一种基于加速度传感器测量应变的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于加速度传感器测量结构应变的装置及方法，属于结构健康监测技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于加速度传感器测量应变的装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于加速度传感器测量应变的装置和方法，属于结构健康监测领域
。

技术介绍

[0002]随着科学技术的迅速发展，我国工程建设取得举世瞩目的成就
。
但受外界环境因素的影响，许多结构不可避免会出现损伤和破坏，结构健康问题备受社会各界关注
。
这些结构灾害不仅对资源及财产造成严重的损失，还威胁到人们的生命财产安全，因此建立可靠的结构健康监测系统十分必要
。
[0003]目前对于现场环境复杂
、
持续时间较长且量测过程中始终要以初始零点作为起点的应变监测，基本上采用基于振弦式传感器的监测设备
。
传统振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器
。
当弦的长度确定之后，金属弦固有频率随弦应力变化而变化，由固有频率的变化量可求出振弦式传感器内的金属弦所受到的张力，人们可以利用这一原理来测量金属弦应变变化，进而可得到结构的应变
(
中国专利：一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，
201711397670.1
，
2017
‑
12
‑
21)。
[0004]但传统的振弦式传感器所采用的全频段扫频信号激励起振并反馈复激励维持金属弦共振
(
中国专利：振弦式传感器及应力位移测试方法，
202110124541.5
，
2021
‑
01
‑
29)
，测量金属弦共振频率的方法繁琐
、
周期长，且在弦切割磁感线过程中产生的与电压信号弱，即便使用放大电路对信号进行处理，也存在容易失真以致无法准确测量钢弦振动频率的问题
。

技术实现思路

[0005]为了解决现有振弦式传感器测量不精确
、
周期长的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于加速度传感器测量应变的装置和方法，具有精度高
、
测量周期短的优点并实现了对结构无接触远距离实时测量
。
本专利技术尤其适用于大型结构，大型结构指大跨度桥梁
、
大坝
、
隧道等大体积
、
大荷载的建筑设施
。
[0006]本专利技术技术方案如下：
[0007]一种基于加速度传感器测量应变的装置，如图2所示，包括：
[0008]加速度传感器3，由微处理器
6、
电磁铁
4、
加速度芯片5和供电模块7；
[0009]进一步的，所述微处理器用于控制激励装置激励钢弦起振，采集钢弦起振后的加速度信号，对加速度信号进行谱分析得到固有振动频率，然后通过周边数据传输电路使用
WIFI
方式将微处理器收集的频率信号发送给
PC
机
。
[0010]嵌入的高精度加速度芯片，其原理是在惯性空间设置质量为
m
的质量块，用于感知被测物体做加速度运动时产生的惯性或位移，测得此惯性力或位移量，也就可测得相应的加速度
。
采集加速度信号后将其传输给微处理器
。
[0011]钢弦1，用于表征测点的应变，将测点的应变信号转化成频率信号
。
钢弦自振频率
与张紧力的大小有关，在钢弦几何尺寸确定之后，钢弦振动频率的变化量，即可表征应力的大小
。
[0012]激励装置，由永磁铁
2、
电磁铁4构成，用于产生电磁力激励钢弦起振
。
[0013]具体实施方法如下：将所述测量装置安装于结构测点，安装好天线启动电源，打开电脑接收软件，建立加速度传感器和
PC
机之间的
WIFI
通讯连接，开始接收数据
。
[0014]微处理器发出指令给电磁铁供电，电磁铁产生一个电磁力与两侧永磁铁相互作用，激励钢弦1起振；固定于钢弦上的加速度芯片5测量钢弦加速度并将加速度信号传输给微处理器
6。
微处理器采集加速度信号，对加速度信号进行谱分析得到钢弦固有频率，之后将频率信号通过电路传输模块传输给电脑
。
将得到的频率信号结合单自由度无阻尼振动模型算出钢弦索力
。
这里采用四根长度均为
L
的钢弦固定加速度传感器的方式保证其在一个平面内摆动，以消除旋转加速度；同时四根钢弦其受力情况相同，故固有频率相等
。
受力分析时可将其简化成一根钢弦，具体做法如图1所示受力分析：
[0015]单自由度无阻尼振动方程：
[0016][0017]式子
y
为
t
时刻钢弦横向位移，为位移的二阶导数即
t
时刻钢弦加速度，
k
为结构刚度
,m
为加速度传感器质量
(
这里忽略钢弦质量
)
；对结构进行受力分析如图所示，钢弦索力在振动时保持为
T
；
t
时刻时钢弦与水平线夹角为
θ
；
[0018]振动时
θ
很小，可做如下等效：
[0019][0020]单自由度无阻尼振动模型，固有频率
ω
如下：
[0021][0022]因此可得钢弦索力和固有频率之间的关系式，得到钢弦索力之后进一步算出钢弦应变
。
[0023][0024]式中
A
为钢弦横截面积，
E
为钢弦杨氏模量，
ε
为钢弦应变；
[0025]对结构进行受力分析得到所述装置内钢弦的应变
ε
与结构测点处的应变之间的关系为最终测得结构测点应变
。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027]1、
本专利技术公开的一种基于加速度传感器测量应变的装置及方法，采用电磁力激励钢弦起振的方法，能够提高起振速度；同时采用加速度传感器代替传统切割磁感线的方式测量振动频率，缩短测量周期并提高精度
。
[0028]2、
本专利技术公开的一种基于加速度传感器的动态数据测量方法及装置，建立和
PC
机之间的
WIFI
通讯连接，采用无线传输的方式实现了对结构无接触远距离实时测量，尤其适用于对大型结构应变进行应变测量
。
附图说明
[0029]图1为所述基于加速度传感器测量应变的装置工作原理图
[0030]图2为所述加速度传感器内部结构图
[0031]图3为本专利技术公开的一种基于加速度传感器测量应变的方法流程图
具体实施方式
[0032]实施例一
[0033]本实施例公开的一种基于加速度传感器测量应变的装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于加速度传感器
(3)
测量结构应变的装置及方法，其特征在于：包括激励装置
(2、4)、
四根等长钢弦
(1)
以及固定于钢弦上的加速度传感器
(3)
；利用加速度传感器上微处理器
(6)
控制激励装置
(2、4)
激励钢弦
(1)
起振，通过所述加速度传感器得到钢弦起振时的加速度信号，将所得加速度信号进行谱分析得到钢弦固有振动频率；建立单自由度无阻尼振动理论模型通过钢弦索力和固有频率的关系得到钢弦索力，通过受力分析进而计算出待测结构的实时应变
。2.
按照权利要求1所述加速度传感器
(3)
，其特征在于：包括电磁铁
(4)、
加速度芯片
(5)、
内部的微处理器
(6)、
供电模块
(7)
；所述微处理器用于接收
PC
端指令控制激励装置激励钢弦起振，采集钢弦起振后加速度信号，对加速度信号进行谱分析得到固有振动频率，然后通过周边数据传输电路用
WIFI
方式将微处理器收集的频率信号发送给
PC
机；所述电磁铁
(4)
，通电后与两边的永磁铁
(2)
产生相互排斥力达到起振的目的；所述供电模块
(7)
，用于给加速度芯片
(5)、
微处理器
(6)、
电磁铁
(4)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仕平，余坚，
申请(专利权)人：中新国际联合研究院，
类型：发明
国别省市：