[发明专利]一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置及方法

说明书

一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置及方法，属于角加速度测量技术领域。该装置中有一实心球，实心球可沿外壁封装罩径向自由运动，实心球运动后的离心力通过刚性块体传递至柔性块体，柔性块体作为受力基体；应变片固定在柔性块体表面，用于检测柔性块体的径向应变，通过公式反算结构扭转时实心球的所受离心力；侧向限位连杆用于连接刚性块体和滑轮，并限制实心球的位移，使其只能沿装置纵向运动；滑轮使刚性块体自由移动。本发明将瞬态角加速度的测量转化为实心球离心力的动态测量；并通过装置将离心力转化为柔性块体纵向上的应变测量；利用应变片实现低成本的动态监测，从而相对准确的求得结构由于偶遇动力作用引起的动态角加速度。

技术领域

本发明属于工程结构动态扭转变形测量技术领域，涉及一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置及方法，适用于动态监测地震、爆破、风载作用下土木工程结构扭转动力响应的瞬态角加速度。

背景技术

在土木工程中，受风、爆破、地震等偶遇动力作用的影响，由于结构的非对称性，刚度中心与作用力合力方向多有不重合，结构会在水平面内围绕刚度中心可能发生快速瞬态扭转运动，严重时可影响工程结构的整体安全，故瞬态角加速度的测量对于定量判断结构扭转变形及所受外力扭矩大小具有重要意义。但由于快速瞬态变形监测的复杂性，尤其扭转角又是相对于扭转中心的相对测量值，受外载荷多变，结构刚度中心可能变化等因素的影响，导致目前在工程结构变形日常监测过程中，捕捉由于偶遇动力作用引起的瞬态角加速度所采用的方式比较原始。

在土木工程领域，对于角变形的测量多基于结构刚体假定，确定扭转中心后，先测量两个远距离参考点的线加速度，然后计算两个点线加速度的差值，再通过求该差值与两点距离的比值，来获得结构的角加速度。但使用这种方法的前提是结构各个位置处的角加速度一致，但在土木工程的实际应用中，结构的角加速度往往因为位置的不同而出现变化，所以该方法只能近似测得结构的整体角加速度，并且两个参考点的位置对所测角加速度受影响较大。如果研究角加速度在结构某一面上各个位置上的分布特征时，该方法并不合适。

测量动态角加速度还可以使用角速率陀螺仪，利用它得到角速度，再经过对时间处理得到角加速度。陀螺仪利用角动量守恒原理，概括来说就是利用当合外力矩为零时，物体高速旋转产生较大的角动量，由于角动量保持不变，旋转轴会一直稳定地指向一个方向的性质。但是，它存在以下缺点：1)需要足够的、相对稳定的角动量，否则不足以维持陀螺仪转动的稳定性；2)需要一直保持转动，这不适用于长期监测建筑物或者结构基础的角加速度；3)角速率陀螺仪结构复杂精密，长期使用需要大量维护费用。现阶段，已经发展出了利用计算光程差的激光陀螺仪、光纤陀螺仪，以及基于物理学的科里奥利力的微机电陀螺仪等，但这些角速率陀螺仪多适用于航空机械电子领域，在土木工程的复杂长期的恶劣环境下运用极少。目前，还有其他几种比如压阻式角加速度传感器、液环式角加速度传感器、压电式角加速度传感器等测角加速度的仪器，但往往结构复杂，同样多用于机械电子工程。

在建筑结构变形长期监测过程中，在受风、爆破、地震等偶遇动力作用的复杂恶劣环境下，结构扭转等动态变化具有突发性、瞬时性和短暂性的特点，现在亟需要一种原理简单，维护简便、便于安装且能长期处于待命状态，能够及时响应激发，并迅速捕捉结构某一位置处动态瞬时角加速度动力状态的仪器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置，本发明采用的基本原理是：当结构扭转时，与结构一起扭转的有质量的装置会产生离心力效应，本发明把瞬态角加速度的测量转化为动态离心力的测量，并通过装置将离心力转化为应变片上的应力测量，利用应变片实现动态监测过程。而应变片具有操作稳定、工作长效、在复杂工况下应用效果好等特点，从而实现长期监测条件下，对于偶遇动力作用引起的角加速度的实时测量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：