一种结构损伤在线实时监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种结构损伤在线实时监测方法及系统，该方法或者该系统通过对方向垂直于结构的微小振动响应信号采用集合经验模分解算法，得到第一阶固有频率和第二阶固有频率，并判断第一阶固有频率和第二阶固有频率与未损伤结构的固有频率是否相等；若是则确定结构表面未发生损伤；若否则确定结构表面发生损伤，并计算不同滑动次数不同测量点的能量值；比较不同滑动次数某一测量点的能量值与未损伤结构的对应的测量点的能量值是否都相等；若是则确定该测量点未损伤；若否则该测量点是损伤位置。因此，采用本发明专利技术提供的方法或者系统，能够在高频、高速背景条件下，实时检测结构瞬态微小损伤并确定损伤位置。

A method and system for on-line real-time monitoring of structural damage

The invention discloses a system and a method of online real-time monitoring of structural damage, the method or the system based on the direction perpendicular to the structure of the micro vibration response signal using ensemble empirical mode decomposition algorithm, get the first second order natural frequency and natural frequency, and determine the first-order natural frequency and the second order natural frequency and without damage the natural frequency of the structure is the same; if it is determined not to damage the surface structure; if otherwise determine damage occurs in structure surface, and calculate the energy of different number of sliding different measuring point value; comparison of different sliding times a measurement point of the energy value and undamaged structure corresponding to the measuring point of the energy values are equal; if it is determined that a measurement point without damage; if otherwise the measurement point is the location of damage. Therefore, the method or system provided by the invention can detect transient small damage and determine the location of damage in real time under the condition of high-frequency and high-speed background.

【技术实现步骤摘要】
一种结构损伤在线实时监测方法及系统
本专利技术涉及结构损伤诊断领域，特别是涉及一种结构损伤在线实时监测方法及系统。
技术介绍
在线结构损伤检测、诊断是结构损伤诊断的一个重要方面。在此方面提出的方法大多数都是基于模型参数(固有频率、振型、振型曲率等)的变化或者利用有限元模型修正技术等。基于振动信号的损伤诊断识别本质是一个动态信号统计特性的提取与分析过程，目前关于振动模态参数识别和损伤检测相关的理论研究很多。早期研究包括:Yuen提出根据振型的斜率变化率确定损伤位置的方法，来定位结构的损伤；Aktan等人研究用测量的柔度矩阵的方法来判定桥梁结构的完整性；韩西等人利用模态实验数据对拱结构进行损伤识别等。近年来，随着时频分析方法的应用，利用小波分析和小波包分析等方法逐渐应用到损伤识别中。S.S.Patel等利用小波分析原理，有效地识别了六层钢筋混凝土结构损伤情况；Asgarian等成功将小波包变换方法应用到夹套式海上平台结构损伤识别中；Z.D.Zheng等采用功率谱密度分析方法，成功识别了平面框架在单一损伤和多重损伤下的损伤情况。但这些研究方法大多集中于低速、低频、需要长期监测的土木工程类结构中，对于工业化设备当中的高速、高频条件下的结构损伤在线实时监测相对较少。例如高速滑动电接触滑轨，该高速滑动电接触滑轨是自动化设备、遥控机械和通信等设备中非常重要的元件，是整个设备或系统的关键结构。在大载流、高速、高频工作条件下，高速滑动电接触滑轨表面易产生微小损伤，如：烧蚀、磨损、刨削等损伤现象，严重影响工作效率，且高速滑动电接触滑轨在机械系统内部，处于不可见区域，并不能通过以上方法进行损伤检测。因此，急需一种能够在高频、高速背景条件下，实时检测结构损伤情况的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构损伤在线实时监测方法及系统，能够在高频、高速背景条件下，实现结构瞬态微小损伤的在线识别与定位。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种结构损伤在线实时监测方法，所述结构损伤在线实时监测方法应用于高速滑动电接触滑轨；所述高速滑动电接触滑轨包括高速滑动电接触压板、滑块以及滑轨，所述滑轨设置在所述高速滑动电接触压板内；所述滑块在所述滑轨内滑动；所述结构损伤在线实时监测方法包括：获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号；获取所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触滑轨的固有频率和所述高速滑动电接触压板各测量点上的能量值；对所述加速度信号进行积分处理，得到位移信号；对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率；判断所述第一阶固有频率与所述固有频率是否相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率是否相等，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率相等，则确定所述滑轨表面未发生损伤；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率不相等或者所述第二阶固有频率与所述固有频率不相等，则确定所述滑轨表面发生损伤，并计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；判断不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值是否相等，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示不同滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值都相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点未发生损伤；若所述第二判断结果表示任一滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值不相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点发生损伤。可选的，所述获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号，具体包括：在所述高速滑动电接触压板表面布置多个压电加速度传感器；获取所述压电加速度传感器采集的加速度信号；所述加速度信号的方向垂直于所述高速滑动电接触压板。可选的，所述对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率，具体包括：在所述位移信号的基础上，添加一个高斯白噪声信号，得到总体信号；对所述总体信号进行经验模态分解，得到第一阶固有模态函数和第二阶固有模态函数；所述第一阶固有模态函数为幅值和频率变化的振荡函数；所述第二阶固有模态函数为幅值和频率变化的振荡函数；根据所述第一阶固有模态函数和所述第二阶固有模态函数，得到第一阶固有频率和第二阶固有频率。可选的，所述计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值，具体包括：获取不同滑动次数中，所述高速滑动电接触压板各测量点上的加速度信号；对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值。可选的，所述对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值，具体包括：根据公式(1)，对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的加速度自功率谱密度；所述公式(1)为式(1)中S(f)表示f频率的加速度自功率谱密度；M表示加速度信号序列片段数；NFFT表示快速傅里叶变换的长度；利用MATLAB将加速度信号的高速傅里叶变换并形成频率域功率谱密度曲线；Xi(t)表示加速度信号在t时刻第i个数据段的傅里叶变换；为Xi(t)的共轭复数；根据公式(2)，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；所述公式(2)为式(2)中E表示从f1频率到f2频率的能量值。本专利技术还提供了一种结构损伤在线实时监测系统，所述结构损伤在线实时监测系统应用于高速滑动电接触滑轨；所述高速滑动电接触滑轨包括高速滑动电接触压板、滑块以及滑轨，所述滑轨设置在所述高速滑动电接触压板内；所述滑块在所述滑轨内滑动；所述结构损伤在线实时监测系统包括：加速度信号获取模块，用于获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号；固有频率和能量值获取模块，用于获取所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触滑轨的固有频率和所述高速滑动电接触压板各测量点上的能量值；位移信息得到模块，用于对所述加速度信号进行积分处理，得到位移信号；第一阶固有频率和第二阶固有频率得到模块，用于对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率；第一判断结果得到模块，用于判断所述第一阶固有频率与所述固有频率是否相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率是否相等，得到第一判断结果；滑轨表面未发生损伤确定模块，用于对当所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率相等时，确定所述滑轨表面未发生损伤；滑轨表面发生损伤确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率不相等或者所述第二阶固有频率与所述固有频率不相等时，确定所述滑轨表面发生损伤，并计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；第二判断结果得到模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述结构损伤在线实时监测方法应用于高速滑动电接触滑轨；所述高速滑动电接触滑轨包括高速滑动电接触压板、滑块以及滑轨，所述滑轨设置在所述高速滑动电接触压板内；所述滑块在所述滑轨内滑动；所述结构损伤在线实时监测方法包括：获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号；获取所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触滑轨的固有频率和所述高速滑动电接触压板各测量点上的能量值；对所述加速度信号进行积分处理，得到位移信号；对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率；判断所述第一阶固有频率与所述固有频率是否相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率是否相等，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率相等，则确定所述滑轨表面未发生损伤；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率不相等或者所述第二阶固有频率与所述固有频率不相等，则确定所述滑轨表面发生损伤，并计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；判断不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值是否相等，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示不同滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值都相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点未发生损伤；若所述第二判断结果表示任一滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值不相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点发生损伤。...

【技术特征摘要】
1.一种结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述结构损伤在线实时监测方法应用于高速滑动电接触滑轨；所述高速滑动电接触滑轨包括高速滑动电接触压板、滑块以及滑轨，所述滑轨设置在所述高速滑动电接触压板内；所述滑块在所述滑轨内滑动；所述结构损伤在线实时监测方法包括：获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号；获取所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触滑轨的固有频率和所述高速滑动电接触压板各测量点上的能量值；对所述加速度信号进行积分处理，得到位移信号；对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率；判断所述第一阶固有频率与所述固有频率是否相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率是否相等，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率相等且所述第二阶固有频率与所述固有频率相等，则确定所述滑轨表面未发生损伤；若所述第一判断结果表示所述第一阶固有频率与所述固有频率不相等或者所述第二阶固有频率与所述固有频率不相等，则确定所述滑轨表面发生损伤，并计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；判断不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板中各测量点的能量值是否相等，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示不同滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值都相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点未发生损伤；若所述第二判断结果表示任一滑动次数中高速滑动电接触压板测量点的能量值与所述滑轨表面未损伤时的所述高速滑动电接触压板测量点的能量值不相等，则确定所述高速滑动电接触压板测量点发生损伤。2.根据权利要求1所述的结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述获取所述高速滑动电接触压板各测量点上，方向为垂直于所述高速滑动电接触压板的加速度信号，具体包括：在所述高速滑动电接触压板表面布置多个压电加速度传感器；获取所述压电加速度传感器采集的加速度信号；所述加速度信号的方向垂直于所述高速滑动电接触压板。3.根据权利要求1所述的结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述对所述位移信号进行集合经验模分解，得到集合经验模分解后的第一阶固有频率和第二阶固有频率，具体包括：在所述位移信号的基础上，添加一个高斯白噪声信号，得到总体信号；对所述总体信号进行经验模态分解，得到第一阶固有模态函数和第二阶固有模态函数；所述第一阶固有模态函数为幅值和频率变化的振荡函数；所述第二阶固有模态函数为幅值和频率变化的振荡函数；根据所述第一阶固有模态函数和所述第二阶固有模态函数，得到第一阶固有频率和第二阶固有频率。4.根据权利要求1所述的结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值，具体包括：获取不同滑动次数中，所述高速滑动电接触压板各测量点上的加速度信号；对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值。5.根据权利要求4所述的结构损伤在线实时监测方法，其特征在于，所述对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值，具体包括：根据公式(1)，对不同滑动次数各测量点上的加速度信号进行处理，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的加速度自功率谱密度；所述公式(1)为式(1)中S(f)表示f频率的加速度自功率谱密度；M表示加速度信号序列片段数；NFFT表示快速傅里叶变换的长度；利用MATLAB将加速度信号的高速傅里叶变换并形成频率域功率谱密度曲线；Xi(t)表示加速度信号在t时刻第i个数据段的傅里叶变换；为Xi(t)的共轭复数；根据公式(2)，计算在不同滑动次数中所述高速滑动电接触压板各测量点的能量值；所述公式(2)为式(2)中E表示从f1频率到f2频率的能量值。6.一种结构损伤在线实时监测系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉燕，杨德功，王振春，郭全丽，温银堂，孙娜，李永保，李万达，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13