一種用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ) 償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土木工程結(jié)構(gòu)由于連續(xù)使用，材料退化、環(huán)境影響、地震等造成結(jié)構(gòu)損傷，而絕大 部分結(jié)構(gòu)潛在的微小損傷很難通過(guò)肉眼識(shí)別。結(jié)構(gòu)早期的微小損傷若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)引發(fā) 結(jié)構(gòu)的累計(jì)損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)早期微弱和潛在的損 傷，是結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的難題；現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有視覺(jué)檢驗(yàn)法，低頻振動(dòng)技術(shù)，靜態(tài) 結(jié)構(gòu)響應(yīng)技術(shù)，以及局部無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；這些技術(shù)的缺陷主要在于：工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)龐大，檢 測(cè)難以到達(dá)每個(gè)部位，耗時(shí)耗力；由于其低頻特性對(duì)局部損傷無(wú)效，且易受環(huán)境噪聲影響； 測(cè)量龐大結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性（如位移、速度、加速度等）不具有可操作性。
[0003] 基于PZT的壓電阻抗（EMI)技術(shù)主要基于局部高頻激勵(lì)，利用PZT同時(shí)作為傳感 器和驅(qū)動(dòng)器，對(duì)結(jié)構(gòu)局部激勵(lì)獲取結(jié)構(gòu)性能變化的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)微小損傷的識(shí)別； 其基本原理是利用高強(qiáng)粘結(jié)劑將PZT粘貼結(jié)構(gòu)表面或植入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，利用PZT正逆壓電效 應(yīng)，通過(guò)壓電阻抗儀施加電壓對(duì)結(jié)構(gòu)局部激振，獲得與結(jié)構(gòu)性能（質(zhì)量，剛度，阻尼等）相關(guān) 的監(jiān)測(cè)信號(hào)，此信號(hào)作為結(jié)構(gòu)健康衡量的基準(zhǔn)，將來(lái)通過(guò)觀(guān)察信號(hào)的改變來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)是否 發(fā)生損傷。由于其高頻特性，具有對(duì)結(jié)構(gòu)微小損傷敏感，且能避開(kāi)環(huán)境噪聲影響的優(yōu)點(diǎn)；但 該技術(shù)仍然局限于試驗(yàn)件，未有計(jì)入外部拉力對(duì)工件的影響。
[0004] 而實(shí)際工況下，工程結(jié)構(gòu)始終處于受力狀態(tài)；且在工程結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役過(guò)程中，所 承受的荷載是不斷變化的；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)局部應(yīng)力會(huì)發(fā)生很大變化；EMI技術(shù)通過(guò)測(cè) 量導(dǎo)納信號(hào)并通過(guò)判別導(dǎo)納曲線(xiàn)的偏移實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別；試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)在受拉力的狀 態(tài)下的壓電阻抗導(dǎo)納信號(hào)與不受拉力狀態(tài)的不同，結(jié)構(gòu)受拉會(huì)引起導(dǎo)納曲線(xiàn)偏移，從而影 響EMI技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別的準(zhǔn)確度；因此，排除拉力變化對(duì)工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的干擾， 建立有效的拉力補(bǔ)償方法有待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ) 償方法，其目的在于通過(guò)采用包含頻率、拉力及導(dǎo)納的樣本數(shù)據(jù)對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練， 實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)所受拉力的補(bǔ)償，為結(jié)構(gòu)精確的損傷識(shí)別排除干擾。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ)償 方法，該拉力補(bǔ)償方法基于RBF(多變量插值的徑向基函數(shù)，Radical Basis Function)神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體包括如下步驟：
[0007] (1)將掃頻頻率及拉力作為輸入層，以導(dǎo)納值作為輸出層，與隱含層一起構(gòu)成RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0008] (2)采用包含掃頻頻率、拉力及導(dǎo)納值的樣本數(shù)據(jù)對(duì)所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練， 直到輸出導(dǎo)納值與相應(yīng)樣本數(shù)據(jù)的導(dǎo)納值之間的差值在樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)納值的±5%以?xún)?nèi)，結(jié) 束RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；
[0009] (3)將測(cè)試數(shù)據(jù)的掃頻頻率及拉力作為輸入，采用步驟（2)訓(xùn)練獲得的RBF神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)，獲取與所述掃頻頻率及拉力相應(yīng)的導(dǎo)納值；所述導(dǎo)納值包含了外部拉力信息，補(bǔ)償了拉 力對(duì)導(dǎo)納數(shù)據(jù)的影響；
[0010] ⑷根據(jù)步驟⑶獲得的導(dǎo)納值，獲取補(bǔ)償后的RMSD損傷指標(biāo)；
[0011] 上述用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ)償方法先采用包含掃頻頻率、拉力及導(dǎo)納值的樣本數(shù) 據(jù)對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后將測(cè)試數(shù)據(jù)的掃頻頻率及拉力作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的輸入，獲取相應(yīng)輸出的導(dǎo)納值，該導(dǎo)納值包含了拉力信息，補(bǔ)償了拉力對(duì)導(dǎo)納數(shù)據(jù)的影 響。
[0012] 優(yōu)選的，在步驟（2)所述的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中，根據(jù)以下方法確定隱含層神經(jīng)元 的數(shù)量：
[0013] a、將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的均方誤差（MSE)所對(duì)應(yīng)的輸入向量作為權(quán)值向量，生成 一個(gè)新的隱含層神經(jīng)元；
[0014] b、以測(cè)試所得導(dǎo)納值作為輸入，以仿真所得的導(dǎo)納值作為輸出，與步驟a生成的 新的隱含層神經(jīng)元，構(gòu)成新的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0015] c、獲取步驟b所述新的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的均方誤差；
[0016] d、重復(fù)步驟a~c，直到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的均方誤差達(dá)到預(yù)設(shè)均方誤差，以此時(shí)的 隱含層神經(jīng)元數(shù)量作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層神經(jīng)元的數(shù)量；其中，預(yù)設(shè)均方誤差在5%~ 10% ；
[0017] 在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中，現(xiàn)有技術(shù)是使隱含層神經(jīng)元的數(shù)量與輸入向量的元素相 等；但在輸入向量很多時(shí)，過(guò)多的隱含層單元數(shù)會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜度；采用本發(fā)明提供的 上述方法，逐步趨近的達(dá)到隱含層神經(jīng)元數(shù)量的最佳值，在最小的計(jì)算量?jī)?nèi)即可獲得最佳 補(bǔ)償效果。
[0018] 優(yōu)選地，步驟⑵所述的對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練的步驟，包括如下子步驟：
[0019] (2. 1)給定掃頻頻率、拉力和期望輸出的導(dǎo)納值；
[0020] (2. 2)將上述掃頻頻率和拉力作為輸入向量，經(jīng)步驟（1)獲得的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處 理，獲取導(dǎo)納值；
[0021] (2. 3)將步驟（2. 2)中獲取的導(dǎo)納值與所述期望輸出的導(dǎo)納值做差，獲得差值；判 斷所述差值是否在期望輸出導(dǎo)納值的±5%以?xún)?nèi)；若是，則結(jié)束訓(xùn)練；若否，則增加神經(jīng)元， 并返回步驟（2.2)。
[0022] 優(yōu)選的，在上述步驟（2. 3)結(jié)束對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練后，采用如下步驟確定RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果，具體為：
[0023] (2.4)將不同于訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)作為輸入向量，用訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿 真，獲取仿真輸出的導(dǎo)納值；
[0024] (2. 5)根據(jù)步驟（2. 4)里仿真輸出的導(dǎo)納值獲取RMSD值，若在各拉力工況下獲得 的RMSD值在5%以?xún)?nèi)波動(dòng)，則進(jìn)入步驟（3);否則，返回步驟（2. 1)，采用新的樣本數(shù)據(jù)重新 訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0025] 其中，RMSD(root mean-square deviation)是對(duì)結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下測(cè)量的信號(hào)的 均方根指數(shù)，根據(jù)該統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可衡量導(dǎo)納信號(hào)變化前后PZT (piezoelectric ceramics，壓 電陶瓷）傳感器電信號(hào)的變化程度，根據(jù)下式獲?。?br>[0027] 其中，η是指采樣頻率數(shù)，i是指每個(gè)頻率采樣點(diǎn)的導(dǎo)納值，X1表示結(jié)構(gòu)損傷前測(cè) 得的阻抗值；Y1表示結(jié)構(gòu)損傷后測(cè)得的阻抗值；其中，i = 1，2,3,…，η。
[0028] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0029] (1)本發(fā)明提供的用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ)償方法，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)拉力的影 響進(jìn)行補(bǔ)償；將掃頻頻率及不同的受力狀態(tài)作為輸入層，導(dǎo)納信息作為輸出層；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 在輸入層和輸出層之間形成特定的映射關(guān)系；通過(guò)訓(xùn)練，利用已經(jīng)形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿 真；在給定某一個(gè)輸入后，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真出相應(yīng)的輸出；從而達(dá)到消除拉力對(duì)導(dǎo)納值 的影響，降低拉力對(duì)壓電阻抗技術(shù)的干擾。
[0030] (2)本發(fā)明提供的拉力補(bǔ)償方法，其優(yōu)選方案里，還包括分析網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果是否合 理的步驟，具有可不斷調(diào)節(jié)仿真數(shù)據(jù)的靈活性，直到達(dá)到符合實(shí)際工況的補(bǔ)償效果。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0032] 圖2是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程不意圖；
[0033] 圖3是測(cè)量試件一的ΡΖΤ2各拉力工況下導(dǎo)納曲線(xiàn)圖及局部放大圖；
[0034] 圖4是測(cè)量試件二的ΡΖΤ3各拉力工況下導(dǎo)納曲線(xiàn)圖及局部放大圖；
[0035] 圖5是測(cè)量試件一的PZT2RBF仿真與實(shí)測(cè)導(dǎo)納信息對(duì)比圖；
[0036] 圖6是測(cè)量試件二的PZT3RBF仿真與實(shí)測(cè)導(dǎo)納信息對(duì)比圖；
[0037] 圖7是試件一的ΡΖΤ2導(dǎo)納經(jīng)RBF補(bǔ)償前后RMSD指標(biāo)對(duì)比圖；
[0038] 圖8是試件二無(wú)損時(shí)ΡΖΤ3導(dǎo)納經(jīng)RBF補(bǔ)償前后RMSD指標(biāo)對(duì)比圖；
[0039] 圖9是試件二有損傷時(shí)ΡΖΤ3導(dǎo)納經(jīng)RBF補(bǔ)償前后RMSD指標(biāo)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0041] 本發(fā)明提供的用于損傷識(shí)別的拉力補(bǔ)償方法