基于未知输入观测器的转子系统振动位移重构方法

为了解决发动机转子系统中无传感器位置的振动估计问题,提出了基于未知输入观测器的转子系统振动位移重构方法。首先,用有限元法建立了转子系统的动力学模型,并通过模态试验校核了模型的准确性;然后,提出基于二阶导数构造辅助输出的未知输入观测器设计方法来解决观测器匹配条件不满足的问题,研究了转子系统的状态可观性;最后,在某双悬臂低压单转子系统动力学特性试验装置上进行了试验。试验结果表明,在观测器数学模型包含两阶刚体和前两阶弯曲模态的条件下,该研究的振动位移重构方法对目标位置二阶刚体临界振峰的重构误差均不大于25%。

基于小波阈值滤波和S-G滤波相结合的激光自混合干涉微位移重构

在半导体激光器自混合干涉(SMI)微位移测量中,相位信息的准确提取对于位移的高精度重构至关重要。然而,测量噪声会对SMI信号引入相位误差,位移重构精度较低。针对信号去噪问题,小波阈值去噪算法能够滤除多数信号的噪声,但该算法在SMI信号去噪中存在局部振荡的问题,使得去噪后的自混合干涉信号中出现新的干扰峰,最终识别到的干扰峰会产生错误的位移重构。提出一种基于小波阈值滤波和SavitzkyGolay(S-G)滤波相结合的SMI信号处理算法。该算法通过引入S-G滤波算法,从全局上平滑处理相位跳变点的噪声,解决了只是采用小波去噪算法而引起SMI信号的局部振荡问题。位移重构实验结果表明,基于小波阈值结合S-G滤波算法的激光自混合干涉重构信号消除了振幅处和相位跳变点之间的高频噪声,重构位移曲线保持了振动物体的原始波形特征。

基于自适应Kalman滤波GNSS‑RTK与加速度数据融合的桥梁结构位移重构方法

主梁位移是大跨度桥梁安全评估和损伤诊断的重要指标,也是桥梁健康监测系统中的重点监测目标,为提高基于全球卫星导航系统的动态精度定位(Global Navigation Satellite System-Real Time Kinematic,GNSSRTK)位移数据的准确性和可靠性,提出了基于自适应Kalman滤波GNSS-RTK数据与加速度数据融合的桥梁结构位移重构方法,实现了低频GNSS位移数据与高频加速度数据融合,进一步提高了实时位移数据的测量精度与频率,解决了GNSS-RTK数据缺乏高频位移分量的问题。最后以泰东黄河大桥为例,结合有限元方法验证了该位移重构方法在大跨度桥梁位移重构过程中的可靠性和有效性,为提高桥梁结构实时位移监测的精确度提供了一定的理论支撑与参考。

基于相位展开的自混合干涉位移重构方法研究

对于含有光反馈的半导体激光器,在外部物体作简谐振动的条件下,对自混合干涉信号的理论模型进行了理论分析和仿真验证,构建了基于自混合干涉效应的微位移测量系统。在分析理论模型的基础上,研究了自混合干涉功率信号的处理方法。基于相位展开的原理,提出了一种实时重构被测体微小位移的方法,在不考虑噪声和干扰的条件下,对于不同光反馈水平下的外腔反射体位移波形均具有很好的再现效果,最大重构误差为28 nm。实验结果和理论分析相吻合,验证了所提算法的有效性。

自混合干涉的振动位移重构算法及其在管道泄漏检测中的应用

阐述了自混合干涉的研究进展和管道泄漏检测中存在的问题,提出把相位解卷算法应用于自混合干涉的振动位移重构算法中,并把改进后的自混合干涉应用在管道泄漏检测中,建立了自混合干涉测量管道泄漏的实验系统。实验结果表明:自混合干涉振动测量系统与激光测振仪有相同的测量精度,模拟管道泄漏定位误差小于6%。

格构式塔架结构多源异构监测数据融合及动态位移重构研究

结构动态位移响应在结构健康监测和振动控制领域具有重要意义,但格构式塔架动态位移的准确测量仍是一项具有挑战的任务。提出了一种综合利用高采样率加速度和低采样率应变的数据融合方法,实现了格构式塔架动态位移的准确重构。提出适用于格构式塔架的应变⁃位移映射方法,可以由若干个测点应变计算出任意点的动态位移;使用多速率卡尔曼滤波算法将应变导出位移与加速度相融合,以进一步提高位移采样率和精度。采用某输电塔结构作为数值算例,结果表明:在采样比为100和噪声信噪比为5 dB的情况下重构位移误差分别仅有2.3%和2.11%,证明了所提方法具有高精度。最后开展了某54.5 m高输电塔的真型试验,实测结果进一步验证了所提方法的准确性和可靠性。

基于多项式拟合的细长梁结构振动位移重构方法

细长梁结构易受内外因素的干扰而振动,由此引发的疲劳损伤问题不利于结构安全。实时重构结构的振动位移是健康监测和振动智能控制中的关键环节。目前,模态分析法广泛用于细长梁结构的振动位移重构,但对于边界条件复杂的细长梁结构或结构受较强非线性因素干扰时,采用模态分析法重构结构位移将存在诸多不便。针对此问题,提出了基于多项式拟合的细长梁结构振动位移重构方法,并采用延展结构边界的方式有效规避了多项式拟合经常出现的龙格现象。通过有限元模拟和实验数据的对比,验证了基于多项式的位移重构方法的精确性和可行性。结果表明:基于多项式拟合的位移重构方法适用于细长梁结构线性振动和非线性振动的位移重构;延展结构边界可有效规避多项式拟合出现的龙格现象;延展长度为0.875 L^1.125 L(L为细长梁结构的长度),虚拟测点应变的量级小于等于真实测点应变最大值的量级时,重构得到的结构位移精度较高。

基于加速度信号分解和正则化的宽频位移重构方法

实际工程应用中,位移测量通常需要设置参考点,导致大型结构的位移难以直接测量。为此,本文提出了一种基于加速度信号分解和正则化的位移重构新方法,直接利用易获取(无需参考点)、精度高的加速度数据来恢复结构的位移信息。首先,建立位移与加速度的离散线性方程,直接求解该方程得出,位移是加速度的二重积分。但由于直接积分对低频噪声十分敏感,导致出现低频漂移现象。因此在离散线性方程的基础上引入Tikhonov正则化,克服求解中的病态性,解决低频漂移问题。为了提高位移重构精度,还发展了基于重叠窗的位移重构方案,每个窗的区间长度应取信号主频周期的3倍左右。研究发现,该方法适合于单一主频(或窄频)加速度的位移重构,对宽频位移重构通常效果较差。为了提高宽频位移重构精度,本文进一步提出有限带宽信号分解方法,将宽频加速度信号分解为若干窄频信号,然后,利用正则化方法对每个窄频信号进行高精度的位移重构。最后,数值和实验算例结果表明,所提方法确实能从宽频加速度信号中准确重构出结构的位移响应。

基于应变信息的大型浮筏结构位移重构方法

以大型浮筏隔振装置筏架为研究对象,提出一种基于模态转换方法的筏架表面重构算法。建立浮筏筏架有限元模型,确定传感器布局策略,利用少量应变数据重构结构位移曲面,通过基于模态方法的形状重构算法,建立应变-位移转换方程,将离散应变场转换为整体位移场。对浮筏模型截断模态及测点选取进行分析,确定了截断模态及测点选取策略。结果表明选取适当的截断模态数量及测点布置位置具有更高效的重构效果,可有效应用于大型筏架结构变形的监测。

基于逆有限元法的船体加筋板结构位移场重构

在船舶遭遇事故时,加筋板是最先受到载荷的结构,为了解该结构在动载荷作用下的位移场,以船体加筋板结构为对象,通过逆有限元法(iFEM)对结构在时域动态载荷作用下的位移场进行重构。先对其进行模态分析,确定其固有频率后对结构施加频率超过1阶固有频率的动态载荷,然后进行有限元动态响应模拟,将得到的节点位移结果作为参考解,并将应变数据作为逆有限元输入应变数据进行位移场重构。提出一种较精确的测点布置方案,与其他数量相近但布置方式不同的测点布置方案相比,该测点布置方案的位移场重构误差降低了一半以上,总体保持在5%以内。

基于实测应变的典型热防护结构位移场实时重构

为了保证使役环境下高速飞行器结构的安全性,以高速飞行器典型热防护结构为对象,对其实时变形重构方法进行研究.将分布式光纤光栅应变测量技术与基于改进Ko位移理论的重构算法相结合,实现了基于实测应变数据的结构全场位移重构和演示.以四点弯加载工况下的典型热防护结构位移场重构为例,开展了数值仿真研究,验证了算法的精度;并进一步开展了典型热防护结构的四点弯试验,结合MATLAB程序和LabVIEW数据采集系统,实现了变载荷工况下结构底部金属板位移场的实时重构演示,并利用局部测点的实测位移验证了重构位移场的精度.试验结果表明:在非固支工况下,改进Ko位移理论能够重构出典型热防护结构全场位移,验证了基于改进Ko位移理论的重构算法在非固支工况下结构变形实时重构研究中的有效性和准确性.

面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构

智能蒙皮天线能够将集成微带天线和传感元件嵌入到各类武器平台结构中,不仅具有电磁收发和力学承载性能,同时还具有服役状态感知与性能自适应功能。为了解决蒙皮天线因结构变形导致的电性能恶化问题,文中提出了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构,并利用模态分析和状态空间理论,从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场。通过研制的智能蒙皮天线结构变形实验系统,验证了变形位移场重构方法的有效性。该位移场重构方法为智能蒙皮天线电补偿系统的研制奠定了基础。

桥梁振动变形监测的加速度实时重构动态位移算法

针对现有加速度积分算法实时处理困难、存在漂移误差的问题,构建一种基于递归高通滤波器的加权滑动均值滤波方法。利用递归高通滤波器降低原始加速度与积分所得位移的低频误差,通过加权滑动均值滤波器消除两次积分过程中残余误差引起的趋势项,基于频域积分使用先验数据求取最优滤波参数,实现利用加速度数据实时重构桥梁的振动位移。多组模拟数据和两组实测数据测试结果表明:在保证实时解算的条件下,重构动态位移精度均优于1mm。研究结果表明该方法具有较高的精度,可为桥梁振动实时变形监测提供新方案。

加速度-位移关系的贝叶斯推理方法

动力位移是地震工程、军事武器设计和结构健康监测等领域重要的物理量,但在实际测试过程中,通常能直接量测的只有振动加速度信号。由于受环境等不确定性测试条件影响,加速度信号不可避免地含有低频和高频噪声,导致在加速度积分过程中,速度和位移时程会产生较为明显的漂移现象。基于贝叶斯理论框架,构建了动力位移贝叶斯学习识别方法,针对不同噪声工况(白噪声、人工噪声)反演获取了位移响应,识别出的动力位移与解析位移基本一致;利用大型振动台试验数据,对比了不同性能加速度传感信号反演的位移,并分析了其不确定性。结果表明:该动力位移贝叶斯学习识别方法在加速度-位移关系表征方面具备一定的优势,可不依赖对加速度信号的处理实现位移求解,从而避免了噪声累积误差导致的位移积分失真。

基于振动台试验的加速度积分位移

轨道不平顺是铁路车辆系统振动的主要激励源,车体构架运行姿态的变化会对轨道几何不平顺检测精度造成影响.理论上可通过位移传感器对车体构架的运行姿态进行测试,但多数情况下测量困难且精度较低,而采用加速度传感器测试,又存在各种噪声干扰,使积分位移中含有趋势项漂移误差.针对此类问题,提出了一种从加速度数据中获取位移时间序列的低频衰减频域积分方法.该方法从测量加速度积分开始,采用基于滑动平均的最小二乘法预处理方法,去除积分过程中的噪声产生的误差,还原实际由于轨道不平顺产生的振动响应.结合滑动平均方法、高通滤波器和频域积分,通过多次平滑、滤波和积分,得到重构位移信号,避免了信号的失真.该方法的主要优点是重构位移不存在长周期漂移.通过与振动台实测数据的对比分析,验证了该方法的准确性和可靠性.

基于LSTM神经网络的多源数据融合桥梁变形重构方法

桥梁变形是桥梁状态评估的重要指标,在测量桥梁位移时,直接测量方法如LVDT、RTK-GPS、LDV等在实际应用中有很多局限性。由于从所测得的动应变中获得实时的位移模态和应变模态较为困难,而且大多数应变测量的采样频率较低,基于应变的间接桥梁变形重构方法在应用中仍存在一定的不足。提出一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络重构桥梁变形的方法,该网络融合应变和加速度数据在训练后可以用作测量数据实时重构桥梁的变形。在应变模态、位移模态以及桥梁中性轴未知的情况下,该方法可以准确地重构变形。通过数值模拟和试验验证了重构结果的准确性,结果表明,基于LSTM的数据融合方法在不同条件下都可以实现高精度的桥梁变形重构。

Arduino开源平台在低成本加速度与动态位移直接测量中的应用

实时位移是结构健康监测及振动控制所需的重要参数,但固定参考点式位移计法及非接触摄录式位移测量法成本均较高,而加速度二次积分重构位移算法受积分初始条件影响导致误差可控性差。本研究利用Arduino开源微控制器平台的开放性和微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)型加速度计的成本优势,结合内嵌式加速度重构位移Lee算法对积分初值条件的低依赖性特征,开发了一种低成本、加速度和动态位移直接测量系统,并配合内置SD卡模块实现了实时采样、数据存储功能。基于小型振动台对比实验,验证了该系统对简谐振动、地震动加速度、桥梁墩顶横向位移测量的有效性和精度。结果表明:地震动加速度激振下,该系统与成熟加速度测量系统峰值误差低于7%;实测桥梁墩顶横向位移激振下,该系统与线性可变差动变压器式相对位移计(Linear-Variable-Differential-Transformer,LVDT)最大测量误差低于10%。

基于激光自混合干涉的轧辊磨损在线检测方法

提出了一种非接触式轧辊磨损在线检测的方法。研究了轧辊磨损量在线检测的原理及方案，利用激光自混合干涉位移传感器进行多点测量，将轧辊磨损量转化为微位移量进行检测，从而得到磨损量。信号处理中基于相位展开原理进行自混合干涉相位提取，重建外腔物体运动信息，并利用插值法降低了辊身振动和随机噪声的影响，提高了系统测量分辨率与精度。实验结果表明，该方法的测量分辨力可达到几十微米。

基于EMD的GNSS/ 加速度计振动监测模型研究

采用GNSS与加速度计相结合的方式对结构进行振动监测,以获取结构动态响应,同时提出一种基于经验模态分解(EMD)与切比雪夫滤波相结合的混合型滤波器对GNSS采集得到的数据进行滤波处理,识别结构高频与低频动态位移,与加速度数据积分得到的高频动态位移结合重构整体动态位移。模拟实验验证了重构位移算法的可行性。

基于分布式光纤传感的海底管线横向屈曲识别方法

针对传统海底管线横向屈曲识别方法无法真实反映海底管线结构状态的问题,本文以含初始缺陷的海底管线作为研究对象,基于分布式光纤传感获得的海底管线分布式结构响应,采用Euler-Bernoulli梁挠曲线计算方法建立管道屈曲位移重构算法,实现了荷载未知情况下海底管线前、后屈曲行为的定量识别。以初始缺陷幅值作为变参数,采用初始缺陷海底管线有限元分析与模型实验验证提出方法的可行性。结果表明:本文基于分布式光纤传感提出的海底管线横向屈曲位移重构算法可定量识别海底管线横向屈曲的产生及发展过程,为解决未知荷载作用下海底管线横向屈曲识别问题提供了一种可行的方法。