一种用于销式结构受力状态的监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种用于销式结构受力状态的监测 方法。
【背景技术】
[0002] 构件连接单元的健康状况对整个结构系统的安全运行和寿命维护起到至关重要 的作用。销式连接作为一种结构构件单元之间常见的连接方式，以其轻质高强、组装拆卸方 便、可以抵抗转动变形等众多优点而广泛应用于桥梁、建筑、机械等领域。然而在使用过程 中，一些超过销式结构设计承载能力的外加荷载必然会对其健康状况以及未来的承载能力 产生影响，但是目前在相关领域并没有一种行之有效的方法可以对销式结构受力状况进行 实时准确的监测和识别。
[0003] 压电陶瓷(Lead ZirconateTitanate,ΡΖΤ)以其特有的传感和作动功能而成为近 年来在土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快，频率范围宽，易裁 剪，价格低廉等特点而在工程结构监测方面存在着巨大的应用潜力。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是，针对销式结构健康监测领域的空白，提出一种用于 销式结构受力状态的监测方法，可以对销式结构的受力状况进行实时准确的监测和识别。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种用于销式结构受力 状态的监测方法，包括如下内容：
[0006] 步骤一，将两个压电陶瓷传感器分别以表面粘贴的方式，固定于销式结构的销栓 和销座的表面，压电陶瓷传感器表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；
[0007] 步骤二，将两个压电陶瓷传感器分别通过BNC电缆连接到ΝΙ信号采集卡，ΝΙ信号采 集卡通过USB缆线与电脑分析终端相连；
[0008] 步骤三，电脑分析终端通过USB缆线控制NI信号采集卡产生一定频段的正弦扫频 激励电信号，并通过采集卡输出端输出，经BNC电缆传输到其中一个压电陶瓷传感器;另一 个压电陶瓷传感器接收通过销式结构传递的激励信号并将激励信号转化为电信号，经BNC 电缆传输到NI信号采集卡的输入端，采集卡将其转化为数字信号，并通过USB缆线传输到电 脑分析终端；
[0009] 步骤四，在电脑分析系统中定义销式结构正常无损工作状态下，所测得的压电陶 瓷传感器信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期销式结构 测量信号的识别特征参数，将其与识别基准值对比分析并计算受力评判指标，通过监测评 判指标的变化得出销式结构的受力情况。
[0010] 所述步骤四中，销式结构正常无损工作状态下的传感器基准信号，通常可以取销 式结构建成之后投入使用之前的采集信号，也可以是在通过其他检测方法确认销式结构没 有损伤之后，进行实验采集的信号。
[0011] 所述步骤四中，识别特征参数包括接收信号的能量幅值、小波包能量值、结构局部 谐振频率、信号拟合回归系数、因子分析系数、小波包节点系数等一系列可以表征信号特征 的直接测量值或者衍生值;受力评判指标包括上述信号特征值的相对变化值、变化相对均 方差;所定义的评判指标越大，则表明被测连接单元的受力情况较正常受力情况偏差越大。
[0012] 所述步骤三中，激励扫频信号的生成和响应信号的接收是通过粘贴于被检测的销 式结构表面的压电陶瓷片所实施的。
[0013] 本发明的有益效果在于将压电陶瓷传感器技术应用到销式连接构件的受力状态 的监测和识别，原理明确、成本低廉、操作简单易行、识别准确，可以实现销式结构受力状态 的长期在线监测和识别，从而为销式结构的安全评价和寿命预测提供了科学依据，对于减 少整个系统结构的监测和运行维护成本，降低销式结构的安全隐患和运行风险，将产生积 极的意义。
【附图说明】
[0014] 附图1为本发明的销式结构连接示意图及传感器布置图。
[0015] 附图2是本发明的销式结构受力状态监测示意图。
[0016] 附图3是一个刚性球体和一个弹性半空间体的接触示意图
[0017] 附图4是两个具有弹性曲面的圆柱体平行接触示意图
[0018] 附图5是根据赫兹接触理论求得的平行接触圆柱体的接触面
[0019]图中：1吊杆;2销座;3销栓;4压电陶瓷传感器;5 BNC电缆;6 NI信号采集卡;7 USB 缆线;8电脑分析终端。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做具体的描述：
[0021] 悬索桥梁中吊杆1与混凝土桥面常用销式结构进行连接，将两个压电陶瓷传感器4 分别以表面粘贴的方式，固定于销式结构的销栓3和销座2的表面，压电陶瓷传感器4表面均 匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；
[0022]将两个压电陶瓷传感器4分别通过BNC电缆5连接到NI信号采集卡6，NI信号采集卡 6通过USB缆线7与电脑分析终端8相连；
[0023]电脑分析终端8通过USB缆线7控制NI信号采集卡6产生一定频段的正弦扫频激励 电信号，并通过采集卡6输出端输出，经BNC电缆5传输到其中一个压电陶瓷传感器;另一个 压电陶瓷传感器接收通过销式结构传递的激励信号并将激励信号转化为电信号，经BNC电 缆5传输到NI信号采集卡6输入端，采集卡将其转化为数字信号，之后通过USB缆线7传输到 电脑分析终端8;
[0024] 在电脑分析系统中定义销式结构正常无损工作状态下，所测得的压电陶瓷传感器 信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期销式结构测量信号 的识别特征参数，将其与识别基准值对比分析并计算受力评判指标，通过监测评判指标的 变化得出销式结构的受力情况。所定义的评判指标越大，则表明被测连接单元的受力情况 较正常受力情况偏差越大。
[0025] 例如，设压电传感器接收信号的能量值为E，可以表示为
[0026] (1) Js
[0027] 其中，tjPtf分表表示接收信号的初始时刻和结束时刻，y(t)和匕分别表示接收信 号的离散采样值和采样频率。
[0028] 在这种情况下，结构的受力评判指标即接收信号能量值的相对变化率R，由下式计
[0029] ^ = (2)
[0030] 其中，Et表示结构实测的信号能量值，Eo表示结构健康状态下的信号能量值，即为 基准值。以上(2)式中的信号能量值E还可由小波包能量值、结构局部共振频率来代替。
[0031] 针对压电传感器接收信号的小波包节点系数r，其受力评判指标还可由小波节点 系数r的变化相对均方差(The root mean square deviation,RMSD)来进行计算： |?(π°)2
[0032] RMSD = ^-- (3)