[发明专利]一种基于长标距光纤光栅传感器的索结构监测方法

权利要求书

1.一种基于长标距光纤光栅传感器的索结构监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，布置健康监测系统：利用索夹在索结构上布置健康监测系统，所述的健康监测系统由多个设置于索结构的长标距光纤光栅传感器组成，通过信号采集系统采集健康监测系统监测到的索结构的应变信号；

步骤二，振动测试：采用力锤锤击索结构上布置有长标距光纤光栅传感器的节点位置处；

步骤三，信号采集与参数识别：信号采集系统采集振动测试中的冲击力信号和长标距应变时程；基于子空间识别算法识别系统矩阵，进而识别索结构多层次的参数，参数包括：频率、阻尼、应变阵型、位移阵型、应变柔度、位移柔度；

所述的子空间识别算法中，状态空间方程是以观测值为长标距应变进行建立，过程为：

当测试力施加在节点上时，节点竖向转角和节点转角位移之间的关系表示为{θ}＝K{q}，其中{q}为节点竖向位移，{θ}为节点转角位移，K由有限单元法的自由度分离所得；长标距应变和节点转角位移之间的关系有式中：h_m为长标距光纤光栅传感器所固定位置的截面中性轴高度；l_m是单元长度；T₁,T₂为选择矩阵，T₁的效果相当于去掉所乘矩阵的尾行，T₂的效果相当于去掉所乘矩阵的首行；

则建立了长标距应变和节点竖向位移之间的线性关系

{ϵ‾}=hmlm(T1-T2)K{q}]]>

其次，当观测值为长标距单元应变y^ε(t)时，设观测向量状态向量其中q(t)和分别为节点的位移和加速度时程；则建立观测向量和状态向量之间的关系有下列等式成立：

yϵ‾(t)=[Cϵ]hmlm(T1-T2)K0x(t)]]>

再令则离散的状态空间方程为：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+ω_k

ykϵ‾=Cxk+υk]]>

式中，A,B,C为系统矩阵，u_k为输入的冲击力，下标k代表离散时间点，ω_k,υ_k分别为模型误差和观测误差；

所述的子空间识别算法中，同时识别应变柔度和位移柔度，所采用方案是通过模态分解后的对比求解模态缩放系数，进而进行结构的柔度识别，过程为：

模态缩放系数的识别中，在任意的ω下都有下式成立

{φrϵ‾}{φrd}TQrjω-λci=cimbimz-λi]]>

式中，为长标距应变阵型，为位移阵型，Q_i是模态缩放系数；是C^m的第i行，是B^m的第i列，而C^m＝CΨ，B^m＝Ψ^-1B，A＝ΨΛΨ；λ_i是Λ矩阵斜对角线上第i行，λ_ci＝lnλ_i/△t，z＝e^jw△t，△t为离散时间间隔；

上式中，利用最小二乘求解模态缩放系数Q_r：

Qr=cimbim(jω-λci)(z-λi){φrϵ‾}{φrd}T]]>

则索的应变柔度、位移柔度矩阵分别为：

fϵ‾=Σr=1N({φrϵ‾}{φrd}TQr-λci+{φrϵ‾*}{φrd*}TQr*-λci*)]]>

fd=Σr=1N({φrd}{φrd}TQr-λci+{φrd*}{φrd*}TQr*-λci*)]]>

式中，r代表模态阶次，N代表所识别的模态阶次；f^d分别为应变柔度矩阵和位移柔度矩阵，·^*代表对变量·进行共轭转置；

步骤四，利用识别的频率进行索力的识别，根据识别的应变柔度定位索结构的损伤。