本發(fā)明屬于建筑工程安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多普勒光學(xué)位移法的振型檢測方法。

背景技術(shù)：

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要研究方法。在機(jī)械，汽車，航天，土木等工程領(lǐng)域中，常常需要考慮到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。而結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)是通過模態(tài)測試和模態(tài)分析的方法來確定。一種操作簡單精度高的模態(tài)測試裝置就成為模態(tài)參數(shù)測試的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對(duì)模態(tài)測試主要采用以下方法：

一是錘擊法模態(tài)測試：錘擊法能量較小，敲擊力大小及方向不易控制，一般錘擊法都需要采用多次平均以獲得較穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)。錘擊法測試結(jié)構(gòu)的模態(tài)，難以保證每次敲擊力相同和敲在同一位置，并且，在待測結(jié)構(gòu)上粘貼傳感器，這就給待測結(jié)構(gòu)帶來了附加質(zhì)量，從而改變了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布，影響結(jié)構(gòu)的固有特性，導(dǎo)致測試結(jié)果與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。二是激振法模態(tài)測試：主要是通過分析儀器輸出信號(hào)源來控制激振器，激勵(lì)被測試件。輸出信號(hào)有先進(jìn)掃頻正弦，隨機(jī)噪聲，正弦，調(diào)頻脈沖等信號(hào)。支持單點(diǎn)激勵(lì)(simo)與多點(diǎn)同時(shí)激勵(lì)法(mimo)。而激振器對(duì)被測試件擊振時(shí)，是通過控制激振器的位置來進(jìn)行不同點(diǎn)的擊振，這種擊振方法操作繁瑣，精度低，也有可能定位在節(jié)點(diǎn)處，這使得擊振效果不明顯。而且只能測量有限的幾個(gè)點(diǎn)的振幅值，測量結(jié)構(gòu)比較粗糙。

以上方法都是一種接觸式間接的測量方法，由于都是由人為的去敲擊或者是移動(dòng)激振器，操作過程中必然存在誤差，使得測試精度低，不能直觀形象揭示結(jié)構(gòu)的固有振型，以致達(dá)不到測試要求。

目前，振動(dòng)頻率檢測裝置通常采用壓電振動(dòng)元件的加速度傳感器，當(dāng)檢測軸方向的力作用于壓電振動(dòng)元件時(shí)，壓電振動(dòng)元件的諧振動(dòng)頻率發(fā)生變化，根據(jù)該諧振動(dòng)頻率的變化，檢測施加給加速度傳感器的加速度。然而，采用加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的檢測過程中，需要將加速度傳感器固定在標(biāo)的建筑上，兩者需要接觸才能完成檢測，但是，在有些情況下，例如大跨空間結(jié)構(gòu)等復(fù)雜環(huán)境下，并不便于安裝加速度傳感器，因此，現(xiàn)在亟需一種能夠在遠(yuǎn)距離、非接觸式的、高精度的檢測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的需要提供了一種遠(yuǎn)距離、非接觸的環(huán)境激振的振動(dòng)測試方法，該測試方法是基于多普勒光學(xué)移動(dòng)法的振型檢測方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于多普勒光學(xué)位移法的振型分析方法，所述振型分析方法包括：

1)選擇多個(gè)檢測點(diǎn)，然后通過激光多普勒振動(dòng)傳感器依次在每個(gè)檢測點(diǎn)向標(biāo)的建筑物發(fā)射激光，并接收反射光；

2)通過步驟1)得到每個(gè)檢測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)xi，j，其中，i為檢測點(diǎn)位編號(hào)，j為監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)；

3)對(duì)位移數(shù)據(jù)xi，j，進(jìn)行兩次差分計(jì)算，獲得每個(gè)監(jiān)測位點(diǎn)的加速度信號(hào)acci，j。/.

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟3)所述加速度信號(hào)是通過運(yùn)行下述程式計(jì)算得到的：

其中，xi，j為第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，第j個(gè)采樣點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)；

xi，j+1為第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，第j+1個(gè)采樣點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)；

xi，j-1為第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，第j-1個(gè)采樣點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)；

h為采樣間隔，本發(fā)明中采樣間隔的典型值為2000hz。

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟3)所述的差分計(jì)算之前還包括通過濾波剔除xi，j中的空值和壞值，防止實(shí)施方案中由于采集單元的擾動(dòng)而產(chǎn)生的信號(hào)漏采和突變。

通過運(yùn)行下述程式計(jì)算得到的：

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述振型分析方法還包括：

4)對(duì)差分加速度信號(hào)f＝accx，j進(jìn)行快速傅里葉變換，得到對(duì)應(yīng)的頻率譜圖，前n階的試驗(yàn)檢測固有頻率分別為ωtest、1、ωtes、t2、ωtest、3…ωtest、n。

本發(fā)明還提供了根據(jù)上述振型分析方法在結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用。

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中所述應(yīng)用為在弦橫向自由振動(dòng)試驗(yàn)中通過比對(duì)理論固有頻率和試驗(yàn)檢測固有頻率，評(píng)估弦結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述理論固有頻率方程為：

其中，ωn為第n階理論固有頻率；

l為弦結(jié)構(gòu)橫向長度；

t為弦結(jié)構(gòu)兩端固定、承受張力；

p為弦上段位長度的質(zhì)量載荷。

在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，取前3階理論固有頻率ω1、ω2、ω3分別與試驗(yàn)測得的前三階試驗(yàn)檢測固有頻率ωtest、1、ωtest、2、ωtest、3比較，誤差超過閾值認(rèn)為弦結(jié)構(gòu)狀態(tài)出現(xiàn)損傷：

(ωtest，n-ωn)/ωn＞θ

其中，θ為誤差閾值，一般取值為0.5％～5％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供了具有遠(yuǎn)距離、非接觸式特征的多普勒振動(dòng)頻率檢測技術(shù)和方法體系。滿足了大跨空間結(jié)構(gòu)在運(yùn)維狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)測試的多普勒動(dòng)力測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下，進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸的環(huán)境激振的振動(dòng)測試，提供滿足現(xiàn)場測試的快速簡易檢測手段。

附圖說明

圖1為多普勒振動(dòng)測試示意圖；

圖2a-圖2c為根據(jù)本發(fā)明的基于多普勒光學(xué)位移法的振型分析方法的檢測和變換后得到的檢測圖譜；其中，圖2a為通過本發(fā)明的方法采集到的原始位移信號(hào)圖譜；圖2b為將圖2a的信號(hào)圖譜進(jìn)行快速傅里葉變化后得到位移數(shù)據(jù)中的頻率特征圖譜；圖2c為在對(duì)圖2a的信號(hào)圖譜進(jìn)行差分處理后，再一次進(jìn)行快速傅里葉變化后得到的信號(hào)圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

如圖1所示，在待測標(biāo)的建筑物選取多個(gè)采樣點(diǎn)，在與采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地方分別放置激光多普勒振動(dòng)傳感器，然后按照一定順序編碼，并根據(jù)編碼依次發(fā)出激光并接收反射光。也可以使用一臺(tái)激光多普勒振動(dòng)傳感器，依次在與采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地方進(jìn)行測試操作。雖然在圖1中標(biāo)示了激振源，但是本申請(qǐng)并非依賴于特定施加的激振源才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐中自然情況下產(chǎn)生的振動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)激振的目的，例如空氣或水流的流動(dòng)、附近因施工傳遞而來的振動(dòng)甚至由附近經(jīng)過的汽車或火車產(chǎn)生的振動(dòng)等。

根據(jù)本發(fā)明的基于多普勒光學(xué)位移法的振型分析方法包括以下步驟：

1.激光多普勒振動(dòng)傳感器的精度可達(dá)到1mm，分辨率可達(dá)到0.1mm，采樣頻率，可以根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置，最高采集頻率可以達(dá)到100khz)。通過多普勒振動(dòng)測試得到監(jiān)測點(diǎn)位的位移數(shù)據(jù)xi，j(時(shí)序矩陣。i為檢測點(diǎn)位編號(hào)，j為監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間點(diǎn))。

2.位移數(shù)據(jù)濾波。對(duì)xi，j進(jìn)行濾波，提出空值與壞值。

3.對(duì)位移數(shù)據(jù)xi，j進(jìn)行差分得到位移數(shù)據(jù)中的頻率特征，通過對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行再次差分得到對(duì)應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)位的加速度信號(hào)accx，j。

其中，h為采樣間隔。

4、通過式l對(duì)差分加速度信號(hào)f＝accx，j進(jìn)行快速傅里葉變換，得到對(duì)應(yīng)的頻率譜圖。

5、通過得到的頻率譜圖對(duì)待測結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)行分析，并完成對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估。

實(shí)施例2

現(xiàn)結(jié)合圖2進(jìn)一步說明本發(fā)明的基于多普勒光學(xué)位移法的振型分析方法的具體步驟。圖2所示為對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)跨度為6m，矢高為0.4m，垂度為0.4m形狀的平面張弦桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型分析的結(jié)果圖。使用標(biāo)準(zhǔn)激振源對(duì)張弦桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行階躍激勵(lì)，使用多普勒光學(xué)位移法采集其位移變化信息數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到圖2a-c所示振型特征曲線。

圖2a為通過本發(fā)明的方法采集到的原始位移信號(hào)圖譜；圖2b為將圖2a的信號(hào)圖譜中的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變化后得到位移數(shù)據(jù)中的頻率特征圖譜；圖2c為在對(duì)圖2a的信號(hào)圖譜中的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行再次差分處理后，再一次進(jìn)行快速傅里葉變化后得到的信號(hào)圖譜。通過上述變換以及圖2a-c可見，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行差分處理后，差分處理前后得到的前三階固有頻率是一致的，因此，本方法的檢測分析方法是準(zhǔn)確的。

以上，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。