基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统及其检测方法。
【背景技术】
[0002]随着国家基本建设的高速发展，大量的土木设施、交通、工民建以及山体护坡等各种各样的构筑物如雨后春笋般地拔地而起。然而，在地震或者洪水等比较重大的自然灾害发生后，如何快速准确的对灾区构筑物进行状态评定，确保尽快恢复交通等次序；在运行使用一个时期后，构筑物的安全健康状态如何判断，其构筑物是否存在病害，如何及时准确地找出病害结构并进行整治等安全体系的建立，目前已提入了我国各级管理机构及管理者的议事日程，特别是在经历地震等自然灾害后，其构筑物结构的技术状态更是关注的焦点。并且，在我国经济高速发展时代，基础建设的迅猛展开，建设工程质量、既有构筑物的安全状态等构筑物安全监控指标愈来愈被有关管理部门重视。
[0003]因此需要一种能够有效解决上述问题，能够快速准确地判断构筑物的健全度，实时监控其安全状态；还可以建立构筑物“健康”档案，为国家管理部门提供确切可靠的管理数据，为决策者提供基础技术资料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统及其检测方法。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统，它包括多个设置于构筑物表面的传感器、对构筑物施加动荷载的激励物体、对传感器获取的时域波形信号进行转化的信号转化模块和对信号进行分析处理的分析处理模块；所述的传感器的输入端接收激励物体对构筑物施加动荷载的振动，传感器的输出端与信号转化模块连接，信号转化模块的输出端与分析处理模块连接。
[0006]所述的信号转化模块包括信号调理电路和ADC模数转化器；所述的信号调理电路的输入端与传感器连接，信号调理电路的输出端与ADC模数转化器连接，ADC模数转化器的输出端与分析处理模块连接。
[0007]所述的信号调理电路包括电荷放大器、增益放大器和滤波器；所述的电荷放大器的输入端与传感器连接，电荷放大器的输出端与增益放大器连接，增益放大器的输出端与滤波器连接，滤波器的输出端与ADC模数转换器连接。
[0008]基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统的检测方法，它包括以下步骤:
S1:根据构筑物的形态，将所述的传感器设置于构筑物表面不同的位置:
(I)若构筑物为规则形态，在构筑物的侧面设置三个传感器，间距均为h/4，在构筑物的顶面设置三个传感器，间距均为b/4 ;其中，构筑物的侧面的高度为h，构筑物的顶面的宽度为b ；
(2)若构筑物为不规则形态，则根据物体或者地形的状态，考虑结构的振动模态随机设置；
S2:根据构筑物的特性以及传感器设置的位置，通过不同的激励方式对构筑物施加动荷载，使构筑物达到激励状态；
53:采集相关的时域波形，波形的振幅包括变位、应变、速度和加速度；
54:对采集到的时域波形进行谐波分析，将时域波形转换为频域的响应谱，所述的响应谱包含构筑物的卓越周期和谐波运动中的时刻点；所述的卓越周期通过振动理论中的振幅和谐波运动中的时刻点的对应关系确定；在振幅和谐波运动中的时刻点的对应关系之外的信号记录视为无用的干扰；
55:通过响应谱的特性判断构筑物的健康程度:将实测的卓越周期与代表健全的构筑物的标准卓越周期进行比较:若实测的卓越周期比标准卓越周期长，则判断该构筑物发生病变；
56:当构筑物被判断为有病害之后，通过分析结构的振动模态对损伤部位进行推测，包括以下子步骤:
561:将构筑物数值模型化；
562:假定受损部位，并降低该部位的刚度；
563:解析算出构筑物的卓越周期和振动模态；
564:将其与实测结果进行比较，不断调整参数直至完全吻合时即可断定受损部位。
[0009]所述的基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统的检测方法还包括一个建立健全的构筑物的标准卓越周期的步骤:通过长期对构筑物的卓越周期的计算，对健全的构筑物的标准卓越周期进行积累计算。
[0010]所述的响应谱包括基于加速度波形的响应谱，在所述的基于加速度波形的响应谱中，卓越周期与时刻点的关系为JT/2或3 JT/2。
[0011]所述的响应谱包括基于速度波形的响应谱，在所述的基于速度波形的响应谱中，卓越周期与时刻点的关系为JT或2 。
[0012]步骤S2中所述的不同的激励方式包括以下几种:
(1)若传感器设置于构筑物的侧面，并且构筑物的底部适合激励者站立，则通过激励者使用木槌敲击对构筑物的侧面施加动荷载；
(2)若传感器设置于构筑物的侧面，并且构筑物的底部不适合激励者站立，而构筑物的顶部方便激励者站立，则通过激励者站在构筑物顶部使用重球撞击构筑物侧面施加动荷载；
(3)若传感器设置于构筑物的侧面，并且构筑物的背后有土压力作用，制约构筑物的振动时，则可通过设置于构筑物顶部的起振机撼动的方式对构筑物施加动荷载；
(4)若传感器设置于构筑物的顶面，则激励者通过高压空气枪激发的方式对构筑物的顶面施加动荷载。
[0013]所述的基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统的检测方法还包括一个消除噪音的步骤:通过对构筑物的反复激励，并对采集到的时域波形进行重复叠加来消除噪音。
[0014]本发明的有益效果是:
(1)本发明是应用构筑物被激励时所产生的响应谱特性进行其病害检测的系统和方法，适用于土木、交通、工民建以及山体护坡等各种各样的构筑物；能够快速准确地判断构筑物的健全度，实时监控其安全状态；并且不会对构筑物造成任何损坏；
(2)对于不同的构筑物采用不同的传感器的设置方法以及不同的激励方法，使得数据获取更加准确；
(3)对构筑物进行反复激励，采用重复叠加消除噪音；在对数据进行获取的时候，设置有信号调理电路，有效抑制噪声，保证信号质量；通过两种方式抑制噪音，效果更好；
(4)通过时刻点排出无关的振动干扰，提高识别精度；
(5)将构筑物的判断病害的结果进行汇总，可以建立构筑物“健康”档案，为国家管理部门提供确切可靠的管理数据，为决策者提供基础技术资料；
(6)采用ICP加速度传感器，检测精度高，不易受现场环境干扰，适应能力强，其输出的信号可配长电缆，且不影响测量精度，实用性强。
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构方框图；
图2为本发明方法流程图；
图3为实施例1不意图；
图4为实施例2不意图；
图5为实施例3不意图；
图6为实施例4示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案:
如图1所示，基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统，它包括多个设置于构筑物表面的传感器、对构筑物施加动荷载的激励物体、对传感器获取的时域波形信号进行转化的信号转化模块和对信号进行分析处理的分析处理模块；所述的传感器的输入端接收激励物体对构筑物施加动荷载的振动，传感器的输出端与信号转化模块连接，信号转化模块的输出端与分析处理模块连接。所述的分析处理模块包括微控制器。
[0017]基于激励状态时响应谱特性的构筑物病害检测系统还包括显示器、无线通信模块、监控中心、USB接口和供电模块。微控制器的信号输入端与ADC模数转换器连接，微控制器的输出端通过总线与显示器连接，微控制器还通过无线通信模块与监控中心进行远程通信，还通过USB接口外接输入输出设备或者存储设备，输入输出设备可以使键盘、鼠标，也可以是外置显示屏；键盘鼠标的接入便于检测人员操作、外置显示屏可根据需求选择大屏幕显示屏，保证监测数据的显示效果。
[0018]由于为保证供电的稳定性，提高能源利用率，采用太阳能和蓄电池双重供电的方式，所述的供电模块包括太阳能控制器、太阳能电池组、蓄电池组和逆变器，太阳能电池组和蓄电池分别与太阳能控制器相连，太阳能控制器通过逆变器为各器件供电。逆变器主要实现电压的转换，包括直流到交流的转换，高电压到低电压的转换。
[0019]所述的传感器为加速度传感器，所述的加速度传感器采用ICP加速度传感器。
[0020]所述的信号转化模块包括信号调理电路和ADC模数转化器；所述的信号调理电路的输入端与传感器连接，信号调理电路的输出端与ADC模数转化器连接，ADC模数转化器的输出端与分析处理模块连接。
[0021]所述的信号调理电路包括电荷放大器、增益放大器和滤波器；所述的电荷放大器的输入端与传感器连接，电荷放大器的输出