专利名称：：支持故障预测的传感器设置方法
技术领域：
：本发明涉及一种支持故障预测的传感器设置方法，属于重大产品和重大设施寿命预测
技术领域：
。
背景技术：
：为结构的损伤检测和健康监测采用传感器来获取反映结构真实状态的参数信息，以达到结构的损伤和健康的故障预测，这是目前在重大产品和重大设施寿命预测
技术领域：
通常采用的方法。为此，研究一种传感器设置标准，使所配置的检测或监测系统更加经济合理，与结构健康监测和损伤检测中传感器设置的复杂性相适应，并能满足工程实际应用需求是必要的。20多年来，人们对传感器的最优化布置问题进行了广泛的研究，提出了许多测点布置优化算法，但在传感器数量优化方面考虑较少，一般来说，结构中安放的传感器越多，所采集到的结构的信息就越详细，动力参数识别的精度就越好。然而，传感器的数量往往受到经济因素和结构运营状态等方面的限制，不可能在整个结构所有的自由度上布置传感器，这也是不现实的。因此需要对传感器的使用数量问题做出符合工程实际的标准。在位置优化设置方面具有代表性的算法是有效独立法和运动能量法。有^:独立法的缺点是为了避免矩阵奇异，目标模态的数目要等于传感器的数目，-并且传感器不一定分布在模态应变能较大的位置，从而可能造成信息的丢失。运动能量法的基本思想是具有较大模态应变能的自由度上的响应也比较大，布置传感器的步骤和有效独立法类似，主要不同点为运动能量法的目标函数是求模态应变能最大，而有效独立法的目标函数则是求目标模态向量最大线性无关。运动能量法高度依赖于有限元网格的划分，如果划分得较粗，则传感器也将分布得较远。划分的较细，传感器将分布的过近，从而也会丢失重要的反映结构真实状态的参数信息。
发明内容要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种支持故障预测的传感器设置方法，解决了现役桥梁故障预测和寿命评估中的传感器设置方法问题。技术方案本发明的思想在于首先利用弹性波传播原理确定传感器数量；然后利用本案提出的有效独立-驱动点残差法进行传感器位置优化设置，最终形成一套支持故障预测的传感器优化设置方案，实现以最少的传感器数量来最大程度的获取反映结构真实状态的参数信息。本发明的技术特征包括两个步骤传感器数量优化与传感器位置优化；先执行数量优化步骤(1)根据仪器的量程A,精度;;和测量仪器的峰值信噪比阀值P，得到信号最小加速度峰值l"圆|2/(><'7><10,';(2)利用入射波的波幅衰减公式S=flC)和S=k,n|得到入射波传播极限距离阀值D;"表示入射波波幅；其中尸=^-D为入射波的传播极限距离阀值，S,,=le-2叫，/t为结构截面剪切系数，/,./代表有限元模型节点编号，S代表结构最大尺寸两端点之间的入射波的波幅衰减值；;L为待测结构的最大几何尺寸；(3)得到所需传感器的最少数量n，然后根据上述结果继续位置优化步骤(4)利用有限元模型和传感器的最少数量Il，计算￡,=0>—'0/C，，得到传感器布置位置；其中①为待测结构的r^N阶的模态矩阵，n为传感器的最少数量，N为待测结构有限元模型的总自由度数，C，为有效独立-驱动点残差系数矩阵，CDPR.=i，，么是O)中的元素，w,是待测结构的模态频率；,户i■(5)检查最大的传感器间距，若大于入射波传播极限距离阀值D，则在此最大传感器间距之间增加1个传感器，再次计算=cD[O'①丁'(D'C,^得到传感器新的布置位置；(6)重复上一步直到所有传感器间距小于入射波传播极限距离阀值D时，传感器数量和传感器位置得以确定。有益效果本发明所提出的传感器优化设置方法可以实现以最少的传感器数量来最大程度的获取反映结构真实状态的参数信息。本方法与结构健康监测和损伤检测中传感器设置的复杂性相适应，更能满足工程实际应用需求。本发明能为结构的损伤检测和健康监测提供一种传感器设置标准，并使所配置的检测或监测系'统更加经济合理。图1:方法流程图图2:实施例桥梁结构Benchmark模型；a:俯视图；b:侧视图图3:Benchmark模型剪切波加速度峰值衰减曲线图4:Benchmark模型传感器布置图图5:高精度桁架可变损伤模型图6:高精度桁架可变损伤模型的有限元模型图7:三种算法的传感器优化配置图图8:振型拟合图3:—阶振型(Z方向)；b:二阶振型(Z方向)；C:三阶振型(Z方向)；d:四阶振型(X方向)图9:三种传感器配置的均方差比较图10:Fisher信息阵行列式图a:Z方向；b:Z方向图11:模态保证准则的比较具体实施例方式现结合附图对本发明作进一步描述传感器数量优化方法设仪器的量程为A,精度为7，则绝对误差限值为^x77。峰值信噪比阀值P的计算公式为尸=/0/0^。(^4/":」，实际应用时P可由仪器精度统计得到。求得信号最小加速度峰值1fl画卜^"xl0,'据修正后的Timoshenko梁理论，梁的横向运动可表示为式中r为截面剪切系数，A为梁截面面积，G为材料剪切模量，p为材料密度，、,(义力=^仏,)十巧,(乂力为侧向位移，v、和^分别为剪切和弯曲引起的侧向位移。对上两式进行傅立叶变换后求解得.式中A表示频域中的量，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>射波波幅；rfOy)表示出射波波幅。以这些幅值为基本未知量，剪切力可表示为将上式表示为矩阵形式令则矩阵形式可简化表示为式中'、；分别称为局部散射矩阵、局部源矩阵。'以图2给出的桥梁Benchmark模型为例。选用东方所INV306U-5160智能信号采集处理分析仪(幅值误差1%)采集信号，采用自功率谱法检测采集信号的"附加"周期性高频波成分。推导弹性波在结构中传播时的散射关系。取6号节点分析，出射波^(^=4.5.8)、入射波"6P(p二4.5.8)波幅的关系可表示成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>表示波从p点经过节点6到达q点的散射矩阵。注意到梁一端的出射波，也可视为另一端的入射波，它们之间的关系可表示为"从—式中/、AT分别表示梁的两端，户=-e_'w。观察从节点6传送到节点14的一列波，沿路径6-8-10-12-14传播距离最短，沿此路径传播的波的散射矩阵可表示为式中，/表示波的传播距离。只要沿此路径传播的波信号峰值不小于|^,,，|，信号处理系统就能正确识别此信号。由于节点的剪应力正比于节点的横向加速度，所以用散射矩阵S可以直接确定加速度峰值的衰减程度，当&=|",,,,,,J时，计算得到的/称为波传播极限距离阀值D。假设传感器均匀布置，若传感器布置极限间距为D，待测结构的几何尺寸最大值为L，则可初步估算所需最少传感器数量为n-传感器位置优化方法:(式中[]表示正向取整)。支持故障预测的传感器的输出信息可作如下表示少、=^+二Z《,^,+式中，^为所检测模态按候选测点缩减后的n*N的模态矩阵，n是传感器候选位置数，^是广义坐标,w为方差a2的静态高斯白噪声，《是的0第z'个列向量，《是振型参与系数。设真实的广义坐标Q的最佳估计过程为无偏有效估计，则Q估计偏差的协方差矩阵J为<7—9||^一。|=0—式中tf表示Fisher信息矩阵。Fisher信息阵行列式最大化法，是把传感器的某一候选位置去掉，然后计算^的行列式值，当得到的^行列式值最大时，表明这个候选位置对目标模态的线性无关性影响最小。通过计算表示候选点对模态矩阵的线性无关贡献大小的有效独立分配向量"来实现<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中，^是0的特征向量j是相应的特征值矩阵，々是第k行所有系数的总和。在保证每次迭代后0行列式最大的前提下，排除f。系数最小的候选点位置，从而得到给定数目的传感器的布置位置。运动能量法布置传感器的步骤和有效独立法类似，主要不同点在于运动能量法是通过结构运动能最大化而不是Fisher信息矩阵行列式值最大来寻找传感器的优化位置。定义有效独立驱动点残差系数C,，为单元刚度的模态运动能，即C-f《'，—^巧用C/)ra加权有效独立分配矩阵有五腦=中。]—Vc磨有效独立-驱动点残差法以有效独立分配矩阵￡,)/v(迭代求解，每次迭代删除斜对角线元素最小值对应的传感器位置，保留其非对角线元素较大值对应的传感器位置，直到设定的传感器个数。整个迭代过程利用MATLAB语言编写程序进行计算，程序本身是一个不断迭代寻优的过程，在迭代过程中寻优并且得到最后的收敛结果。由于该算法同时以模态应变能最大和振型保持最大线性无关性为目标进行优化，这样既克服了有效独立法所布传感器部分位于低能量区的缺点，也克服了运动能量法高度依赖有限元网格的划分的缺点。再者，有限元建模误差对于振型、特别是低阶振型的影响比较小，而该方法只需要利用低阶振型数据，这就大大降低了建模误差的影响。确定最终传感器优化设置方案将传感器布置极限间距作为有效独立一驱动点残差法(EFI-DPR)或敏感性分析法的约束条件，对给出的传感器位置进行位置检验。如果有任意两个传感器的间距超过极限间距，则在本次运算所确定的传感器数量基础上增加一个传感器，再运用传感器优化布置算法重新布置传感器并检验方案，若无需增加传感器数量，则本次布置方案为传感器数量为位置最终优化方案。传感器网络优化设置软件工作流程为图1:导入数据(仪器量程、精度，结构材料、尺寸、有限元模型参数及基本模态分析结果数据)一初步确定传感器最少数量一选择优化布置方法进行位置优化一间距校核—(如需要，补充数量并重新进行位置优化)一确定最终传感器优化设置方案。上述实施例运行工作流程采用Matlab软件仿真的单个频率正弦波与白噪声叠加后产生的峰值信噪比为N的合成信号对自功率谱法抗千扰极限峰值信噪比阀值P进行统计分析。重复进行1万次的自功率谱法抗干扰性分析，将每次结果中谱线峰值多于一个作为一次误报，统计其峰值误报次数。统计结果表明当？=-5北时，误报次数少于10次，误报率小于1%。，故将P^5db作为自功率谱法分析结果可靠性判断阀值。当选取量程为土10m/P时，代入式(5.1-2)，求得所需信号最小加速度峰值l^》0.056m/'s'2。考虑到结构阻尼现象，根据滞变阻尼理论，当结构发生共振时，滞变阻尼系数^可以利用其与粘性阻尼比《的关系计算Benchmark模型的材料常数见表1。表1结构材料常数<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>选取一列频率为2000/fe，加速度为0.13m"2的入射波，通过前述计算公式可求得，当波峰值加速度衰减到原加速度的0.45倍(0.06m/)时，其传播距离约为5.7米，故波传播极限距离阀值为5.7米。为满足结构损伤检测的需要，取传感器布置极限间距D=5.7米。确定传感器最终布置方案对于选定的检测系统，依据均匀布置原理，取传感器布置极限间距D-5.7米，则对上述桥梁结构Benchmark模型进行振动测试至少需要"=(18+6)x0.3048m5.7m=2，即2个传感器。将初步确定的数量代入EFI-DPR法求得传感器布置节点号为20、126。对传感器位置进行极限间距检验，满足条件，即此方案为Benchmark模型振动测试的传感器最终布置方案。将传感器布置位置标明于Benchmark模型节点图上，如图4所示高精度桁架可变损伤模型试验验证为了验证本发明所设置方案的优越性，对一高精度桁架可变损伤模型进行了传感器优化设置实验，并分别用三种传感器优化比较准则即最小均方差准则，抗噪声性能最好准则和模态保证准则对三种优化配置方法进行比较。第一种比较准则——最小均方差准则(Meansquareerror,MSE),通过计算有限元模型的振型和三样条插值拟合的振型之间的均方差来评估各优化方法所布置的传感器捕获结构动力响应的能力，均方差值越小，表示捕获结构动力响应的能力越强。均方差的计算如下式所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中A为第i阶振型的标准差。MSE准则的比较结果如表2和图9。图8是用有效独立驱动点残差法，经过传感器优化配置后拟合得到的结构振型与有限元软件ANSYS分析得到的振型，从图中可看出两者振型十分接近，说明有效独立驱动点残差法配置的传感器测量的模态参数能反映被测结构的真实状况。表2和图9说明有效独立一驱动点残差法的误差均方差比其他两种方法都低一、二个数量级，从结果来看，EFI-DPR优于其他两种方法。第二种比较准则——抗噪声性能最好准则，该准则用来评价噪声对测量模态参数的影响，它基于模态特性相关的信号强度越高抗噪性能越好的原则，用删除候选传感器位置后Fisher信息阵行列式值与原始行列式值的百分比进行评估，结果如图10。从图10中可以看出，随着传感器删除数目的增加，EFI-DPR比其他两种方法表现出更高的信息量即捕获参数信息的能力较强。第三种比较准则——模态保证准则，模态置信因子MAC子矩阵是评价模态向量空间交角的很好工具，其计算公式如下糊《:=0('.)、('、W&W式中^W和^W分别为第i阶和第j阶模态向量。MAC的非对角元越大，振型向量的相关性越强。该算法采用非对角元的均方根作为标准来评价各传感器布置方法的优劣，比较结果见表3和图U。从表3中可以看出，EFI-DPR的MAC非对角线元素比其他两种方法的MAC非对角线元素低一、二个数量级，并且均方差同样低将近两个数量级，这充分说明EFI-DPR优于其他两种方法。表3模态保证准则比较<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>上述数值及试验结果均表明，本发明容易实施，所提出的传感器优化设置方法可以同时确定所需要的传感器数量和最佳的布置位置，更能满足工程实际应用需求。本发明能为结构的损伤检测和健康监测提供一种传感器设置标准，并使所配置的检测或监测系统更加经济合理。权利要求1.一种支持故障预测的传感器设置方法，其特征在于包括传感器数量优化步骤和传感器位置优化步骤；先执行数量优化步骤(1)根据仪器的量程A，精度η和测量仪器的峰值信噪比阀值p，得到信号最小加速度峰值|amin|≥A×η×100.05P；(2)利用入射波的波幅衰减公式和SDa＝|amin|得到入射波传播极限距离阀值D；a表示入射波波幅；其中P＝-e-ikD，D为入射波的传播极限距离阀值，k为结构截面剪切系数，i，j代表有限元模型节点编号，S代表结构最大尺寸两端点之间的入射波的波幅衰减值；(3)得到所需传感器的最少数量n，L为待测结构的最大几何尺寸；然后根据上述结果继续位置优化步骤(4)利用有限元模型和传感器的最少数量n，计算EDPR＝Φ[ΦTΦ]-1ΦTCDPR，得到传感器布置位置；其中Φ为待测结构的n*N阶的模态矩阵，n为传感器的最少数量，N为待测结构有限元模型的总自由度数，CDPR为有效独立-驱动点残差系数矩阵，φij是Φ中的元素，ωj是待测结构的模态频率；(5)检查最大的传感器间距，若大于入射波传播极限距离阀值D，则在此最大传感器间距之间增加1个传感器，再次计算EDPR＝Φ[ΦTΦ]-1ΦTCDPR得到传感器新的布置位置；(6)重复上一步直到所有传感器间距小于入射波传播极限距离阀值D时，传感器数量和传感器位置得以确定。全文摘要本发明涉及一种支持故障预测的传感器设置方法，技术特征包括两个步骤传感器数量优化与传感器位置优化；先执行数量优化步骤根据仪器的参数得到信号最小加速度峰值，利用入射波的波幅衰减公式得到入射波传播极限距离阀值，得到所需传感器的最少数量n；然后利用有限元模型得到传感器布置位置，根据入射波传播极限距离阀值调整传感器数量和传感器位置。本发明可以实现以最少的传感器数量来最大程度的获取反映结构真实状态的参数信息。本方法与结构健康监测和损伤检测中传感器设置的复杂性相适应，更能满足工程实际应用需求。本发明能为结构的损伤检测和健康监测提供一种传感器设置标准，并使所配置的检测或监测系统更加经济合理。文档编号G01N35/00GK101458259SQ20071019921公开日2009年6月17日申请日期2007年12月14日优先权日2007年12月14日发明者吴子燕,杨海峰,闫云聚申请人:西北工业大学