本发明涉及工业及民用建筑中大型构件振型检测技术，尤其涉及一种非接触的基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置及其方法。
背景技术：
大型构件的振型信息，作为工业及民用建筑大型构件的健康监测的一个非常重要的荷载数据，采用非接触实时记录的方式，对大型构件的后续使用及加固具有非常重要的意义。
现有的工业及民用建筑大型构件振型检测方法，通常是在大型构件的振型检测点位布设加速度传感器，然后通过传感器采集到的加速度信号描述大型构件的振动信息，从而得出大型构件的振型信息。
但是，上述现有的检测方法将不可避免地面临布设成本高、布设点位选择固定、布设成本高的缺陷。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置及其方法，以开发满足大跨度空间结构在运维状态下进行结构模态测试的多普勒动力测试需求，以及实现在复杂环境下，进行远距离、非接触的环境激振的振动测试，提供满足现场测试的快速简易检测手段，从而可以大幅度提高大型构件振型检测的效率，并实现工业及民用建筑大型构件振型检测及后续的构件损伤分析评估。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置，包括采集单元和上位机单元；其中：
所述的采集单元，用于通过非接触方式采集大型构件振动产生的位移信号，并将所述位移信号转换为数字信号，再将所述的数字信号进行差分处理得到加速度信号，然后通过时频转换得到所述大型构件的振动频率信息；最后，将所述大型构件的振动频率信息发送给上位机单元；
上位机单元，用于接收所述采集单元发送的经过时频转换后的振动频率信息，并将所述振动频率信息通过上位机程序进行可视化展示。
其中，所述的采集单元，包括激光测距仪、模数转换器、视频转换模块和用于提供工作电压的电源模块；
所述激光测距仪，用于通过激光测距的非接触方式采集大型构件的振动位移信息，形成位移模拟信号；
所述模数转换器，用于将采集到的位移模拟信号转换为位移数字信号；
所述时频转换模块，用于对位移数字信号进行差分处理，得到加速度信号，经时频转换得到大型构件的振动频率信息。
其中，所述采集单元还包括数字滤波模块，用于对位移数字信号进行滤波处理，以滤除噪声等干扰信号。
时频转换模块，用于对经过滤波处理的位移数字信号进行差分处理，得到加速度信号，经时频转换得到大型构件的振动频率信息。
所述的电源模块，能够提供±5v/±12v/±24v的电压。
所述的激光测距仪，精度为毫米级，分辨率为0.1毫米。
所述上位机单元包括处理器、存储模块和显示器；能够通过处理器将上述经过时频转换后的振动频率信息存储至存储模块中。
一种基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测方法，包括如下步骤：
a、通过多普勒振动测试，得到监测点位的位移数据xi,j；其中xi,j为时序矩阵，i为检测点位编号，j为监测数据时间点；
b、对位移数据xi,j进行两次差分处理，得到对应监测点位的加速度信号acci,j；
c、对所述差分加速度信号f＝acci,j进行快速傅里叶变换，得到对应的频率谱图：
其中：f(t)为加速度信号，ω为加速度信号的频率信息。
其中，所述步骤a之后进一步包括：
a1、对所述位移数据xi,j进行滤波处理，剔除空值和坏值。
所述步骤c之后还包括：
d、利用得到的频率谱图对待测结构的振型进行分析，并完成对结构的状态评估。
本发明的基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置及其方法，具有如下有益效果：
1)采用该大型构件振型检测装置及其方法，相较于采用传统的加速度传感器的检测结果，采用本发明基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置对大型构件进行振型检测，不但能够实现复杂环境下进行远距离非接触的环境激振的振型测试目的，而且具有布设点位灵活、布设成本低、振型检测效率高，并且具有较高的检测精度。
2)本发明的大型构件振型检测装置，还能够应用于对后续的构件损伤进行分析评估。
附图说明
图1为本发明实施例基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置的原理示意图；
图2为采用图1所示大型构件振型检测装置进行多普勒振动测试的过程示意图；
图3为本发明实施例通过基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测方法得到的频率谱图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置及其方法作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置的原理示意图。
如图1所示，所述基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置主要包括采集单元和上位机单元。
1)所述的采集单元，用于通过非接触方式采集大型构件振动产生的位移信号，并将所述位移信号转换为数字信号，再将所述的数字信号进行差分处理得到加速度信号，然后通过时频转换得到所述大型构件的振动频率信息。最后，再将所述大型构件的振动频率信息发送给上位机单元。
所述的大型构件，包括但不限于民用建筑物、工业建筑物、大跨度桥梁中的大型构件，如网架、桁架、型钢柱、吊车梁等。
本发明实施例中，所述的采集单元，具体包括激光测距仪、模数(a/d)转换器、视频转换模块和电源模块。其中：
所述激光测距仪，用于通过激光测距的非接触方式采集大型构件的振动位移信息，形成位移模拟信号。采用激光测距的方式，能够对大型构件振动产生的微小位移信息进行监测，因此能够保证位移信息的精度。本发明采用的激光测距仪，精度可达毫米(mm)级，分辨率可达0.1mm。
所述模数(a/d)转换器，用于将采集到的位移模拟信号转换为位移数字信号。
较佳地，所述采集单元还包括数字滤波模块。所述数字滤波模块，用于对位移数字信号进行滤波处理，以滤除噪声等干扰信号。
所述时频转换模块，用于对位移数字信号/经过滤波处理的位移数字信号进行差分处理，得到加速度信号，经时频转换得到大型构件的振动频率信息。
所述的电源模块，能够提供±5v/±12v/±24v的电压，用于为采集单元的其他功能模块，如激光测距仪、a/d转换器、数字滤波模块、时频转换模块提供工作电压。
2)上位机单元，用于接收所述采集单元发送的经过时频转换后的振动频率信息，并将所述振动频率信息通过上位机程序进行可视化展示。
所述上位机单元，具体包括处理器、存储模块和显示器。
较佳地，所述上位机单元可以通过处理器将上述经过时频转换后的振动频率信息存储至存储模块中。
图2为采用图1所示大型构件振型检测装置进行多普勒振动测试的过程示意图。
如图2所示，该测试过程主要包括如下步骤：
步骤21：通过多普勒振动测试，得到监测点位的位移数据xi,j(时序矩阵，i为检测点位编号，j为监测数据时间点)。
现有激光测距仪传感器的精度可达到1mm，分辨率可达到0.1mm。在本发明实施例中，可以根据试验要求设置采样频率，最高采集频率可以达到100khz。
步骤22：对所述位移数据进行滤波处理。
这里，对xi,j进行滤波，主要为了剔除空值和坏值。
步骤23：对位移数据xi,j进行两次差分处理，得到对应监测点位的加速度信号acci,j。
所述差分处理的算法如下：
其中，h为采样间隔。
步骤24：对所述差分加速度信号f＝acci,j进行快速傅里叶变换，得到对应的频率谱图，如图3所示。
其中：f(t)为加速度信号，ω为加速度信号的频率信息。
步骤25：利用得到的频率谱图对待测结构的振型进行分析，并完成对结构的状态评估。
所述评估即比较过程如下：
现有方法利用加速度传感器得到的是加速度-时间曲线；本发明实施例中的多普勒传感器测得的是位移-时间曲线，因此两者中的某一测试结果需要经过变换以方便进行比较。
参考附图3，从采用上述检测方法的测试结果进行分析可知，本发明方法中的大型构件即试验对象的频率测试结果为：第1频率点为8.116hz、第二频率点为17.21hz、第3频率点为30.76hz。
相较于传统的采用加速度传感器的检测结果，采用本发明基于多普勒光学位移法的大型构件振型检测装置对大型构件进行振型检测，不但能够实现复杂环境下进行远距离非接触的环境激振的振型测试目的，而且具有布设点位灵活、布设成本低、振型检测效率高，并且具有较高的检测精度。此外，本发明的大型构件振型检测装置，还能够应用于对后续的构件损伤进行分析评估。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。