利用位移测量推估梁及桥梁动态应变的方法研究

桥梁损伤检测是桥梁工程的一个重要课题。梁的应力应变参数与其刚度存在直接关系，因而应变模态测量可望用于桥梁损伤检测。动态应变测量可通过位移测量实现，但对位移传感器提出了特定的要求。对位移测量方法的误差分析表明传感器的相频一致性对测试精度有较大影响。在此分析基础上，利用特制的DP传感器进行了工字钢梁的模拟实验，实验结果验证了测量方法的可行性。     

工程中的低频振动测量与其传感器

针对工程实际中低频振动监测常被忽视的状况，讨论了工程中低频振动测量的要求，包括对大型水发电机组、桥梁、高楼和大坝等大型工程结构的振动监测和故障诊断以及其它工程领域的低频振动测量。文中还讨论了结构模态测试、动态应力应变测量、局部损伤检测对于振动传感器、信号处理技术的要求，并针对现有的测振传感器的不足，提出一种采用串联校正的、高灵敏度、高可靠的新型绝对振动传感器。     

应变模态振型获取的一种简便方法

根据应变模态分析原理,定义了一个新的应变模态振型系数,提出了基于应变响应获取结构应变模态振型的一种简便方法,并通过简支梁实验进行了验证。研究结果表明,采用该方法无需测量位移模态,仅需采用单点激励,用电阻应变计测量结构上各测点的应变响应信息,即可获得被测结构应变模态振型,大大简化了应变模态在工程结构损伤识别中的实验检测分析过程。     

分布式光纤曲率模态传感器在薄结构振动测量中的研究

薄结构在工程实际中应用十分广泛。当受到外界激励和干扰时，薄结构易产生振动，不仅影响系统的稳定性，甚至危及财产和生命安全，所以进行深入的研究具有重要的理论意义和实用价值。传统的振动测量方法为应变传感器测量和加速度传感器测量。然而由于薄结构应变小以及多点式的分布式测量方法存在的弊端，使振动测量的精确度受到限制。因此基于结构的振动是多个振动模态按一定比例线性的叠加的理论基础，提出了一种新型传感器，分布式光纤曲率模态传感器用于薄结构的振动测量。     

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理，综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状，由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约，因此，寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提，根据光纤光栅所具有的高工绝对测量、准分布工数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点，提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术，并分析了其可行性。     

基于逆有限元的应变模态损伤检测方法

基于光纤光栅传感器(fiber Bragg grating,简称FBG)逆有限元方法(inverse finite element method,简称iFEM),仅利用有限测点的应变数据进行全域应变场重构,得到近似完全测量应变模态,提高了直接采用实测应变数据来构建应变模态损伤指标的实用性。利用基于损伤应变模态差分原理的损伤指标法,只需用损伤后应变模态数据即能定位损伤,并给出了损伤指标数学模型。计算结果表明,基于光纤光栅传感器和逆有限元方法可以快速进行全域应变场重构,为基于应变模态的损伤检测提供数据保障,而应变模态差分曲线只在损伤处发生剧烈变化,损伤程度不同,曲线突变程度略有不同但规律一致。最后以某板的实验结果证明了该方法的有效性。     

一种新型电感式位移传感器

提出一种结构简单轻巧，驱动及测量电路简单,性能较好的新型电感式位移传感器，可用于机械直线位移及位置的测量，给出了传感器的结构和测量电路的原理图，对工作原理进行了分析，并讨论了温度补偿的方法，该传感器已应用于高档轿车的电子无级变速系统中，使用效果令人满意。     

基于布里渊分布式光纤的储液罐变形场重构方法研究

以固定式储液罐薄壳壁结构变形的可视化重构为研究背景,提出了一种基于薄壳壁结构表面应变测量的模态叠加变形重构方法。该方法采用分布式光纤传感系统测得薄壳壁结构局部的应变信息,再通过模态叠加原理的计算方法实现应变-位移转换,重构光纤传感器监测构件的变形;同时,为了验证方法的有效性,建立三维有限元分析模型并进行变形仿真分析,将仿真位移结果与试验分析结果作对比。结果表明,提出的基于模态叠加原理的变形重构计算方法在不同方向加载载荷作用下均呈现出较高的重构精度,薄壳壁结构变形位移的绝对误差小于2 mm,平均相对误差小于3%,验证了该方法的可靠性和可行性。     

基于模态法的形变重构技术应用研究

针对相控阵雷达领域天线阵面结构实时变形监测的需求,研究了基于模态法的应变测量形变重构方法。该方法采用光纤光栅传感器测量面板表面应变,通过模态理论实现应变–位移的转换,重构出反射面形貌。文中以某相控阵雷达实验平台为研究对象,通过有限元软件提取其模态位移矩阵和模态应变矩阵,计算获得应变–位移转换矩阵。通过实验测量,提取了多种工况下面板的应变值,采用模态法进行了反射面形貌重构,对重构结果和实际位移值进行了比对与分析。结果表明,模态法形变重构可以较为准确地重构反射面变形。     

结构动力分析的应变模态法

本文在位移模态分析理论的基础上,发展了应变模态分析原理和方法,阐明力—应变传递函数矩阵的构成特点、测量方法以及它与位移传递函数之间的联系。运用电阻应变计可直接测量应变传递函数曲线,并据以进行模态参数识别,从而可直接建立振动应变响应的计算模型,相应地也就得到了应力计算模型。     

Design of a wireless measurement system based on WSNs for large bridges

The structural vibration detection for large bridges is critical. A wireless measurement system based on Wireless Sensor Networks (WSNs) for large bridges was developed in this paper. The overall architecture of the wireless system is introduced; the design of wireless nodes and the principle of the central station are given in detail. Experiments are conducted in the laboratory and the Nanjing IV Yangtze River Bridge to verify the performance of the designed system. Experimental results show that the performances of the designed system are improved in the transmission distance. The system anti-jamming ability and data transmission packet loss rate are also improved compared to traditional wireless sensor systems. Meanwhile, with the external sensing interfaces, the system has a superior performance in characteristics of high sensitivity and ultra low frequency. It can easily and quickly carry out structural vibration detection for a large bridge in its construction, future operation, and maintenance periods with strong practicality and high application value.     

基于视觉位感条纹的转轴裂纹缺陷检测

裂纹缺陷是转轴系统中常见的故障形式,裂纹的呼吸效应会改变转轴的动态特性,使转轴的径向振动信号中出现倍频分量。提出一种基于单目视觉位感条纹振动测量原理的转轴裂纹缺陷检测新方法,可实现转轴振动信号的高效测量和裂纹缺陷的快速检测。分析了含裂纹转轴系统的动力学方程,并系统描述了单目相机成像条件下采用位感条纹图案实现转轴径向二维振动测量的原理,建立了成像位感条纹动态编码参数与转轴径向振动位移之间的数学模型。通过与传统基于两路电涡流传感器测量系统的试验对比分析,验证了本方法测量结果的精确性。分析转轴系统在不同转速下径向振动中的频率分量,当转速接近1/2临界转速时,2倍频信号非常明显,且其幅值接近转频幅值,可实现对于转轴系统中裂纹缺陷的有效检测。     

An experimental study on damage detection of structures using a timber beam

Using vibration methods for the damage detection and structural health monitoring in bridge structures is rapidly developing. However, very little work has so far been reported on timber bridges. This paper intends to address such shortcomings by experimental investigation on a timber beam using a vibration based method to detect damage. A promising damage detection algorithm based on modal strain energy was adopted and modified to locate/evaluate damage. A laboratory investigation was conducted on a timber beam inflicted with various damage scenarios using modal tests. The modal parameters obtained from the undamaged and damaged state of the test beam were used in the computation of damage index, were then applied using a damage detection algorithm utilising modal strain energy and a statistical approach to detect location of damage. A mode shape reconstruction technique was used to enhance the capability of the damage detection algorithm with limited number of sensors. The test results and analysis show that location of damage can be accurately identified with limited sensors. The modified method is less dependent on the number of modes selected and can detect damage with a higher degree of confidence.     

基于PSD的旋转机械振动传感器

研究了基于二维光位置敏感探测器(position sensitive detector,简称PSD)的激光振动传感器,重点介绍了PSD的结构、位置和振动检测原理,给出了位置坐标函数表达式和相应的输出信号检测电路框图,分析了影响该传感器检测精度的因素,提出了相应的解决办法,提供了传感器检定数据和实测振动波形。试验结果表明,该传感器各项性能指标完全满足旋转机械轴振测量要求,为旋转机械振动提供了一种新的可靠测量方法。     

利用广义应变比能进行结构损伤识别的数值研究

目前结构损伤识别大多是基于位移模态的试验结果进行的，但由于位移模态结果的局限性，很多情况下识别效果并不明显，本文基于应变模态的工作，利用应变模记识别得到的振型和频率结果，提出了广义应变比能（GSED）的概念。将其应用于结构损伤的识别中，具有识别效果明显，物理意义清晰的优点，GSED方法不仅可以判断损伤的存在与否，而且可以对损伤进行较精确的定位，在测试数据充分的情况下还可以大致判断出损伤的程度，最后通过对简支梁的数值仿真计算验证了方法的有效性。     

超声波远距离振动信号检测系统的设计

在机械设备状态监测与故障诊断中,振动信号是一个重要的状态参量。本文针对压电式、电涡流传感器等常规的振动测量方法和仪器在特殊环境中的局限性,提出了基于超声波的非接触式检测方法,研究并设计了系统检测装置。该检测装置主要由超声波发生模块、超声波接收模块和基于LabVIEW的数据采集/处理3个部分组成,利用该装置对振动对象进行远距离测量,并同时用传统测量仪器(电涡流位移传感器)作对照实验,得到较理想的检测结果,验证了该超声波振动检测装置的有效性和可行性。     

基于应变模态的模态应变能损伤识别方法

传统模态应变能计算需要完备模态振型信息,而模态振型信息中存在转角自由度难以准确获取的问题,为解决该问题,开展基于应变模态的模态应变能损伤识别研究,实现了结构损伤的定量识别。首先,通过基于应变与位移之间的联系,推导出应变模态与位移模态之间的转换矩阵;其次,利用应变模态代替位移模态计算单元模态应变能,建立基于灵敏度分析的损伤识别方程组;最后,根据奇异值截断法求解该方程组识别结构损伤。以一两端固支梁结构为对象,开展数值仿真和实验研究。结果表明,该方法可以有效识别出结构的损伤位置和损伤程度,相对于基于振型扩充的模态应变能损伤识别方法,具有更好精度和抗噪性能。