[发明专利]一种基于结构模态估计的应变计与加速度计联合布设方法

说明书

本发明属于土木工程结构健康监测技术领域，提出了一种基于结构模态估计的应变计与加速度计联合布设方法，包括初始加速度计位置选择、待估计位置选择和应变计位置选择三大过程。一、利用模态置信准则和模态信息冗余度进行初始加速度计位置选择；二、结合实际情况，当某些位置无法布置加速度计时，定义出需要进行位移模态估计的位置；三、利用应变模态估计出待估计位置的位移模态，同时利用模态估计效果的好坏来选择应变计的位置。本发明可充分利用应变计采集的监测数据，得到的布设方案符合模态置信准则，包含很少的模态冗余信息，是一种有效的传感器联合布设方法。

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测技术领域，提出了一种基于模态估计的应变计与加速度计联合布设方法。

背景技术

传感器的合理布置是结构健康监测系统设计中的首要环节，其目的是采用尽可能少的传感器来获取尽可能多的结构有用信息。位移模态信息对于结构分析起着关键的作用，模态振型和模态坐标用于结构的损伤识别、模型更新和响应重构。用于获取结构模态信息的传感器布设方法可分为两类：一类是基于模态振型的传感器布设方法，如使得测点位置的模态振型可区分的基于模态置信准则的布设方法、基于减小测点位置间模态信息冗余度的布设方法等；另一类是基于结构模态坐标估计的传感器布设方法，如有效独立法通过最大化Fisher信息阵来提高模态坐标估计准确度、模态动能法以及原点留数法等。

目前用于结构位移模态信息获取的传感器布设方法大多采用加速度计，主要是因为其能够很好地获取结构的振动信息。然而在工程实际中，加速度计和应变计都有着广泛的应用，单一种类的传感器布置方法并未充分利用所有种类的传感器，研究这两种传感器的联合布设方法具有重要的工程意义。

发明内容

为了共同使用应变计和加速度计来获取更多且更准确的结构位移模态信息，本发明提供了一种多类型传感器联合布设方法。

本发明的技术方案：

一种基于结构模态估计的应变计与加速度计联合布设方法，步骤如下：

一、初始加速度位置选择

依据模态置信准则来选择初始的三维加速度计位置，且在选择过程中设置信息冗余度阈值，避免加速度计包含的位移模态信息冗余度过大。

步骤1.1：将结构有限元模型的各个节点设为待选加速度计的位置并进行编号，有限元节点间梁单元的1/3和2/3长度处是待选应变计的位置并进行编号，每个截面的四个边角处为应变计的四个具体布置位置。

步骤1.2：运用三维有效独立法获得初始a个三维加速度计的位置(a由结构自身和监测目的所确定)，该方法以各个位置对模态信息阵线性独立性的贡献来选取测点：

Con_i＝1-det(I₃-φ_3i(φ^Tφ)^-1φ_3i^T) (1)

式中：Con_i为第i个三维加速度计位置对模态信息阵线性独立性的贡献大小；φ为所有测点的模态振型矩阵；φ_3i为第i个位置对应模态振型矩阵的三行。如果Con_i的值接近于0，表示该位置几乎没有贡献，可以删除；如果Con_i的值接近于1，则表示该位置十分重要，需要保留。该方法从结构所有待选测点开始，每次删除一个位置，直至选择出a个位置。

步骤1.3：考虑模态振型的连续性，一旦两个传感器布置的位置过于相近，则这两位置所包含的模态信息会有很高的相似度，即存在模态信息冗余。这里采用Frobenius范数来计算传感器间的信息冗余度：