[发明专利]一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法

说明书

一种用于风洞试验的非接触式结构动力响应测量方法，实施步骤如下：A.搭建风洞试验模型并调试高速摄像头参数；B.双目系统标定；C.建立连续自适应均值漂移算法目标动态追踪任务；D.多点结构空间三维动态位移自动测量与存储。

技术领域

本发明涉及到使用摄像装置对风荷载作用下的结构进行动态监测和动力特性参数识别的方法。

背景技术

风荷载对于大跨度桥梁、大型空间结构、高层建筑、高耸塔式结构、大型拉索结构等各类建筑物的设计、施工和运营有着重要的影响。结构物在风荷载的作用下会产生复杂的动力风效应，并且可能导致灾难性的风致破坏。比如灾害性台风可能导致结构主体开裂破坏，长时间持续的风致振动则可能使结构某些部分如节点、支座等产生疲劳和损伤，危及结构安全。所以对于结构在风荷载作用下的风致响应研究至关重要。风洞试验是研究结构风致响应的重要方法。通过采用相似准则，在风洞实验室中建立一个实际结构的缩尺模型，来研究模型在风作用下的响应。缩尺模型除了与实物几何外形相似，还满足一定的长度缩尺比、密度缩尺比以及刚度缩尺比。风洞实验室可以模拟与实际情形相同对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数、雷诺数等，通过测量这些条件下试验模型的响应，再利用相似准则就可以反算出实际结构在相同风荷载作用下的响应。

对于测量风洞试验下的结构动力响应，传统的测量方法主要是利用加速度传感器、速度传感器或者位移传感器来测量结构在风荷载作用下的动态加速度、速度或者位移，然后通过结构力学和结构动力学相关理论计算出结构振动频率、幅值、阻尼比、模态及其他动力特性参数。这些测量方法当中主要分为接触式传感器和非接触式传感器两种，以下针对其分类进行相关评述。

1、接触式动态测量方法：

(1)加速度传感器。将加速度传感器安装在被测结构的表面，测量过程中加速度信号通过导线传递给采集设备并保存。通过对加速度信号进行频谱分析可以得到结构振动的频率、阻尼比、模态振型等动力特性指标。另外，对加速度信号进行二次积分处理可以得到结构振动的幅值大小，即位移信息。但是这种方式会将加速度传感器的质量附着在被测结构上，影响结构自身的动力特性。而且导线也会影响结构的边界条件以及风场特征，使得风洞试验测量结果容易出现较大的误差。另外，加速度传感器容易受到电磁等环境因素干扰，获取的信号会夹杂大量噪声。

(2)电阻应变片。将电阻应变片贴在被测结构表面，测得结构在风致振动过程中的应变量，利用弹性力学相关理论得到位移与应变的关系，从而获取结构振动位移特征，对位移信号进行处理即可得到结构的振动特性参数。这种接触式测量方法除了具有前面提到的加速度测量方法的缺点(接触、需要布线、易受电磁干扰)之外，电阻应变片本身容易损坏，而且只能一次性使用。

(3)直线位移传感器。主要包括磁致伸缩位移传感器、线性可变差动变压器、拉线式位移计、电子百分表等。这种传感器需要通过架设固定支架使传感器的一部分与被测结构表面接触，每个传感器只能测量一个方向的结构位移。除了因为布线和电磁干扰带来的测量误差之外，支架本身在风洞中受到风场作用会引起扰动，从而增大安装在支架上的传感器的测量误差。

2、非接触式动态测量方法：

(1)激光位移传感器。这是一种非接触式动态位移测量系统，使用方便，不需要固定参考坐标系，不需要在被测结构上安装位移测点，从而不会对被测结构的振动造成干扰，而且激光测量的采样频率高、精度好。但是也有自身的缺点，比如其在测量过程受其他杂散光的干扰较大，测量位移的量程会受到限制。并且激光位移传感器需要安装在风洞中的固定支架上，支架自身在风场作用下会发生风致振动，从而影响测量结果。另外这些支架等装置对风洞中气流的影响较为明显，对风洞中风场的模拟产生干扰。