結構健康監(jiān)測中多維傳感器的優(yōu)化布置方法研究.pdf

1、傳感器優(yōu)化布置是設計結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵問題之一，它對數(shù)據(jù)采集的有效性有著至關重要的影響。考慮到實際工程結構型式復雜、體量巨大，以及現(xiàn)場條件和建造費用等因素的影響，只能在結構有限的位置上布置相對較少的傳感器，因此一個好的傳感器布設方案，應以盡可能少的傳感器獲取足夠多的結構狀態(tài)信息。以往的傳感器優(yōu)化布置算法一般針對結構某一方向進行傳感器優(yōu)化布置研究，然后將多維傳感器布置在這些測點上，這就造成傳感器在優(yōu)化的結構振動方向是最優(yōu)的，而在其余方

2、向不是最優(yōu)的。針對這一問題，本文提出了多維傳感器的優(yōu)化布置方法，研究的內容主要包括以下幾個方面:
　　(1)基于Kammer提出的三維動態(tài)測點優(yōu)化布置的有效獨立法(Effectiveindependence algorithm for triaxial accelerometers，簡稱EfI3)，將其推廣到其他維數(shù)，分別給出了適用于高層建筑的EfI2和EfI5算法。將EfI3算法中使用的矩陣行列式值作為信息陣最大化的標準推廣到使

3、用矩陣的跡等其他標準來最大化信息陣，以廣州新電視塔為算例，并比較不同標準下傳感器布置的優(yōu)劣。
　　(2)針對以往算法不能考慮結構自身不適定性的問題，提出了一種能夠綜合考慮結構反應信息敏感性以及系統(tǒng)魯棒性相協(xié)調的優(yōu)化方法，該方法通過E測試矩陣使Fisher信息矩陣獲得最大值，且能夠保證在迭代過程中振型矩陣的條件數(shù)最小;本文以廣州新電視塔為例，采用模態(tài)保證準則、Fisher信息矩陣行列式，以及振型矩陣條件數(shù)三種優(yōu)化準則，對比分析了僅考

4、慮水平振動，以及同時考慮水平振動和空間扭轉的傳感器優(yōu)化布置效果，證明了本文方法的可行性和優(yōu)越性。
　　(3)針對大型復雜的實際結構，考慮到自由度之間信息的冗余現(xiàn)象，本文提出了基于冗余度分析的多維傳感器快速擴展方法，以便更加有效地布置多維傳感器。該方法采用擴展的方式，通過迭代直到所需的傳感器數(shù)目，最后所得的布置方案即能滿足模態(tài)振型的可觀性要求又能夠采集盡可能多的振動信息。本文以懸臂長板和大連北大橋作為算例，將該方法與經(jīng)典的二維有效獨

5、立法進行比對，并采用模態(tài)的可視化程度、模態(tài)保證準則、矩陣的條件數(shù)3種評價準則對比分析了傳感器優(yōu)化布置的效果，證明了本文方法的可行性和優(yōu)越性。
　　(4)借鑒Kammer提出的質量加權的有效獨立法，本文提出發(fā)展了剛度加權的有效獨立法。為了提高迭代的效率以及能夠保證在特定的測點布置傳感器，進而提出了剛度加權有效獨立擴展法，它是從初始配置結果進行擴展，直到所需的傳感器數(shù)目。為了探討精確縮聚的優(yōu)越性，同時又考慮到質量矩陣加權和剛度矩陣加權