本發(fā)明涉及機械工程領域，尤其涉及一種用于運行模態(tài)下三維傳感器優(yōu)化方法。

背景技術：

1、旋轉(zhuǎn)機械通常在高溫和交變載荷等惡劣的工作環(huán)境下工作，在運行過程中存在復雜的非線性載荷激勵，這往往會導致機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)問題和疲勞失效。因此，開展旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)下的模態(tài)識別具有重要意義，其動態(tài)特性是系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的重要指標，可作為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行、檢測機械系統(tǒng)故障和損壞以及提前估算系統(tǒng)使用壽命的基礎。

2、模態(tài)特性識別的準確性取決于傳感器的數(shù)量和位置,對于小型簡單測試結(jié)構(gòu)，往往可以根據(jù)專家經(jīng)驗確定測試傳感器數(shù)目和測點位置。但對于大型復雜結(jié)構(gòu)，惡劣的運行環(huán)境、復雜的空間結(jié)構(gòu)都會影響傳感器的布置和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，為了保證數(shù)據(jù)收集的準確性，需要研究傳感器最優(yōu)布置位置和布置數(shù)量從而最大化測量系統(tǒng)的效用。

3、用于模態(tài)測試最流行的傳感器放置優(yōu)化方法之一是由d.c.kammer提出的有效獨立性(ei)方法，該方法旨在最大化與目標模態(tài)對應的費舍爾信息矩陣(fim)，從而使每個傳感器對模態(tài)的可觀測性的貢獻最大化。但通過ei方法獲得的傳感器配置容易發(fā)生傳感器位置的信息冗余，特別是在復雜結(jié)構(gòu)或密集傳感器配置的情況下。除此之外，該方法在每次迭代中產(chǎn)生一個傳感器配置，并將最佳配置留給用戶選擇，并不能直接給出最優(yōu)的傳感器數(shù)量及配置。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種用于運行模態(tài)下三維傳感器優(yōu)化方法。

2、本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

3、一種用于運行模態(tài)下三維傳感器優(yōu)化方法，包含以下步驟：

4、步驟1)，建立目標結(jié)構(gòu)的有限元模型，對有限元模型進行有限元模態(tài)分析，獲得所需要的模態(tài)個數(shù)n、模態(tài)振型фs，并將有限元模型的每個節(jié)點均作為候選傳感器位置，建立候選傳感器位置集合，候選傳感器位置集合中候選傳感器位置的個數(shù)m大于等于預設的傳感器個數(shù)閾值tsn；

5、步驟2)，計算候選傳感器位置集合中所有候選傳感器的費舍爾信息矩陣，候選傳感器位置集合中所有候選傳感器的費舍爾信息矩陣q表達式為：

6、

7、其中φ3i為第i個候選傳感器位置對應的三維模態(tài)振型矩陣，為振型矩陣φ3i的轉(zhuǎn)置矩陣，q3i為第i個候選傳感器位置的三維信息矩陣，m為候選傳感器位置的個數(shù)；

8、步驟3)，計算候選傳感器位置集合中每個候選傳感器位置的三軸有效獨立性指標，其中第i個候選傳感器位置的三軸有效獨立性指標efi3i＝1-det(i3-e3i)，式中，det(.)表示括號內(nèi)矩陣的行列式，i3是三維單位矩陣；e3i是3×3完全填充的矩陣，其表達式為：

9、

10、其中，q-1為q的逆矩陣，φsir是候選傳感器位置集合中第i個傳感器位置處模態(tài)振型的第r行，r＝1,2,3；

11、步驟4)，根據(jù)efi3i值的大小對候選傳感器位置集合中的候選傳感器位置從高到低進行排序；

12、步驟5)，從候選傳感器位置集合中刪除efi3i值最低的一個候選傳感器位置；

13、步驟6)，根據(jù)以下公式計算候選傳感器位置集合中每個候選傳感器位置的三維費舍爾信息矩陣：

14、

15、步驟7)，計算候選傳感器位置集合中候選傳感器位置兩兩之間的冗余度，取其中最小的冗余度rs，其中第i個候選傳感器位置和第j個候選傳感器位置之間的冗余度rij的計算公式如下：

16、

17、式中，q3i、q3j分別為第i個、第j個候選傳感器位置的三維費舍爾信息矩陣；

18、步驟8)，將rs和預設的冗余度閾值tr進行比較，如果rs<tr，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟2)，如果rs>tr，執(zhí)行步驟9)；

19、步驟9)，將候選傳感器位置集合中剩下的傳感器位置和數(shù)量視為最優(yōu)的傳感器配置。

20、本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

21、本發(fā)明通過優(yōu)化傳感器布局和參數(shù)設置，以提高結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)采集精度、分析效率并降低傳感器使用數(shù)量，能夠在保證數(shù)據(jù)收集的準確性的同時最小化所需的傳感器數(shù)量，從而減小傳感器對結(jié)構(gòu)功能的潛在影響，降低測試成本。

技術特征：

1.一種用于運行模態(tài)下三維傳感器優(yōu)化方法，其特征在于，包含以下步驟：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于運行模態(tài)下三維傳感器優(yōu)化方法，將有效獨立性法和冗余度相結(jié)合，根據(jù)候選傳感器位置對目標模態(tài)線性獨立性的貢獻對其進行排序，并每次通過迭代移除一個不重要的位置。最終的傳感器配置趨向于最大化費舍爾信息矩陣的行列式，使相應的目標模態(tài)振型盡可能線性獨立，同時最大化測試數(shù)據(jù)中目標模態(tài)響應的信號強度，從而盡可能的區(qū)分模態(tài)并提高信噪比，減少噪聲對測試的影響。本發(fā)明可以在保證數(shù)據(jù)收集的準確性的同時最小化所需的傳感器數(shù)量，從而減小傳感器對結(jié)構(gòu)功能的潛在影響，降低測試成本。

技術研發(fā)人員：岳林,戴文柯,任帥
受保護的技術使用者：南京航空航天大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9