傳感器布置的總體原則

1. 測(cè)得的數(shù)據(jù)要能充分并準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

2. 測(cè)得的信號(hào)具有較高的信噪比。

3. 測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力參數(shù)變化或環(huán)境變化較為敏感。

4. 能夠通過(guò)合理添加傳感器對(duì)感興趣的局部進(jìn)行數(shù)據(jù)重點(diǎn)采集。

5. 需在結(jié)構(gòu)最主要受力構(gòu)件上布置。

6. 需在結(jié)構(gòu)響應(yīng)最不利處或已發(fā)生較嚴(yán)重病害、損傷處布置。

7. 測(cè)點(diǎn)布置要從幾何尺寸范圍盡量覆蓋結(jié)構(gòu)整體。

8. 測(cè)得的參數(shù)應(yīng)能夠與理論分析結(jié)果建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。

9. 可合理利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性原則，達(dá)到減少傳感器布置的目的。

10. 在滿足前述原則的基礎(chǔ)上，使信號(hào)的傳輸距離最短。

11. 當(dāng)監(jiān)測(cè)要求發(fā)生變化或傳感器失效、重新校準(zhǔn)時(shí)，在滿足前述原則的基礎(chǔ)上，傳感器的布置還應(yīng)本著便于安卸、更換的原則進(jìn)行。

傳感器布置的內(nèi)容

傳感器布置是指如何將傳感器布置在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置，使測(cè)量信息最豐富而滿足某一特定目標(biāo)的過(guò)程。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，由于應(yīng)變傳感器可以通過(guò)有限元分析確定極值處和關(guān)鍵控制位置，其他如風(fēng)速儀等特殊類型的傳感器也可依其測(cè)量特點(diǎn)進(jìn)行布置。所以，傳感器布置一般指加速度傳感器的優(yōu)化布置。

傳感器布置的具體評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

1. 模態(tài)保證準(zhǔn)則MAC (Modal Assurance Criterion)

結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)模態(tài)向量必須盡可能相互線性獨(dú)立，其判斷辦法為模態(tài)保證準(zhǔn)則矩陣，按下式計(jì)算：

2. 奇異值比 (Maximum Singular Value Decomposition Ratio)

模態(tài)矩陣的奇異值比是指模態(tài)矩陣奇異值的最大值與最小值之比，可以作為衡量傳感器布置位置好壞的一個(gè)尺度，按下式計(jì)算：

該比值越小，傳感器組合位置越優(yōu)。模態(tài)矩陣的最大奇異值比的下限是1，此時(shí)是最理想的情況，所選擇的傳感器位置定義的結(jié)構(gòu)模態(tài)矩陣完全規(guī)則正交。

3. 平均模態(tài)動(dòng)能

結(jié)構(gòu)的模態(tài)動(dòng)能并不是平均地分配到結(jié)構(gòu)的每個(gè)模態(tài)中，在結(jié)構(gòu)的各個(gè)待選自由度上的分配也不均勻。因此希望結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)所包含的結(jié)構(gòu)模態(tài)動(dòng)能占結(jié)構(gòu)所有自由度中所包含的模態(tài)動(dòng)能中較大的一部分。因?yàn)橹挥羞@樣，才能得到較好的測(cè)試信號(hào)信噪比，也才能得到精度相對(duì)較高的模態(tài)識(shí)別結(jié)果。

4. Fisher信息陣 (Fisher Information Matrix)

Fisher信息陣等價(jià)于待估參數(shù)估計(jì)誤差的最小協(xié)方差矩陣，也同時(shí)度量了測(cè)試響應(yīng)中所包含信息的多少，按下式計(jì)算：

實(shí)踐中，Fisher信息陣有不同的指標(biāo)，它們是信息陣的值、跡和最小的奇異值。信息陣的值和跡越大越好，提高最小奇異值則能相對(duì)增加信息量，也就同時(shí)降低了被估參數(shù)的不確定性。

5. 模態(tài)的可視化程度

在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試工程師首先必須對(duì)結(jié)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀況有一個(gè)初步了解，從模態(tài)試驗(yàn)中對(duì)待識(shí)別的模態(tài)有個(gè)基本估計(jì)，也即待識(shí)別的模態(tài)要在結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)或者整體上有一定分布，要有一定的可視化程度。該準(zhǔn)則依賴于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和測(cè)試工程師的經(jīng)驗(yàn)，具有一定程度的主觀性。一般，結(jié)構(gòu)的中間或是角落的點(diǎn)對(duì)于動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)的模態(tài)非常有益。

6. 表征最小二乘法準(zhǔn)則

表征最小二乘法準(zhǔn)則可以評(píng)價(jià)在總體的測(cè)試數(shù)據(jù)中選出一部分來(lái)近似總體估計(jì)的優(yōu)劣，按下式計(jì)算：

傳感器的布置方法

模態(tài)動(dòng)能法 (Modal Kinetic Energy)

模態(tài)動(dòng)能法通過(guò)比較選擇待選測(cè)點(diǎn)中模態(tài)動(dòng)能較大的位置布設(shè)傳感器，按下式計(jì)算：

模態(tài)動(dòng)能法考慮了結(jié)構(gòu)各待選傳感器位置對(duì)目標(biāo)模態(tài)的動(dòng)力貢獻(xiàn)，粗略地計(jì)算在相應(yīng)位置可能的最大模態(tài)響應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)在于可能通過(guò)選擇模態(tài)動(dòng)能較大的點(diǎn)提高結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)測(cè)量時(shí)的信噪比，這對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中環(huán)境噪音較大的特點(diǎn)較為合適。因此，模態(tài)動(dòng)能法一般用于在較復(fù)雜的測(cè)點(diǎn)布設(shè)中初選傳感器位置。

特征向量乘積法 (Eigenvector Component Product) 和模態(tài)分量加和法 (Mode Shape Summation Plot)

根據(jù)特征向量乘積法，傳感器布設(shè)在模態(tài)矩陣各行乘積絕對(duì)值較大的位置，按下式計(jì)算：

特征向量乘積法和模態(tài)分量加和法比較符合一般的結(jié)構(gòu)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，而且計(jì)算簡(jiǎn)單。但實(shí)踐表明，這兩種方法雖然有助于避免選擇結(jié)構(gòu)各階模態(tài)節(jié)點(diǎn)或者模態(tài)動(dòng)能較小的位置，但是它們只能粗略地算出較好的傳感器布設(shè)位置，并不能得出最佳的傳感器位置組合。所以特征向量乘積法和模態(tài)分量加和法與模態(tài)動(dòng)能法相似，只能用于初選傳感器的位置。

原點(diǎn)留數(shù)法 (Drive Point Residue)

原點(diǎn)留數(shù)法按下式計(jì)算：

原點(diǎn)留數(shù)法考慮了結(jié)構(gòu)各待選測(cè)點(diǎn)的可激勵(lì)程度。因?yàn)楦鶕?jù)互易性定理，容易激起各階模態(tài)適合于作結(jié)構(gòu)激勵(lì)的點(diǎn)也一般是結(jié)構(gòu)較容易被激振的點(diǎn)，適合于布設(shè)傳感器。

有效獨(dú)立法 (Effective Independence)