的定值电阻首尾相连组成第二桥臂，第四桥臂，将以上第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂所在的桥臂首尾相连组成串联式电桥。

在实际应用中，梁式结构各表面纵向材料的属性具有不均匀性，纵向材料属性差异会导致各面的应变影响不相同，因此，本申请中对布置应变片的位置进行设计，即在梁式结构中部的四个面中心位置，沿结构长度方向布置应变片和外接等阻值的定值电阻组成一个多桥臂串联式全桥，即，设置电阻应变计是指在每个桥臂上，沿梁式结构长度方向布置应变片，外接等阻值的定值电阻，组成电阻应变计。

应变片可以反应被测试件表面变形量，通过应变片位置的设置方式，减少表面材料的应变影响差异，有效避免结构突变带来的非线性误差。

布置应变片的操作方法，可以将应变片粘贴固定在梁式结构的表面上。

串联式全桥结构确定后，继续配置计算模型，计算模型还包括：可变电压源、冲击力锤、动态应变信号放大器和数据处理系统；

可变电压源用于给所述串联式全桥结构供电；

冲击力锤用于给串联式全桥结构提供锤击激励，以产生应变信号；

动态应变信号放大器用于放大结构在锤击激励下所产生的应变信号，以提高识别与测量结果的精度，使测量的模态参数更接近实际情况；

数据处理系统与所述串联式全桥结构的电路输出相连，用于计算全桥结构的输出量输入对应的计算模型以计算得到各向的识别结果。

步骤S130：获取测试采样点的输出信号，计算梁式结构的应变模态参数；

图3是电阻应变计布点位置示意图，如图所示，在梁上确定了九个锤击点，在本申请中，设计使用冲击力锤去锤击点中不同锤击点的顺序，在第2点处进行采样，以实现梁结构的应变频响函数矩阵的一行和一列的测量识别，用于测量梁在不同工况下的应变模态参数。

本步骤中，获取四组电阻应变计的电阻参数、惠斯通电路桥压、应变计的灵敏度系数等；如图2中所示，在应变计布置中，梁结构右面R_R沿梁式结构纵向布置；梁式结构左面R_L沿梁式结构纵向布置；梁式结构顶面R_T沿梁式结构纵向布置；梁式结构底面R_B沿梁式结构纵向布置。

全桥应变计的输出电压的计算方式为：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，ΔR为应变记电阻的变化量；

此计算方式可记作：其中，K为应变计的灵敏度系数；

输出电压的计算方法可变形为：其中，ε为梁式结构四个面的应变响应之和,ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为梁式结构四个表面测得的纵向应变响应；

令：ε₁＝ε_T1；ε₂＝ε_R1；ε₃＝ε_B1；ε₄＝ε_L1；

模态参数包括：梁结构各表面纵向应变，计算方式为：

其中，ε为梁式结构四个面的应变响应之和,ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为梁式结构四个表面测得的纵向应变响应。

则输出电压：

变形为：

根据ε＝ε₁+ε₂+ε₃+ε₄可得：

在此步骤，通过全桥识别出结构的准确应变响应值，作为应变频响函数矩阵一行或一列的输入。

通过本发明提供的方法，可以精确识别与测量梁式结构在不同工况下结构的应变模态参数，可以提高识别与测量结果的精度，所测量的模态参数更接近实际情况，可以有效避免结构突变带来的非线性误差。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种梁式结构的应变模态参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在梁式结构确定信号发生点；

在所述信号发生点中指定信号采样点；

在所述信号采样点搭建串联式全桥结构，根据所述串联式全桥结构配置计算模型；

获取所述信号采样点的输出信号，计算所述梁式结构的应变模态参数；

其中，所述搭建串联式全桥结构包括：在梁的四个方向表面设置电阻应变计，通过所述电阻应变计构成四组桥臂，所述四组桥臂定义为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述串联式全桥结构指：将所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂和所述第四桥臂所在的桥臂首尾相连组成串联式电桥；所述设置电阻应变计指：沿梁式结构长度方向布置应变片，外接等阻值的定值电阻；所述布置应变片的位置是梁式结构中部的四个面中心位置；所述四个面指右部表面、顶部表面、左部表面和底部表面；其中，右部表面、顶部表面的纵向两电阻应变计依次串联组成第一桥臂，左部表面、底部表面的纵向两电阻应变计依次串联组成第三桥臂；

所述信号采样点的输出信号基于梁式结构四个面测得的纵向应变响应计算；

其中，所述第一桥臂由布置在梁的顶面一个应变计和布置在梁的右面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

所述第二桥臂由外接两个串联的、与第一桥臂等阻值的定值电阻首尾相连构成；

所述第三桥臂由布置在梁的左面一个应变计和布置在梁的底面一个应变计首尾相连组成电桥构成；

所述第四桥臂由外接两个串联的、与第一桥臂或第三桥臂等阻值的定值电阻首尾相连组成电桥构成。

2.根据权利要求1所述的应变模态参数测量方法，其特征在于，所述计算模型还包括：可变电压源、冲击力锤、动态应变信号放大器和数据处理系统；

所述可变电压源用于给所述串联式全桥结构供电；

所述冲击力锤用于在信号发生点进行锤击，给所述串联式全桥结构提供锤击激励；

所述动态应变信号放大器用于放大结构在锤击激励下所产生的应变响应；

所述数据处理系统与所述串联式全桥结构的电路输出相连，用于计算全桥结构的输出量输入对应的计算模型以计算得到各向的识别结果。

3.根据权利要求1所述的应变模态参数测量方法，其特征在于，所述获取所述信号采样点的输出信号包括：

获取所述四组电阻应变计的电阻参数、惠斯通电路桥压、应变计的灵敏度系数，所述电阻参数还包括：梁式结构右面电阻R_R、梁式结构左面电阻R_L、梁式结构顶面电阻R_T、梁式结构底面电阻R_B；

所述全桥结构的输出电压的计算方式为：

，

其中，为惠斯通电路桥压，为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，为应变计电阻的变化量。

4.根据权利要求3所述的应变模态参数测量方法，其特征在于，所述应变模态参数包括：梁结构各表面纵向应变，计算方式为：

,

其中，ɛ为梁式结构四个面的应变响应之和, ɛ ₁、ɛ ₂、ɛ ₃和ɛ ₄分别为梁式结构四个表面测得的纵向应变响应，K为应变计的灵敏度系数。

5.根据权利要求1所述的应变模态参数测量方法，其特征在于，所述信号采样点的输出信号指：

由冲击力锤在梁式结构的信号发生点锤击激励产生的应变信号；

所述应变信号通过动态应变信号放大器执行放大处理。

6.根据权利要求1所述的应变模态参数测量方法，其特征在于，在一个所述梁式结构中设置9个信号发生点，所述9个信号发生点在梁式结构中平均分布。