一种基于加速度传感器测量应变的装置及方法与流程

本发明涉及一种基于加速度传感器测量应变的装置和方法，属于结构健康监测领域。

背景技术：

1、随着科学技术的迅速发展，我国工程建设取得举世瞩目的成就。但受外界环境因素的影响，许多结构不可避免会出现损伤和破坏，结构健康问题备受社会各界关注。这些结构灾害不仅对资源及财产造成严重的损失，还威胁到人们的生命财产安全，因此建立可靠的结构健康监测系统十分必要。

2、目前对于现场环境复杂、持续时间较长且量测过程中始终要以初始零点作为起点的应变监测，基本上采用基于振弦式传感器的监测设备。传统振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，金属弦固有频率随弦应力变化而变化，由固有频率的变化量可求出振弦式传感器内的金属弦所受到的张力，人们可以利用这一原理来测量金属弦应变变化，进而可得到结构的应变(中国专利：一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，201711397670.1，2017-12-21)。

3、但传统的振弦式传感器所采用的全频段扫频信号激励起振并反馈复激励维持金属弦共振(中国专利：振弦式传感器及应力位移测试方法，202110124541.5，2021-01-29)，测量金属弦共振频率的方法繁琐、周期长，且在弦切割磁感线过程中产生的与电压信号弱，即便使用放大电路对信号进行处理，也存在容易失真以致无法准确测量钢弦振动频率的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有振弦式传感器测量不精确、周期长的问题，本发明的目的在于提供一种基于加速度传感器测量应变的装置和方法，具有精度高、测量周期短的优点并实现了对结构无接触远距离实时测量。本发明尤其适用于大型结构，大型结构指大跨度桥梁、大坝、隧道等大体积、大荷载的建筑设施。

2、本发明技术方案如下：

3、一种基于加速度传感器测量应变的装置，如图2所示，包括：

4、加速度传感器3，由微处理器6、电磁铁4、加速度芯片5和供电模块7；

5、进一步的，所述微处理器用于控制激励装置激励钢弦起振，采集钢弦起振后的加速度信号，对加速度信号进行谱分析得到固有振动频率，然后通过周边数据传输电路使用wifi方式将微处理器收集的频率信号发送给pc机。

6、嵌入的高精度加速度芯片，其原理是在惯性空间设置质量为m的质量块，用于感知被测物体做加速度运动时产生的惯性或位移，测得此惯性力或位移量，也就可测得相应的加速度。采集加速度信号后将其传输给微处理器。

7、钢弦1，用于表征测点的应变，将测点的应变信号转化成频率信号。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在钢弦几何尺寸确定之后，钢弦振动频率的变化量，即可表征应力的大小。

8、激励装置，由永磁铁2、电磁铁4构成，用于产生电磁力激励钢弦起振。

9、具体实施方法如下：将所述测量装置安装于结构测点，安装好天线启动电源，打开电脑接收软件，建立加速度传感器和pc机之间的wifi通讯连接，开始接收数据。

10、微处理器发出指令给电磁铁供电，电磁铁产生一个电磁力与两侧永磁铁相互作用，激励钢弦1起振；固定于钢弦上的加速度芯片5测量钢弦加速度并将加速度信号传输给微处理器6。微处理器采集加速度信号，对加速度信号进行谱分析得到钢弦固有频率，之后将频率信号通过电路传输模块传输给电脑。将得到的频率信号结合单自由度无阻尼振动模型算出钢弦索力。这里采用四根长度均为l的钢弦固定加速度传感器的方式保证其在一个平面内摆动，以消除旋转加速度；同时四根钢弦其受力情况相同，故固有频率相等。受力分析时可将其简化成一根钢弦，具体做法如图1所示受力分析：

11、单自由度无阻尼振动方程：

12、

13、式子y为t时刻钢弦横向位移，为位移的二阶导数即t时刻钢弦加速度，k为结构刚度,m为加速度传感器质量(这里忽略钢弦质量)；对结构进行受力分析如图所示，钢弦索力在振动时保持为t；t时刻时钢弦与水平线夹角为θ；

14、振动时θ很小，可做如下等效：

15、

16、单自由度无阻尼振动模型，固有频率ω如下：

17、

18、因此可得钢弦索力和固有频率之间的关系式，得到钢弦索力之后进一步算出钢弦应变。

19、

20、式中a为钢弦横截面积，e为钢弦杨氏模量，ε为钢弦应变；

21、对结构进行受力分析得到所述装置内钢弦的应变ε与结构测点处的应变之间的关系为最终测得结构测点应变。

22、本发明的有益效果为：

23、1、本发明公开的一种基于加速度传感器测量应变的装置及方法，采用电磁力激励钢弦起振的方法，能够提高起振速度；同时采用加速度传感器代替传统切割磁感线的方式测量振动频率，缩短测量周期并提高精度。

24、2、本发明公开的一种基于加速度传感器的动态数据测量方法及装置，建立和pc机之间的wifi通讯连接，采用无线传输的方式实现了对结构无接触远距离实时测量，尤其适用于对大型结构应变进行应变测量。

技术特征：

1.一种基于加速度传感器(3)测量结构应变的装置及方法，其特征在于：包括激励装置(2、4)、四根等长钢弦(1)以及固定于钢弦上的加速度传感器(3)；利用加速度传感器上微处理器(6)控制激励装置(2、4)激励钢弦(1)起振，通过所述加速度传感器得到钢弦起振时的加速度信号，将所得加速度信号进行谱分析得到钢弦固有振动频率；建立单自由度无阻尼振动理论模型通过钢弦索力和固有频率的关系得到钢弦索力，通过受力分析进而计算出待测结构的实时应变。

2.按照权利要求1所述加速度传感器(3)，其特征在于：包括电磁铁(4)、加速度芯片(5)、内部的微处理器(6)、供电模块(7)；

3.一种权利要求1所述钢弦(1)，其特征在于：钢弦固有振动频率与张紧力的大小有关，通过测量钢弦振动频率的变化即可测量钢弦的应变。

4.根据权利要求2所述加速度传感器(3)，其特征在于：所述加速度传感器由四根等长钢弦固定于两个底座上，从而使其在一个平面内摆动，以消除其旋转加速度。

5.根据权利要求1所述的钢弦索力和固有频率的关系式，具体实现方式如下：由于加速度传感器由四根长度均为l的钢弦固定于一个平面内，以消除其旋转加速度；四根钢弦其受力情况相同，故固有频率相等；

6.根据权利要求1所述激励装置，其特征在于：激励装置由永磁铁(2)和加速度传感器上电磁铁(4)的组成；处理器控制供电模块给电磁铁供电从而产生电磁力推动钢弦起振。

技术总结
本发明公开了一种基于加速度传感器测量结构应变的装置及方法，属于结构健康监测技术领域。所述装置由钢弦、两个底座、加速度传感器、激励装置及微控制器组成。当所测结构产生应变时，附着于结构上的装置内的钢弦受力，可通过谱分析获得钢弦振动频率计算钢弦的应变。本发明的测量方法包括以下步骤：(1)将装置固定于待测结构测点上；(2)利用微处理器控制激励装置激励钢弦振动；(3)利用微处理器读取加速度传感器上的加速度数据并进行谱分析获得钢弦的振动频率；(4)根据本发明推导出的频率‑应变公式计算出钢弦的应变。本发明具有测量周期短、精度高、装置制造工艺简便的优点。

技术研发人员：黄仕平,余坚
受保护的技术使用者：中新国际联合研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15