一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，包括PCB加速度器（1）、振动台（2）、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器（3）、被测结构体（4）、数字滤波器（5）、信号的数字化采集器（6）和模态参数识别系统（7）；所述被测结构体（4）设置在所述振动台（2）上；所述PCB加速度器（1）和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器（3）均设置在所述被测结构体（4）中。本实用新型的测试装置具有精准、高效、布设及监测简单和工程适用性较强等众多优点。
【专利说明】一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置。
【背景技术】
[0002]自1954年以来，发生的垮坝事件一共有3496件，给人民生命财产和国民经济造成了巨大损失。我国修建的8.7万座水库大坝中，有43.7%为病险水库，就是截止到2007年年底，还仍然有将近3万余座的病险水库，因此，保持建筑物的安全运行及使用变得十分严峻和紧迫，需要对建筑物在各个运行状态下的运行状态进行监控，对收集的监测资料进行分析，实时评价建筑物的安全状态。水工结构在此运行过程中不可避免的会产生结构损伤，因此，需要在结构中埋设一定的传感器以监测结构的性态。布设传统的监测仪器具有经济投入较大、精度较低等缺点。
[0003]水工混凝土结构在运行过程中不仅会受到静荷载的作用，而且会受到动荷载的作用；压电智能材料的运用能够在一定程度上减小经济投入，可以同时用于结构的主动监测和被动监测，而且其具有频响范围宽、响应速度快等许多其他材料不具有的特点。由结构动力学可知，振动是结构完整性的灵敏显示器，结构的损伤会导致结构的物理力学参数变化，进而引起结构动力学响应的变化。在结构健康的动力监测中，结构模态参数的识别是一个重要的环节，同时也是前提和难点所在，其识别结果的精准与否直接影响到后续工作的进行。
实用新型内容
[0004]发明目的:本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，对水工混凝土结构健康的动力监测领域具有重要理论及实际意义。
[0005]由于振动是结构完整性的灵敏显示器，结构的损伤会导致结构的物理力学参数变化，进而引起结构动力学响应的变化，在结构健康的动力监测中，结构模态参数的识别是一个重要的环节。本实用新型正是基于自振频率的识别原理，提出了自振频率的识别方法，基于混凝土压电陶瓷机敏模块(CPSM, Concrete PZT Smart Module)识别水工混凝土结构自振频率的实现技术，研究并提出了自振频率的识别方法。本实用新型以前人的研究为基础，在肯定前人在设计、使用监测仪器和传感器的基础上，引入了压电陶瓷智能材料，利用压电陶瓷材料设计适合大坝安全监控的压电陶瓷机敏模块，并探索其在大坝安全监控方面的运用。
[0006]技术方案:本实用新型所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，包括PCB加速度器、振动台、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器、被测结构体、数字滤波器、信号的数字化采集器和模态参数识别系统；所述被测结构体设置在所述振动台上；所述PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器均设置在所述被测结构体中，将混凝土压电陶瓷机敏模块传感器埋置在被测结构体内部，可在一定程度上削弱温度、湿度等外界环境变化对压电陶瓷片的影响；
[0007]所述振动台输出信号激励被测结构体产生自振频率；等效加速度下PCB加速度器和所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得振动信号，并将信号通过数字滤波器和信号的数字化采集器传输到模态参数识别系统；
[0008]所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器包括压电陶瓷片、硫化硅橡胶层、信号线和外包混凝土，所述硫化硅橡胶层包覆在所述压电陶瓷片的外围，包覆有硫化硅橡胶层的压电陶瓷片埋入在外包混凝土中；所述信号线的一端焊接在压电陶瓷片上，另一端穿过外包混凝土与其他元器件连接。
[0009]模态参数识别系统对于获得的信号主要通过模态参数的识别方法中时域分析方法，当测量信号是一个平稳、正态分布、零均值的随机时间序列时，能准确地反映信号本身的特征。时域分析方法适用于较短数据的分析处理。模态参数识别系统中，主要采用NExT法获得随机激励下结构中任意两点的互相关函数，然后利用ITD法将上述互相关函数作为输入对结构进行试验模态参数提取。
[0010]dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering)系统用于信号的数字化采集，其由硬件和软件两大构件构成，其中软件系统包括从Simulink模型到dSPACE实时代码自动生成的工具和对实验进行可视化、自动化管理的一系列软件。
[0011]压电陶瓷片为一种人工制作的压电材料，为铁电体一类的物质；压电陶瓷片的混凝土包层，其主要由水泥砂浆构成；信号线，一般是待压电陶瓷片的表面干燥后焊接而上的；单组分硫化硅橡胶质地柔软，防水性好，且能够较好的避免压电陶瓷片埋入混凝土中可能出现的应力集中现象，考虑到压电陶瓷片自身材质较脆，一般在压电陶瓷片外围覆盖一层单组分硫化硅橡胶以达到保护埋入混凝土中的压电陶瓷片的效果；应力、位移从压电陶瓷片向外层混凝土传递过程中沿极化方向上呈圆形等势面，所以压电陶瓷机敏模块对的体型一般可以使用圆柱体。
[0012]所述被测结构体通过环氧树脂粘接在所述振动台上，通过振动台输出信号的随机噪声信号，频率较为丰富，便于激励出在此范围内的不同阶次结构自振频率，通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小，采用dSPACE数据采集系统对监测数据进行采集，取激振等效加速度下CPSM和PCB加速度器获得的振动信号作为分析样本。
[0013]利用本实用新型水工混凝土结构自振频率识别的测试装置进行水工混凝土结构自振频率识别的测试方法，包括如下步骤:
[0014](I)振动台输出激励信号，激励被测结构体产生自振频率；
[0015](2)通过输入不同的等效加速度来控制输入信号的能量大小；
[0016](3)等效加速度下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号，经过数字滤波器去噪后，被信号的数字化采集器采集；
[0017](4)信号传递到模态参数识别系统，首先选择参考点，然后由NExT法得到随机激励下PCB加速度器和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器获得的振动信号相对于参考点的互相关函数，将计算得到的互相关函数值作为ITD时域模态参数识别的输入数据，得到脉冲响应函数，实现了水工混凝土结构自振频率识别的测试。
[0018]NExT法(Natural Excitation Technique)又称为自然激励技术,其基本原理为随机激励下结构两点之间响应的互相关函数和脉冲响应函数有相似的表达式，在求得两点之间响应的互相关函数后，再通过时域模态参数识别法方法进行模态参数识别。两个响应之间的互相关函数的表达式为:
[0019]
【权利要求】
1.一种水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，其特征在于:包括PCB加速度器(I)、振动台(2)、混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)、被测结构体(4)、数字滤波器(5)、信号的数字化采集器(6)和模态参数识别系统(7);所述被测结构体(4)设置在所述振动台(2 )上；所述PCB加速度器(I)和混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3 )均设置在所述被测结构体(4)中； 所述振动台(2)输出信号激励被测结构体(4)产生自振频率；等效加速度下PCB加速度器(I)和所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)获得振动信号，并将信号通过数字滤波器(5)和信号的数字化采集器(6)传输到模态参数识别系统(7)； 所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)包括压电陶瓷片(10)、硫化硅橡胶层(12)、信号线(11)和外包混凝土(9)，所述硫化硅橡胶层(12)包覆在所述压电陶瓷片(10)的外围，包覆有硫化硅橡胶层(12)的压电陶瓷片(10)埋入在外包混凝土(9)中；所述信号线(II)的一端焊接在压电陶瓷片(10)上，另一端穿过外包混凝土(9)与其他元器件连接。
2.根据权利要求1所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，其特征在于:所述混凝土压电陶瓷机敏模块传感器(3)为圆柱体。
3.根据权利要求1所述的水工混凝土结构自振频率识别的测试装置，其特征在于:所述被测结构体(4)通过环氧树脂粘接在所述振动台(2)上。
【文档编号】G01M7/02GK203432772SQ201320560238
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】苏怀智, 张楠, 杨孟, 蔡珊珊 申请人:河海大学