基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家基本建設(shè)的高速發(fā)展，大量的土木設(shè)施、交通、工民建以及山體護坡等各種各樣的構(gòu)筑物如雨后春筍般地拔地而起。然而，在地震或者洪水等比較重大的自然災(zāi)害發(fā)生后，如何快速準(zhǔn)確的對災(zāi)區(qū)構(gòu)筑物進行狀態(tài)評定，確保盡快恢復(fù)交通等次序；在運行使用一個時期后，構(gòu)筑物的安全健康狀態(tài)如何判斷，其構(gòu)筑物是否存在病害，如何及時準(zhǔn)確地找出病害結(jié)構(gòu)并進行整治等安全體系的建立，目前已提入了我國各級管理機構(gòu)及管理者的議事日程，特別是在經(jīng)歷地震等自然災(zāi)害后，其構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)更是關(guān)注的焦點。并且，在我國經(jīng)濟高速發(fā)展時代，基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛展開，建設(shè)工程質(zhì)量、既有構(gòu)筑物的安全狀態(tài)等構(gòu)筑物安全監(jiān)控指標(biāo)愈來愈被有關(guān)管理部門重視。
[0003]因此需要一種能夠有效解決上述問題，能夠快速準(zhǔn)確地判斷構(gòu)筑物的健全度，實時監(jiān)控其安全狀態(tài)；還可以建立構(gòu)筑物“健康”檔案，為國家管理部門提供確切可靠的管理數(shù)據(jù)，為決策者提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)，它包括多個設(shè)置于構(gòu)筑物表面的傳感器、對構(gòu)筑物施加動荷載的激勵物體、對傳感器獲取的時域波形信號進行轉(zhuǎn)化的信號轉(zhuǎn)化模塊和對信號進行分析處理的分析處理模塊；所述的傳感器的輸入端接收激勵物體對構(gòu)筑物施加動荷載的振動，傳感器的輸出端與信號轉(zhuǎn)化模塊連接，信號轉(zhuǎn)化模塊的輸出端與分析處理模塊連接。
[0006]所述的信號轉(zhuǎn)化模塊包括信號調(diào)理電路和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器；所述的信號調(diào)理電路的輸入端與傳感器連接，信號調(diào)理電路的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器連接，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸出端與分析處理模塊連接。
[0007]所述的信號調(diào)理電路包括電荷放大器、增益放大器和濾波器；所述的電荷放大器的輸入端與傳感器連接，電荷放大器的輸出端與增益放大器連接，增益放大器的輸出端與濾波器連接，濾波器的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。
[0008]基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)的檢測方法，它包括以下步驟:
S1:根據(jù)構(gòu)筑物的形態(tài)，將所述的傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物表面不同的位置:
(I)若構(gòu)筑物為規(guī)則形態(tài)，在構(gòu)筑物的側(cè)面設(shè)置三個傳感器，間距均為h/4，在構(gòu)筑物的頂面設(shè)置三個傳感器，間距均為b/4 ;其中，構(gòu)筑物的側(cè)面的高度為h，構(gòu)筑物的頂面的寬度為b ；
(2)若構(gòu)筑物為不規(guī)則形態(tài)，則根據(jù)物體或者地形的狀態(tài)，考慮結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)隨機設(shè)置；
S2:根據(jù)構(gòu)筑物的特性以及傳感器設(shè)置的位置，通過不同的激勵方式對構(gòu)筑物施加動荷載，使構(gòu)筑物達(dá)到激勵狀態(tài)；
53:采集相關(guān)的時域波形，波形的振幅包括變位、應(yīng)變、速度和加速度；
54:對采集到的時域波形進行諧波分析，將時域波形轉(zhuǎn)換為頻域的響應(yīng)譜，所述的響應(yīng)譜包含構(gòu)筑物的卓越周期和諧波運動中的時刻點；所述的卓越周期通過振動理論中的振幅和諧波運動中的時刻點的對應(yīng)關(guān)系確定；在振幅和諧波運動中的時刻點的對應(yīng)關(guān)系之外的信號記錄視為無用的干擾；
55:通過響應(yīng)譜的特性判斷構(gòu)筑物的健康程度:將實測的卓越周期與代表健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期進行比較:若實測的卓越周期比標(biāo)準(zhǔn)卓越周期長，則判斷該構(gòu)筑物發(fā)生病變；
56:當(dāng)構(gòu)筑物被判斷為有病害之后，通過分析結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)對損傷部位進行推測，包括以下子步驟:
561:將構(gòu)筑物數(shù)值模型化；
562:假定受損部位，并降低該部位的剛度；
563:解析算出構(gòu)筑物的卓越周期和振動模態(tài)；
564:將其與實測結(jié)果進行比較，不斷調(diào)整參數(shù)直至完全吻合時即可斷定受損部位。
[0009]所述的基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)的檢測方法還包括一個建立健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期的步驟:通過長期對構(gòu)筑物的卓越周期的計算，對健全的構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)卓越周期進行積累計算。
[0010]所述的響應(yīng)譜包括基于加速度波形的響應(yīng)譜，在所述的基于加速度波形的響應(yīng)譜中，卓越周期與時刻點的關(guān)系為JT/2或3 JT/2。
[0011]所述的響應(yīng)譜包括基于速度波形的響應(yīng)譜，在所述的基于速度波形的響應(yīng)譜中，卓越周期與時刻點的關(guān)系為JT或2 。
[0012]步驟S2中所述的不同的激勵方式包括以下幾種:
(1)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的底部適合激勵者站立，則通過激勵者使用木槌敲擊對構(gòu)筑物的側(cè)面施加動荷載；
(2)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的底部不適合激勵者站立，而構(gòu)筑物的頂部方便激勵者站立，則通過激勵者站在構(gòu)筑物頂部使用重球撞擊構(gòu)筑物側(cè)面施加動荷載；
(3)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的側(cè)面，并且構(gòu)筑物的背后有土壓力作用，制約構(gòu)筑物的振動時，則可通過設(shè)置于構(gòu)筑物頂部的起振機撼動的方式對構(gòu)筑物施加動荷載；
(4)若傳感器設(shè)置于構(gòu)筑物的頂面，則激勵者通過高壓空氣槍激發(fā)的方式對構(gòu)筑物的頂面施加動荷載。
[0013]所述的基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)的檢測方法還包括一個消除噪音的步驟:通過對構(gòu)筑物的反復(fù)激勵，并對采集到的時域波形進行重復(fù)疊加來消除噪音。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明是應(yīng)用構(gòu)筑物被激勵時所產(chǎn)生的響應(yīng)譜特性進行其病害檢測的系統(tǒng)和方法，適用于土木、交通、工民建以及山體護坡等各種各樣的構(gòu)筑物；能夠快速準(zhǔn)確地判斷構(gòu)筑物的健全度，實時監(jiān)控其安全狀態(tài)；并且不會對構(gòu)筑物造成任何損壞；
(2)對于不同的構(gòu)筑物采用不同的傳感器的設(shè)置方法以及不同的激勵方法，使得數(shù)據(jù)獲取更加準(zhǔn)確；
(3)對構(gòu)筑物進行反復(fù)激勵，采用重復(fù)疊加消除噪音；在對數(shù)據(jù)進行獲取的時候，設(shè)置有信號調(diào)理電路，有效抑制噪聲，保證信號質(zhì)量；通過兩種方式抑制噪音，效果更好；
(4)通過時刻點排出無關(guān)的振動干擾，提高識別精度；
(5)將構(gòu)筑物的判斷病害的結(jié)果進行匯總，可以建立構(gòu)筑物“健康”檔案，為國家管理部門提供確切可靠的管理數(shù)據(jù)，為決策者提供基礎(chǔ)技術(shù)資料；
(6)采用ICP加速度傳感器，檢測精度高，不易受現(xiàn)場環(huán)境干擾，適應(yīng)能力強，其輸出的信號可配長電纜，且不影響測量精度，實用性強。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本發(fā)明方法流程圖；
圖3為實施例1不意圖；
圖4為實施例2不意圖；
圖5為實施例3不意圖；
圖6為實施例4示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖進一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
如圖1所示，基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)，它包括多個設(shè)置于構(gòu)筑物表面的傳感器、對構(gòu)筑物施加動荷載的激勵物體、對傳感器獲取的時域波形信號進行轉(zhuǎn)化的信號轉(zhuǎn)化模塊和對信號進行分析處理的分析處理模塊；所述的傳感器的輸入端接收激勵物體對構(gòu)筑物施加動荷載的振動，傳感器的輸出端與信號轉(zhuǎn)化模塊連接，信號轉(zhuǎn)化模塊的輸出端與分析處理模塊連接。所述的分析處理模塊包括微控制器。
[0017]基于激勵狀態(tài)時響應(yīng)譜特性的構(gòu)筑物病害檢測系統(tǒng)還包括顯示器、無線通信模塊、監(jiān)控中心、USB接口和供電模塊。微控制器的信號輸入端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，微控制器的輸出端通過總線與顯示器連接，微控制器還通過無線通信模塊與監(jiān)控中心進行遠(yuǎn)程通信，還通過USB接口外接輸入輸出設(shè)備或者存儲設(shè)備，輸入輸出設(shè)備可以使鍵盤、鼠標(biāo)，也可以是外置顯示屏；鍵盤鼠標(biāo)的接入便于檢測人員操作、外置顯示屏可根據(jù)需求選擇大屏幕顯示屏，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示效果。
[0018]由于為保證供電的穩(wěn)定性，提高能源利用率，采用太陽能和蓄電池雙重供電的方式，所述的供電模塊包括太陽能控制器、太陽能電池組、蓄電池組和逆變器，太陽能電池組和蓄電池分別與太陽能控制器相連，太陽能控制器通過逆變器為各器件供電。逆變器主要實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，包括直流到交流的轉(zhuǎn)換，高電壓到低電壓的轉(zhuǎn)換。
[0019]所述的傳感器為加速度傳感器，所述的加速度傳感器采用ICP加速度傳感器。
[0020]所述的信號轉(zhuǎn)化模塊包括信號調(diào)理電路和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器；所述的信號調(diào)理電路的輸入端與傳感器連接，信號調(diào)理電路的輸出端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器連接，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸出端與分析處理模塊連接。
[0021]所述的信號調(diào)理電路包括電荷放大器、增益放大器和濾波器；所述的電荷放大器的輸入端與傳感器連接，電荷放大器的輸出