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Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5086 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um die Probleme der geringen Empfindlichkeit und Genauigkeit anzugehen, die durch den Verschiebungsübertragungsmechanismus von drei Verschiebungssensoren verursacht werden, die gleichzeitig bei der 3D-Verschiebungsüberwachung seismischer Isolationslager verwendet werden, wurde in der Arbeit ein hochempfindlicher drehbarer 3D-Verschiebungssensor vorgeschlagen. Der Sensor fügt Durchgangslöcher auf der Oberfläche des Auslegerbalkens gleicher Stärke hinzu, um einen Querbalken zu bilden, der die Biegespannung auf der Balkenoberfläche erhöht und so die Empfindlichkeit verbessert. Durch das Hinzufügen eines Gyroskops und einer mechanischen Rotationsstruktur kann ein einzelner Sensor gleichzeitig die 3D-Verschiebung messen, wodurch die nachteiligen Auswirkungen des Verschiebungsübertragungsmechanismus auf die Genauigkeit der Messung reduziert werden. Mithilfe der ANSYS-Software wurden die Parameter der Größe des Durchgangslochs des Sensorstrahls simuliert und optimiert, um die geeignete Größe und Position des Durchgangslochs zu bestimmen. Abschließend wurde der Sensor entwickelt und anhand der Simulationsergebnisse seine statischen Eigenschaften und seine Wegmessleistung im statischen und dynamischen 3D-Raum getestet. Die Testergebnisse haben gezeigt, dass der Sensor eine Empfindlichkeit von 16,29 mV/mm und eine Genauigkeit von 0,9 % im Bereich von 0–160 mm aufweist. Seine statischen und dynamischen 3D-Raumverschiebungsmessfehler betragen weniger als 2 mm, was die Genauigkeitsanforderungen der 3D-Verschiebungsmessung und die Empfindlichkeit für die strukturelle Zustandsüberwachung seismischer Isolationslager erfüllen kann.

In den letzten Jahren kam es häufig zu Erdbebenkatastrophen. Die durch Erdbeben verursachten strukturellen Schäden an Häusern haben zu unerträglichen Verlusten für die Menschen geführt1. Herkömmliche Erdbebensicherheitstechniken bleiben bei Erdbeben weit hinter den Erwartungen zurück2. Um den seismischen Energieeintrag in die Struktur grundlegend zu reduzieren, haben Ingenieure ihren Schwerpunkt von der traditionellen „seismischen Widerstandsfähigkeit“ auf die „seismische Isolation“3 verlagert. Die seismische Isolationsstruktur ist im Allgemeinen eine flexible seismische Isolationsschicht zwischen dem Fundament und der oberen Struktur, sodass das Fundament in gewissem Maße von der oberen Struktur getrennt ist4. Auf diese Weise kann die Übertragung seismischer Energie auf die obere Struktur isoliert und die Grundfrequenz der Eigenschwingungen der oberen Struktur verringert werden, wodurch die Auswirkungen seismischer Einwirkungen auf die obere Struktur verringert werden5. Durch seismische Isolationsmaßnahmen kann die Eigenschwingungsfrequenz der oberen Struktur im Allgemeinen von 1–6 Hz auf 0,2–0,5 Hz reduziert werden, was die Auswirkungen seismischer Kräfte erheblich reduzieren und den dadurch verursachten direkten und sekundären Katastrophen wirksam widerstehen kann Erdbeben6. Das seismische Isolationslager ist die Schlüsselkomponente des seismischen Isolationsstruktursystems. Aufgrund der komplexen Eigen- und Umweltbelastungseffekte während des Baus und der Nutzung kommt es unweigerlich zu einer Akkumulation der strukturellen Systemschäden, was zu einer Verschlechterung der Widerstandsfähigkeit seismischer Isolationslager gegenüber Naturkatastrophen führt7. Dies beeinträchtigt nicht nur die normale Nutzung der Tragkonstruktion, sondern birgt auch bestimmte Sicherheitsrisiken für das Gebäude und erhöht das Risiko von Opfern und wirtschaftlichen Verlusten durch das Erdbeben8. Daher steht der Gesundheitszustand seismischer Isolationslager in volatilen Umgebungen im Mittelpunkt vieler Wissenschaftler9. Die traditionelle Bewertungsmethode für seismische Isolationslager ist die manuelle Bewertung, d. h. die manuelle Demontage der zu testenden seismischen Isolationslager und die anschließende Bewertung ihres Gesundheitszustands anhand von Aussehen, Belastungstest usw.10. Tatsächlich gibt es jedoch in großen technischen Gebäuden eine große Anzahl seismischer Isolationslager und die Installationsumgebung ist komplex11. Eine manuelle Auswertung ist nicht nur zeitaufwändig, mühsam, sondern auch kostspielig12. Mit der rasanten Entwicklung der Sensortechnologie, Informationserfassungstechnologie und Testanalysetechnologie wurde das Echtzeit- und kontinuierliche Zustandsüberwachungssystem seismischer Isolationslager in Brücken, Hochhäusern, Wasserschutz und anderen technischen Bereichen weit verbreitet13.

In den letzten Jahren wurden Wegsensoren im In- und Ausland umfassend und intensiv untersucht. Niu et al.14 schlugen einen Verschiebungssensor vom Widerstandsdehnungstyp vor, der Dehnungsmessstreifen verwendet, um die Biegeverformung von Werkzeugstahl in Verschiebungswerte umzuwandeln. Der Messbereich dieser Struktur beträgt 0–500 mm, die Empfindlichkeit beträgt jedoch nur 0,098. Lu et al.15 schlugen den FBG-Verschiebungssensor auf Basis der elliptischen Verstärkungsstruktur vor, der den elliptischen Verschiebungsverstärkungsmechanismus nutzt, um die Empfindlichkeit zu verbessern, aber die Empfindlichkeit innerhalb des Messbereichs von 0–100 mm beträgt nur 6,1 pm/mm. Li et al.16 schlugen einen FBG-Verschiebungssensor mit eingebetteter Feder vor, der die Empfindlichkeit des Sensors durch indirektes Einfügen von blanker optischer Faser und Feder verbesserte. Es verfügt über eine gute lineare Reaktion im Messbereich von 0–50 mm und die Sensorempfindlichkeit beträgt 23,96 pm/mm, die Gesamtgenauigkeit beträgt jedoch nur etwa 4,94 %. Jiao et al.17 schlugen ein dreidimensionales räumliches Verschiebungsmesssystem vor, das auf dem Drei-Kugel-Schnittpositionierungsprinzip basiert und eine Vorrichtung verwendet, um drei Drahtverschiebungssensoren paarweise vertikal an der Stahlrohrhalterung zu befestigen und den dreidimensionalen räumlichen Verschiebungswert zu ermitteln kann durch Raumkoordinatenzerlegung erhalten werden. Der statische dreidimensionale räumliche Verschiebungsmessfehler des Systems beträgt im Messbereich 0–100 mm weniger als 2 mm. Bei der Verwendung von Sensoren zur Überwachung des Zustands seismischer Isolationslager kann die Verschlechterung oder Beschädigung von Gebäudestrukturen ohne manuellen Eingriff erkannt werden, es gibt jedoch immer noch einige Einschränkungen, darunter: (1) Bei der Konstruktion des Verschiebungssensors nimmt die Empfindlichkeit mit zunehmender Erhöhung ab des Messbereichs. Bei Messungen im mittleren und hohen Bereich ist die Empfindlichkeit des Sensors bereits gering; (2) Die Genauigkeit der Gesundheitsbewertungsergebnisse seismischer Isolationslager hängt in hohem Maße von der Leistung der Sensoren ab. Bei der Installation von Verschiebungssensoren mit herkömmlichen Methoden können diese leicht beschädigt werden, wenn die zusammengesetzte Verschiebung des seismischen Isolationslagers auftritt, was zu einer schlechten Anwendbarkeit führt. (3) Im eigentlichen Überwachungsprozess des Gebäudes ist die Verformung und Verschiebung der seismischen Isolationslager eine Art zusammengesetzte Bewegung, die drei Verschiebungskomponenten in X, Y und Z umfasst. Bei der Messung der Verschiebung eines einzelnen Isolationslagers Es sollten drei Wegsensoren gleichzeitig verwendet werden. Um jedoch die Störungen durch Verschiebungen in andere Richtungen zu überwinden, wird am festen Ende jedes Sensors ein Verschiebungsübertragungsmechanismus hinzugefügt. Auf diese Weise entsteht das Problem übermäßiger akkumulierter Mehrachsenfehler und eine Verringerung der Messgenauigkeit.

Um die Probleme der geringen Empfindlichkeit bei Messungen im mittleren und hohen Bereich und der geringen Messgenauigkeit, die durch die Abweichung des Verschiebungsübertragungsmechanismus verursacht werden, zu lösen, wurde in diesem Artikel ein hochempfindlicher drehbarer 3D-Verschiebungssensor vorgeschlagen. Bei dem entworfenen Verschiebungssensor wurde ein Querträger durch das Hinzufügen von Durchgangslöchern auf der Oberfläche des Trägers gebildet, und der Dehnungsmessstreifen wurde auf der Mittellinie des Querträgers nahe der Ober- und Unterseite des festen Endes aufgeklebt. Dadurch wurde die Empfindlichkeit des Sensors verbessert und der Einfluss der Temperatur auf die Messgenauigkeit verringert; Das Rotationsdesign wurde verwendet, um gleichzeitig die 3D-Verschiebung des seismischen Isolationslagers zu messen, was die Messgenauigkeit des Sensors verbesserte. Mithilfe von ANSYS18 wurden die statische Simulation und Größenoptimierung des entworfenen Sensors durchgeführt und der Verschiebungssensor entsprechend den Simulationsergebnissen hergestellt. Unter Verwendung des TD8411-Prüfgeräts für die magnetische Verteilung der Oberfläche mit rotierender Plattform und eines elektromagnetischen 3D-Vibrationstisches mit sechs Freiheitsgraden wurde ein 3D-Verschiebungstestsystem des Sensors aufgebaut und die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Systems getestet und analysiert.

Der Gesamtaufbau des hochempfindlichen drehbaren 3D-Wegsensors ist in Abb. 1 dargestellt. Zu den Hauptkomponenten gehören Messführungsstange, Ausleger, Begrenzungsplatte, feste Basis, Gyroskop, Datenerfassungsschaltung, Keilschieber, Flanschkupplung, Kreuzuniversal Gelenk- und Lagersitz usw. Ein Ende der Messführungsstange wurde über Gewinde mit dem keilförmigen Schieber verbunden und das andere Ende durch das Gehäuse geführt, so dass die äußere Verschiebung auf den keilförmigen Schieber übertragen werden kann. Das freie Ende des Balkens hatte immer Kontakt mit der Oberfläche des Keilschiebers. Die Unterseite des keilförmigen Schiebers wurde in die Rutsche der Bodenplatte eingebaut. Um zu vermeiden, dass die vertikale Verschiebung des Schiebers die Messergebnisse beeinträchtigt, wurde über der Rutsche eine keilförmige Schieberbegrenzungsplatte befestigt, so dass sich der Schieber nur in der linken und rechten Richtung der Rutsche bewegen konnte. Kleben Sie die Dehnungsmessstreifen mit Epoxidkleber mit gleicher Stärke auf die Oberflächen des Querträgers, die Ober- und Unterseiten, die sich auf der Mittellinie des Querträgers in der Nähe des befestigten Endes befinden. Dehnungsmessstreifen 1 wurde auf die Oberseite und Dehnungsmessstreifen 2 auf die Unterseite geklebt. Der Dehnungsmessstreifen und das Gyroskop waren über die Datenerfassungsschaltung verbunden. Die Verschiebungs- und Winkeldaten wurden in Echtzeit von der Software des oberen Computers erfasst. Nach der Zerlegungsberechnung der zugehörigen trigonometrischen Funktionen wurde der 3D-Verschiebungswert der seismischen Isolationslager weiter ermittelt. Der äußere Teil des Sensors war über die Flanschkupplung mit dem Kreuzgelenk und dem Lagersitz verbunden, sodass sich der Sensor frei drehen konnte. Dies eignet sich zum Messen des Gier- und Nickwinkels, der entsteht, wenn das seismische Isolationslager den Sensor in Bewegung versetzt.

Schematische Darstellung des Gesamtaufbaus des Sensors (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Wie in Abb. 2 dargestellt, treibt die Messführungsstange den Keilschieber an, um sich um \(\Delta x\) zu bewegen, wenn sich die Verschiebung des Sensors um \(\Delta x\) ändert, was der vertikalen Auslenkung des freien Endes entspricht Der Auslegerbalken ist \(\Delta w\), und die Variation seiner Oberflächenspannung ist \(\Delta \varepsilon\). Daher ändert sich der Widerstandswert des Dehnungsmessstreifens, der an der Oberfläche des Auslegerbalkens angebracht ist, und der Änderungsbetrag beträgt \(\Delta R\).

Geometrisches Diagramm im Inneren des Sensors (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Sie lässt sich aus den geometrischen Bedingungen ermitteln:

In Gl. (1), \(\theta\) ist der Neigungswinkel der schiefen Ebene des Keilschiebers.

Unter Vernachlässigung des Einflusses des Eigengewichts des Auslegerbalkens gleicher Stärke und gemäß dem Prinzip der Materialmechanik ist die Beziehung zwischen der Dehnung \(\varepsilon\) auf der Balkenoberfläche und der vertikalen Durchbiegung \(w\) wie folgt:

In Gl. (2), \(L\) ist die Länge des Auslegerbalkens gleicher Stärke und \(h\) ist die Dicke des Auslegerbalkens.

Wenn Gl. (1) wird in Gleichung eingesetzt. (2) kann die Variation der Oberflächendehnung des Auslegerbalkens gleicher Stärke erhalten werden:

Gemäß den Eigenschaften des Dehnungsmessstreifens selbst:

In Gl. (4) \(\Delta R\) ist die Änderung des Dehnungsmessstreifenwiderstands, R ist der Widerstand des Dehnungsmessstreifens und k ist der Empfindlichkeitskoeffizient des Dehnungsmessstreifens.

Als passiver Sensor, der strukturelle Dehnungen in Widerstandsänderungen umwandelt, kann die Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens durch eine Brückenschaltung weiter in Spannungs- oder Stromänderungen umgewandelt werden. Da der Auslegerbalken und der Dehnungsmessstreifen in derselben Ebene liegen, kann die durch den Auslegerbalken erzeugte Verformung näherungsweise als Verformung des Dehnungsmessstreifens angesehen werden. Wenn die in Abb. 3 gezeigte Differentialbrücke zur Erkennung verwendet wird, kann die Ausgangsspannung weiter aus Gleichung abgeleitet werden. (4):

Diagramm der Differentialbrückenverstärkungsschaltung (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) erstellt).

In Gl. (5), \({R}_{1}\) und \({R}_{2}\) sind induktive Dehnungsmessstreifen, \({R}_{3}\) und \({R}_ {4}\) sind konstante Widerstände, \({U}_{I}\) ist die Eingangsspannung und \({U}_{o}\) ist die Ausgangsspannung.

Wenn die gleichen Dehnungsmessstreifen an die benachbarten Arme der Brücke angeschlossen sind, d. h. wenn \({R}_{1}={R}_{2}\) und \({R}_{3}= {R}_{4}\), \({\Delta R}_{1}={\Delta R}_{2}\) und Formel (5) können wie folgt vereinfacht werden:

Durch Einsetzen von Gl. (4) in Gl. (6):

Durch Einsetzen von Gl. (3) in Gl. (7) kann die Beziehung zwischen der gemessenen Verschiebung \(x\) und der Ausgangsspannung \({U}_{o}\) der Differentialbrückenschaltung wie folgt erhalten werden:

Um die Verschiebung des seismischen Isolationslagers in X-, Y- und Z-Richtung gleichzeitig zu messen, wurde der Sensor an der Position \(A-{A}_{0}\) der oberen und unteren Verbindungsplatte des seismischen Isolationslagers befestigt , wie in Abb. 4 dargestellt.

Schematische Darstellung der dreidimensionalen Verschiebungsmessung von Isolationslagern (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Die anfängliche Dehnungslänge \({L}_{0}\) des Wegsensors kann aus Gl. berechnet werden. (8). Mit einem Gyroskop wurden der anfängliche horizontale Winkel des Sensors, also der Nickwinkel \({\alpha }_{0}\), und der seitliche Winkel, also der Gierwinkel \({\beta }_{0}\, erfasst. ). Mithilfe der trigonometrischen Funktionsformel können die anfänglichen Verschiebungswerte der X-, Y- und Z-Richtungen zum aktuellen Zeitpunkt wie folgt berechnet werden:

Wenn das seismische Isolationslager durch Vibration verformt und verschoben wurde, ändert sich die Position der oberen und unteren Verbindungsplatte von \(A-{A}_{0}\) zu \(A-{A}_{0}^{ ^{\prime}}\). Zu diesem Zeitpunkt dehnte und drehte sich der Verschiebungssensor mit der Bewegung des seismischen Isolationslagers. Die Streckungslänge beträgt \({L}_{t}\), und der Rotationswinkel (Nickwinkel) und der Gierwinkel werden zu \({\alpha }_{t}\) und \({\beta }_{t }\), jeweils. Die Verschiebungswerte in X-, Y- und Z-Richtung zum aktuellen Zeitpunkt können wie folgt berechnet werden:

Darüber hinaus können die 3D-Verschiebungswerte des seismischen Isolationslagers wie folgt ermittelt werden:

Basierend auf der oben genannten Messmethode wurden die Zugverschiebung, der Nickwinkel und der Gierwinkel mit einem drehbaren Wegsensor gemessen. Durch die Zerlegungsberechnung trigonometrischer Funktionen können die Verschiebungswerte in X-, Y- und Z-Richtung ermittelt und so die 3D-Verschiebungsmessung des seismischen Isolationslagers realisiert werden.

Als Kernkomponente des Verschiebungssensors bestimmen Größe und Struktur des Auslegers mit gleicher Stärke direkt die Empfindlichkeit des Sensors. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, wurden Größe und Struktur des Auslegers analysiert. Die Auslegerstruktur ist in Abb. 5 dargestellt und ihre Abmessungen sind: Auslegerlänge \(L\), Dicke \(h\) und Balkenbreite \(b\). Aus Gl. (7) und (8) ist ersichtlich, dass bei fester Eingangsbrückenspannung und festem Neigungswinkel der Rutsche die Empfindlichkeit des Sensors nur von der Dehnung im Dehnungsmessbereich auf der Oberfläche des Auslegers abhängt Balken, und die auf der Oberfläche des Auslegerbalkens erzeugte Spannung wird durch seine Länge \(L\) und Dicke \(h\) bestimmt. Um eine höhere Sensorempfindlichkeit zu erreichen, ist es daher notwendig, die Größe des Auslegers angemessen zu gestalten, damit eine größere Belastung auf seiner Oberfläche erzeugt werden kann. Durch die Verwendung von Solidworks19 zur Modellierung von Auslegerträgern unterschiedlicher Größe und ANSYS zur Durchführung einer statischen Simulationsanalyse wurde in diesem Artikel die Beziehung zwischen der Länge \(L\) und der Dicke \(h\) des Auslegerträgers und der Oberflächenspannung des untersucht Auslegerbalken, unter 2,5 mm der vertikalen Durchbiegung des Auslegerbalkens. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt.

Strukturelles schematisches Diagramm eines Auslegerbalkens gleicher Stärke (Die Abbildung wurde von Solidworks 2016 × 64 (https://www.solidworks.com/) erstellt.

3D-Diagramm der Beziehung zwischen der Größe des Auslegerbalkens und der Dehnung (Die Abbildung wurde von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) erstellt).

Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass, wenn die vom Ausleger gemessene Verschiebung einen festen Wert hat, die auf der Oberfläche erzeugte Spannung umso größer ist, je größer der \(h\)-Wert, je kleiner der \(L\)-Wert ist Je größer der freitragende Balken, desto höher ist die Empfindlichkeit des Sensors. Die traditionelle Methode zur Verbesserung der Empfindlichkeit besteht im Allgemeinen darin, die Länge (L) des Balkens zu verringern, die Dicke (h) des Balkens zu erhöhen oder den Höhenunterschied des Keilschiebers zu vergrößern. Dadurch erhöht sich jedoch zwangsläufig die Reibung zwischen dem Balken und dem Schieber, und die Messgenauigkeit wird durch den Verschleiß des Balkens und des Schiebers bei Langzeitmessungen mit Hin- und Herbewegung leicht beeinträchtigt. Daher wurden in dieser Arbeit vier Durchgangslöcher in die Oberfläche des Auslegers eingebracht, um einen Querträger zu bilden. Die Länge \(L\) und die Dicke \(h\) des Auslegers wurden indirekt geändert, ohne die Größe des ursprünglichen Auslegers und Keilschiebers zu ändern, die Oberflächenspannung des Querträgers wurde erhöht, die Empfindlichkeit des Sensors wurde erhöht verbessert, und der Einfluss der Vergrößerung des Auslegers und des Keilschiebers auf die langfristige hin- und hergehende Messgenauigkeit des Sensors wurde vermieden. Die Abmessungen des Querträgers sind: der Abstand \(M\) von der Mitte des Querträgers bis zum freien Ende des Auslegerträgers, die Breite \(a\) des Querträgers und der Durchmesser \(R\) des Durchgangs -Löcher, und seine Struktur ist in Abb. 7 dargestellt.

Strukturelles Schemadiagramm eines Kragarms gleicher Stärke mit Querträger (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 generiert (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Wenn ein Durchgangsloch in die Oberfläche des Auslegerbalkens gebohrt wurde, konzentrierte sich die an der Oberfläche des Balkens erzeugte Spannung auf den Lochbereich. Je größer der Durchmesser des Lochs ist, desto größer ist die konzentrierte Spannung in diesem Bereich. Die mechanischen Eigenschaften von Materialien zeigen, dass bei der elastischen Verformung von Metallmaterialien gleichzeitig die Oberflächenspannung des Auslegers zunimmt und auch seine Oberflächenspannung kontinuierlich zunimmt. Die Oberflächenspannung muss jedoch geringer sein als die zulässige Spannung des Kragarmmaterials, da der Kragarm sonst dauerhaft verformt und beschädigt wird. Daher liegen die Positionen des Durchgangslochs im Allgemeinen zwischen der Mittellinie des gleichschenkligen Trapezes des Trägers und der oberen Unterseite, und es sollte ein Sicherheitsabstand von mehr als 2 mm zwischen der Grenze des Durchgangslochs und dem bestehen Grenze des Auslegerbalkens. Um daher die Oberflächenspannung des Auslegers innerhalb des begrenzten zulässigen Spannungsbereichs der Materialien zu erhöhen und eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, wurde die Größe der Durchgangslöcher am Querträger zu R = 6 mm gewählt. Als andere Parameter bestimmt wurden, wurde die Solidworks-Software verwendet, um Querträger mit unterschiedlichen \(M\) und a zu modellieren. Darüber hinaus wurde auf der Grundlage von ANSYS eine statische Simulationsanalyse durchgeführt, um den Einfluss von zwei Schlüsselparametern \(M\) und a auf die Oberflächendehnung des Auslegerträgers zu untersuchen und so den besten Parameter des Querträgers zu erhalten. Die Simulationsergebnisse und ihre Anpassungskurven sind in Abb. 8 dargestellt.

Einfluss der Parameter des Querträgers auf die Oberflächendehnung des Auslegerträgers ((a,b) wurden von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) generiert).

Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass, wenn der Abstand \(M\) von der Mitte des Querträgers zum freien Ende des Auslegerträgers zwischen 15 und 30 mm variiert, die maximale Belastung auf der Oberfläche des Querträgers und der Die maximale Spannung auf der Oberfläche des Auslegers nimmt mit zunehmendem \(M\) ab. Der Ausleger besteht aus 65-Mn-Federstahl, dessen zulässige Spannung 523 MPa beträgt. Um die optimale Dehnung innerhalb der zulässigen Spannung zu erreichen, wird der Abstand zwischen der Mitte des Querträgers und dem freien Ende des Auslegerträgers mit \(M=25\) mm gewählt. Wenn \(M=25\) mm und die Breite \(a\) des Querträgers zwischen 0,4 und 2 mm variiert, nimmt die maximale Oberflächendehnung des Querträgers mit zunehmendem \(a\) ebenfalls ab. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, ohne den Messbereich des Sensors zu beeinträchtigen, wurde der Abstand von der Mitte des Querbalkens zum freien Ende des Auslegerbalkens mit \(M=25\) mm, der Breite des Querbalkens, gewählt \(a=1,2\) mm, die Abmessung des Durchgangslochs \(R=6\) mm, die Länge des Auslegers \(L=60\) mm, die Dicke \(h=1\) mm und die Breite \(b=15\) mm.

Die Datenerfassungsschaltung des Sensors ist in Abb. 9 dargestellt und besteht hauptsächlich aus einem Gyroskop, einem Temperatursensor, einer Differenzbrückenverstärkerschaltung und einem Einzelchip-Mikrocomputer-Steuermodul. Der Temperatursensor erfasst die Umgebungstemperatur des Sensors in Echtzeit, und das Einzelchip-Mikrocomputer-Steuermodul verwendet eine lineare Temperaturkompensationsmethode, um die durch die Temperatur verursachten nachteiligen Auswirkungen entsprechend der aktuellen Temperatur zu beseitigen. Die Differenzbrückenverstärkerschaltung gibt das Widerstandssignal des Dehnungsmessstreifens über die Brücke und den Operationsverstärker aus, und das Einzelchip-Mikrocomputer-Steuermodul sammelte die Temperaturdaten des Temperatursensors, die Spannung der Differenzbrückenverstärkerschaltung und die Winkeldaten von das Gyroskop durch AD und UART. Durch Berechnung wurden die 3D-Verschiebungsdaten des seismischen Isolationslagers ermittelt und zur Speicherung an den oberen Computer ausgegeben.

Blockdiagramm der Schaltung (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

In der Differenzbrückenverstärkerschaltung waren die beiden Dehnungsmessstreifen \({SG}_{1}\) und \({SG}_{2}\) identisch und befanden sich in der gleichen Temperaturumgebung. Wenn der Sensor einer Verschiebung ausgesetzt wurde, nahm der Widerstand der Dehnungsmessstreifen \({SG}_{1}\) und \({SG}_{2}\) zu und der andere ab. Da sie sich unter der gleichen Temperatur befanden, waren die durch die Temperaturänderung verursachten Widerstandsänderungen gleich. Durch die Verbindung mit zwei benachbarten Brückenarmen konnten der nichtlineare Fehler und der Temperaturfehler des Dehnungsmessstreifens selbst kompensiert und gleichzeitig die Messempfindlichkeit und -genauigkeit verbessert werden. Da das Ausgangssignal des Dehnungsmessstreifens sehr schwach war, wurde in diesem Artikel der Operationsverstärker TP09 zur Signalverstärkung verwendet, um die Erfassung und Verarbeitung durch ein Einzelchip-Mikrocomputer-Steuermodul zu erleichtern. Die Komponente bietet die Vorteile eines geringen Offsets, eines geringen Stromverbrauchs, einer hohen Präzision und eines hohen Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses. Das schwache Spannungssignal wurde mit einem Präzisionswiderstand von 0,1 % um das 600-fache verstärkt und ein Spannungssignal von 0–5 V ausgegeben. Die Schaltung ist in Abb. 10 dargestellt.

Differenzielle Brückenverstärkerschaltung (Die Abbildung wurde von Altium Designer 2016 (https://www.altium.com.cn/products/downloads) erstellt).

STM32F103RCT6 mit ARM-Kern wurde als Hauptcontroller des MCU-Steuermoduls ausgewählt, das mit drei 12-Bit-ADCs und zwei anfänglichen seriellen Anschlüssen integriert wurde und die Anforderungen der Spannungs-, Temperatur- und Winkelsignalerfassung erfüllen kann. Das Gyroskop war das Lageneigungssensormodul WT931 der Witmotion Company. Sein Messbereich betrug X, Z ± 180° und Y ± 90° und seine Messgenauigkeit betrug 0,05° in X und Y und 1° in der Z-Achse. Das Gyroskopmodul kommuniziert mit dem STM32-Einzelchip-Mikrocomputer über die serielle TTL-Schnittstelle, was die Vorteile einer geringen Größe, einer hohen Präzision und einer schnellen Rücklaufrate bietet. Als Temperatursensor wurde das hochpräzise digitale Temperaturmodul DS18B20 verwendet, um eine Echtzeit-Temperaturmessung zu realisieren. Das Temperaturmodul war klein und hochintegriert und konnte ohne andere Peripheriekomponenten mit einem Einzelchip-Mikrocomputer kommunizieren.

Obwohl die Differenzbrückenverstärkerschaltung einen Teil des Fehlers der Temperaturdrift reduzieren kann, ist ihre Kompensationsgenauigkeit begrenzt, wodurch die hochpräzisen Messanforderungen des Sensors nicht erfüllt werden können. Um den Einfluss der Temperaturdrift auf die Ausgangsspannung des Sensors weiter zu reduzieren, hat der Artikel den hochpräzisen Temperatursensor DS18B20 verwendet, um die Temperatur in Echtzeit zu erfassen, und ein softwarebasiertes lineares Temperaturkompensationsmodell erstellt, wie in Abb. 11 dargestellt.

Software-Modell zur linearen Temperaturkompensation (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Unter dem Einfluss von Umgebungstemperaturänderungen ist die Ausgangsspannung \({U}_{i}\) des Sensors nicht nur eine Funktion der angelegten Verschiebung \(X\), sondern auch eine Funktion der Temperatur \(T \). Wenn die Standardverschiebung \(X_{i}\) auf den Sensor angewendet wird, beträgt sein Anzeigewert:

Dabei ist \(U_{i}\) der vom Sensor angezeigte Spannungswert vor der Temperaturkompensation unter Anwendung der Standardverschiebung X.

Bei einer Raumtemperatur von 23 °C wurden n Erfassungspunkte für die Verschiebungskalibrierung des im Experiment verwendeten Verschiebungssensors ausgewählt, und die Ausgangsspannung des Sensors ist wie folgt:

Ändern Sie die Temperatur des Temperaturkontrollkastens, ohne eine Verschiebungswirkung auf den Sensor auszuüben. Die Ausgangsspannung des Verschiebungssensors bei verschiedenen Temperaturen wurde wie folgt gemessen:

Durch die Verwendung des linearen Anpassungsalgorithmus basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate wurde die Temperaturkalibrierungsgleichung durch lineare Anpassung des Anzeigewerts des Sensors bei verschiedenen Temperaturen erhalten:

Dabei sind \(a\) und \(b\) die linearen Anpassungskoeffizienten, \(T\) die Echtzeittemperatur und \(U_{T}\) die Temperaturdriftspannung zum aktuellen Zeitpunkt.

Schließlich wurde die Differenz zwischen der gemessenen Spannung \(U_{i}\) zum aktuellen Zeitpunkt und der Temperaturdrift-Ausgangsspannung \(U_{T}\) unter den aktuellen Temperaturbedingungen durch das Programm eines Einzelchip-Mikrocomputers ermittelt. und die kompensierte Ausgangsspannung \(U_{o}\) wird erhalten:

Entsprechend der Größe des Wegsensors ist der hochempfindliche drehbare 3D-Wegsensor in Abb. 12b dargestellt. Um die Temperaturleistung des 3D-Verschiebungssensors zu untersuchen, wurde ein Temperaturkompensationstestsystem für den Verschiebungssensor gebaut, wie in Abb. 12 dargestellt. Der Sensor wurde in die Temperaturkontrollbox MQ-TH1000F-2N von Tianjin Zhongke eingesetzt Meiqi Technology Co., Ltd. (Messbereich: − 70 bis 170 °C, Genauigkeit: 0,01 °C) und die Ausgangsspannung des Sensors wurde vom oberen Computer in Echtzeit erfasst.

Schematische Darstellung des experimentellen Temperaturtestsystems ((a,b) wurden mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) erstellt).

Um den Anpassungskoeffizienten der Temperaturkalibrierungsgleichung zu bestimmen, wurde zunächst die Temperatur der Temperierbox von −20 auf 60 °C erhöht. Alle 10 °C gab es einen Gradienten und jedes Mal wurde die Temperatur 15 Minuten lang aufrechterhalten. Nachdem der Temperaturanzeigewert in der Box stabil war, wurden die von der Temperaturkontrollbox angezeigte Temperatur und die Ausgangsspannungsdrift des Sensors aufgezeichnet. Sechs Datengruppen wurden wiederholt gemessen, und die Kurve der Leistungsänderung mit der Temperatur ist in Abb. 13a dargestellt. Da die Temperaturdriftdaten schwankten, wurde der Durchschnittswert von sechs Gruppen gemessener Daten genommen und die Temperaturdriftdaten des Sensors mit der Methode der kleinsten Quadrate linear angepasst und die Ausgangsspannungsgleichungen der Temperaturdrift bei verschiedenen Temperaturen erhalten. Die Anpassungsgleichung lautet wie folgt:

Vergleich der Ausgangsspannung des Sensors vor und nach der Temperaturkompensation ((a,b) wurden von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) erstellt).

Die Temperaturkalibrierungsgleichung wurde in das MCU-Programm eingegeben und korrigierte die Ausgangsspannung des Sensors, um eine Temperaturkompensation zu realisieren. Durch Wiederholen des obigen experimentellen Ablaufs wurden die Ausgangsspannungskurven vor und nach der Temperaturkompensation erhalten, wie in Abb. 13b dargestellt.

Wie aus Abb. 13b ersichtlich ist, verlangsamte sich nach der Temperaturkompensation die Ausgangsspannung des Wegsensors mit der Temperatur und der Ausgangsbereichsfehler verringerte sich von 135 auf 19 mV. Die Temperaturdrift wurde teilweise verbessert. Der maximale Temperaturdriftfehler wurde von 3,6 auf 0,7 % reduziert, was darauf hindeutet, dass das Temperaturkompensationsmodell des Sensors rational war und für eine effektive Temperaturkompensation verwendet werden konnte.

Zweitens: Da die Umgebungstemperatur der Isolationsschicht, in der sich das Isolationslager befindet, das ganze Jahr über zwischen 0 und 20 °C liegt, muss die Temperatur des Sensors zur weiteren Überprüfung der langfristigen Temperaturstabilität des Sensors in diesem Bereich erhöht werden Die Temperaturkontrollbox wurde von 0 auf 20 °C erhöht, und alle 5 °C ist ein Gradient, der jeweils 10 Stunden lang beibehalten wird. Nachdem die Temperaturanzeige in der Box stabil ist, wird der Spannungswert alle 1 Stunde aufgezeichnet. Die Versuchsdauer beträgt ca. 50 Stunden. Der Ausgangsspannungsverlauf des Sensors ist in Abb. 14 dargestellt.

Sensorausgangsspannungskurve in verschiedenen Temperaturbereichen (Die Abbildung wurde von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) erstellt).

Wie aus Abb. 14 ersichtlich ist, schwankt die Ausgangsspannung des Sensors im Temperaturbereich von 0–20 °C leicht. Nimmt man den Abtastwert des Temperaturpunkts bei 23 °C als Referenzpunkt, beträgt der maximale Temperaturdriftfehler nur 0,4 %, was darauf hinweist, dass der Sensor bei langfristig konstanter Temperatur eine gute Stabilität aufweist.

Um die statische Leistung verschiedener Wegsensoren zu vergleichen, wird das Vergleichsexperiment mit dem Positionswandler KTC-160 mm von Hermitt durchgeführt. Anschließend wird ein statisches Kalibriersystem für den Verschiebungssensor mit einem Messbereich von – 900 bis 900 mm und einer Genauigkeit von 0,5 mm unter Verwendung des TD8411-Oberflächenmagnetverteilungstesters mit rotierender Plattform, hergestellt von Tianheng Measurement and Control Company, aufgebaut das Digitalmultimeter 34410A und das Gleichstromnetzteil U8002A von Agilent Company. Das Systemblockdiagramm und das physikalische Diagramm sind jeweils in Abb. 15 dargestellt.

Statisches Kalibrierungssystem des Verschiebungssensors ((a,b,c)wurden von Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Befestigen Sie das Klemmende der 3D-Verschiebungsladeplattform mit der Messführungsstange sowohl des 3D-Verschiebungssensors als auch des Positionswandlers, drehen Sie dann den Verschiebungseinstellknopf in einer Schrittgröße von 10 mm in X-Richtung und ziehen Sie an der Skala von 0 mm auf volle 160 mm der Reihe nach entsprechend dem positiven Hub; Halten Sie an jedem Verschiebungspunkt 3–5 s lang an, bis die Ausgangsspannung stabil ist, und zeichnen Sie dann die Spannungsdaten zu diesem Zeitpunkt auf. Reduzieren Sie nach der Aufnahme die Verschiebung im Rückwärtshub von 160 auf 0 mm. Der gesamte Prozess sollte kontinuierlich dreimal getestet werden. Abb. 16 zeigt den Ausgangsspannungswert, der jedem Verschiebungspunkt in den dreimaligen Experimenten entspricht.

Zeitverlaufsdiagramm von 3 Verschiebungstests ((a,b) wurden von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) erstellt).

Der arithmetische Mittelwert der sechs Datengruppen in Abb. 16 wurde ermittelt und die Daten wurden nach der Methode der kleinsten Quadrate in eine gerade Linie eingepasst. Die Ergebnisse sind in Abb. 17 dargestellt.

Die lineare Anpassungslinie des Ausgangsspannungswerts und der Verschiebung ((a,b) wurde von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) generiert.

Aus der Anpassungslinie ist ersichtlich, dass bei einem Messbereich von 160 mm die Verschiebungsempfindlichkeit des 3D-Wegsensors 16,29 mV/mm beträgt, der lineare Korrelationskoeffizient 0,9999 beträgt, die Linearität 0,36 % beträgt und der Hysteresefehler 0,45 % beträgt. und der Wiederholbarkeitsfehler beträgt 0,69 %. Die Gesamtgenauigkeit des Sensors kann mit der Quadratsummenwurzelmethode auf 0,9 % berechnet werden. Im Vergleich dazu hat der Positionswandler eine Verschiebungsempfindlichkeit von 14,13 mV/mm, einen linearen Korrelationskoeffizienten von 0,9999, eine Linearität von 0,8 %, einen Hysteresefehler von 0,37 % und einen Wiederholbarkeitsfehler von 0,27 % bei einer Gesamtgenauigkeit von 0,92 %.

Darüber hinaus zeigen die Testergebnisse, dass der 3D-Wegsensor eine um 15 % höhere Empfindlichkeit im Vergleich zum kommerziellen Positionsaufnehmer aufweist. Während die Linearität, der Hysteresefehler und der Wiederholbarkeitsfehler der beiden Wegsensoren ihre eigenen Vor- und Nachteile haben, ist die Gesamtgenauigkeit vergleichbar. Daher weist der 3D-Verschiebungssensor eine bessere Leistung bei der Verschiebungsmessung auf.

Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der statischen 3D-Verschiebungsmessung des Sensors weiter zu überprüfen, wurde eine 3D-Verschiebungstestplattform mit dem TD8411-Oberflächenmagnetverteilungstester mit rotierender Plattform umgebaut, wie in Abb. 18 dargestellt. Die Messführungsstange des 3D-Verschiebungssensors wurde befestigt Auf der 3D-Verschiebungsladeplattform verwenden Sie den Verschiebungsknopf auf der Plattform, um den Testpunkt in einem festen Abstand und in einer festen Richtung im Raum zu bewegen, wodurch der 3D-Verschiebungssensor angesteuert wird, um die Bewegung der Führungsstange in einem festen Abstand und in einer festen Richtung zu messen. Die Ausgangsspannung und der Winkel des Sensors wurden vom oberen Computer aufgezeichnet und die 3D-Streckverschiebung des Sensors ermittelt.

3D-Raumverschiebungstestplattform (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 generiert (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Die anfängliche feste Position des 3D-Verschiebungssensors wurde als Ursprung A (0, 0, 0), B (50, 50, − 10), C (50, 50, 0), D (100, 100, 0) festgelegt. und E (100, 100, 10) wurden im Raum voreingestellt. Bewegen Sie sich abwechselnd in einem festen Abstand und in einer festen Richtung von Punkt A zu Punkt E und bleiben Sie an jedem Punkt etwa 3 Sekunden lang. Das schematische Diagramm der Messpunktbewegung ist in Abb. 19 dargestellt.

Schematische Darstellung der Bewegung von Messpunkten (Die Abbildung wurde mit Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Die vom oberen Computer erfassten und aufgezeichneten Spannungs- und Winkelwerte wurden nach einer Formel berechnet und die entsprechende Verschiebung in X-, Y- und Z-Richtung ermittelt. Anschließend wurde die Datenwellenform von Origin geglättet und die 3D-Verschiebungswellenformkurve erhalten, wie in Abb. 20 dargestellt.

Variationskurve der Verschiebungen in X-, Y- und Z-Richtung (Die Abbildung wurde von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) erstellt).

Wie aus Abb. 20 ersichtlich ist, steigt oder fällt die Verdrängungsstufe beim Wechsel der Verdrängungsstufe mit Schwankungen, da die künstliche Drehung des Verdrängungseinstellknopfs während des Stufenwechsels keine konstante Geschwindigkeit aufrechterhalten kann. Daher ändert sich die Wellenform entsprechend der Rotationsamplitude und -frequenz des Verschiebungseinstellknopfs, was zu unregelmäßigen Wellenformänderungen führt, die auch die Änderung der Wellenform mit der tatsächlichen Position widerspiegeln. Wenn die Z-Richtungsverschiebung des B–C-Abschnitts abnimmt und die Z-Richtungsverschiebung des D–E-Abschnitts zunimmt, nehmen auch die X-Richtungsverschiebung und die Y-Richtungsverschiebung mit einer kleinen Amplitude zu und ab; Bei der Erhöhung der Verschiebung in X- und Y-Richtung des C-D-Abschnitts nimmt auch die Verschiebung in Z-Richtung leicht zu, da die Verbindung zwischen der Sensormessführungsstange und dem Klemmende der 3D-Verschiebungsladeplattform besteht instabil. Wenn es funktioniert, werden der feste Teil der Messführungsstange und die Lagerbasis durch die Kraft leicht verformt, was zu Fehlern bei der Messung der verbleibenden Komponentenverschiebungen führt.

Die Daten wurden erfasst, als der Sensor auf die Punkte A, B, C, D mit stabilem Status ausgedehnt wurde, und die den Punkten entsprechenden Koordinaten wurden subtrahiert, um die Verschiebungsmessfehler in X-, Y- und Z-Richtung zu erhalten, wie in Abb . 21.

Gemessene Verschiebungsfehler in X-, Y- und Z-Richtung (Die Abbildung wurde mit Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) generiert).

Wie aus Abb. 21 ersichtlich ist, betragen die Messfehler der Verschiebungsdaten in X-, Y- und Z-Richtung jeweils weniger als 2 mm. Der Messfehler kann durch eine unzureichende Fixierung zwischen der Messführungsstange und dem Klemmende der Verdrängerladeplattform verursacht werden. Bei der manuellen Verstellung des Verschiebeknopfes kam es zu einer Verformung zwischen der Verschiebeladeplattform und dem Sensor, die zu leichten Fehlern führte. Die experimentellen Ergebnisse haben gezeigt, dass der Sensor bei der Messung der statischen 3D-Verschiebung genau und zuverlässig war.

Wenn das seismisch isolierte Gebäude Erdschwingungen ausgesetzt ist, kommt es zu einer langsamen Übersetzung zwischen den seismischen Isolationslagern und dem damit verbundenen oberen Gebäude, und die grundlegende horizontale Eigenfrequenz liegt im Bereich von 0,2 bis 0,5 Hz. Um die dynamische 3D-Verschiebungsmessleistung des 3D-Verschiebungssensors in der Nähe des Frequenzbereichs zu überprüfen, wurde eine 3D-Elektromagnetschwingungstabelle mit sechs Freiheitsgraden des Hebei Provincial Key Laboratory of Earthquake Disaster Prevention and Risk Assessment, Disaster Prevention Technology College, verwendet um die dynamische Verschiebung der seismischen Isolationslager zu simulieren. Das dynamische 3D-Raumverschiebungstestsystem ist in Abb. 22 dargestellt. Der elektromagnetische 3D-Vibrationstisch mit sechs Freiheitsgraden bestand hauptsächlich aus einer Tischplatte, einer Basis, einem servoelektrischen Zylinder und einem Schaltschrank. Die Größe der Tischplatte betrug 1,5 × 1,5 m und die maximale Traglast betrug 2000 kg. Die maximale horizontale Beschleunigung des Tisches betrug ± 2 g, die maximale vertikale Beschleunigung betrug ± 1,5 g, der maximale Hub betrug ± 10 cm und die Arbeitsfrequenz betrug 0–60 Hz, was den dafür erforderlichen Verschiebungs- und Frequenzbereich erfüllen konnte Experiment.

Dynamisches 3D-Raumverschiebungstestsystem ((a,b) wurden von Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188) generiert).

Vor dem Experiment wurde der Vibrationstisch an einer festen Stelle angehoben und mit einem Gegengewicht aus Blei versehen, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Die Höhe der Sensorbefestigungshalterung wurde angepasst und die Messführungsstange des Verschiebungssensors zwischen der Halterung und der Tischplatte befestigt. Der Schaltkreis des Sensors und des Vibrationstisches wurde überprüft, um den Einfluss menschlicher Fehler und anderer Faktoren auf den normalen Betrieb des Systems auszuschließen. Der Versuchsablauf war wie folgt: Einstellen des oberen Computers am Steuerende des Vibrationstisches, damit der Tisch sinusförmige Anregungssignale mit einer Verschiebungsamplitude von 10 mm ausgibt, wenn nur in X- und Y-Richtung und in X- und Y-Richtung zusammen. Der Frequenzbereich betrug 0,1–5 Hz. Dabei wurde 0,1 Hz als Schrittgröße zwischen 0,1 und 1 Hz und 1 Hz als Schrittgröße zwischen 1 und 5 Hz verwendet. Dann wurde die Sinusverschiebungsamplitude auf 50 mm eingestellt, der Frequenzbereich betrug 0,1–1,7 Hz und das Experiment wurde mit 0,1 Hz als Schrittgröße wiederholt. Abbildung 23 ist eine Vergleichskurve zwischen den Verschiebungsdaten des Verschiebungssensors und der Standard-Sinuskurve bei einer Frequenz von 0,9 Hz und einer Verschiebungsamplitude von 10 mm. Der maximale Spitzenwert der Ausgangsverschiebung des Verschiebungssensors in jedem Frequenzbereich wurde ausgewählt, um einen Unterschied zum gemessenen Wert zu machen, und der Messfehler an jedem Frequenztestpunkt betrug, wenn die Amplitude des Verschiebungssensors 10 mm und 50 mm betrug erhalten, wie in Abb. 24 dargestellt.

Vergleich der gemessenen Verschiebung und der Standardverschiebung mit einer gemessenen Frequenz von 0,9 Hz und einer Verschiebung von 10 mm ((a,b,c,d) wurden von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) generiert).

Spitzenmessfehler des Sensors bei verschiedenen Frequenzen ((a,b) wurden von Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016) generiert).

Wie aus den Abb. ersichtlich ist. 23 und 24 konnte aufgrund der Leistungsbeschränkung des Vibrationstisches die Verschiebungsamplitude in der Anfangs- und Endphase nicht das eingestellte Ziel erreichen, und die vom Sensor in anderen Verschiebungsstufen gemessenen sinusförmigen Verschiebungsdaten stimmten im Wesentlichen mit der Standard-Sinuskurve überein Welle. Wenn die Amplitude der sinusförmigen Verschiebung 10 mm betrug, hatte der Messfehler, der durch die Einzelwirkung und die gemeinsame Wirkung der X- und Y-Richtungen verursacht wurde, bei Änderung der Frequenz einen kleinen Änderungsbereich, der zwischen ± 0,23 mm lag. Der relative Fehler betrug 2,5 %. Wenn die Amplitude der sinusförmigen Verschiebung jedoch 50 mm betrug, schwankte der durch die einzelne Aktion und die gemeinsame Aktion in X- und Y-Richtung verursachte Messfehler stark und lag jeweils zwischen 1,5 mm. Der relative Fehler betrug 3 % und war damit kleiner als bei der Messung der Verschiebungsamplitude von 10 mm, was darauf hinweist, dass der Sensor über eine gute Leistung bei der Messung dynamischer Verschiebungen verfügt.

In dieser Arbeit wurde ein hochempfindlicher drehbarer 3D-Verschiebungssensor vorgeschlagen. Der Auslegerbalken und die gleichstarke mechanische Struktur des Sensors wurden speziell entwickelt, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Sensors zu verbessern und gleichzeitig eine 3D-Verschiebungsmessung zu ermöglichen. Durch die Kombination von Simulationsanalyse und experimenteller Verifizierung wurden der optimale Design- und Leistungstest des entworfenen Sensors durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Messbereich des Sensors 160 mm beträgt, die Empfindlichkeit etwa 16,29 mV/mm beträgt, die Genauigkeit 0,9 % erreichen kann und die statischen und dynamischen 3D-Verschiebungsmessfehler weniger als 2 mm betragen. Im Vergleich zu anderen Arten von Verschiebungssensoren, die bei der Zustandsüberwachung von seismischen Isolationslagern verwendet werden, weist der in diesem Artikel entworfene Auslegerbalken gleicher Stärke des in diesem Artikel entwickelten Sensors eine Kreuzbalken-Durchgangslochkonstruktion auf, die die Biegebelastung der Balkenoberfläche erhöht die Empfindlichkeit verbessern; Nach dem Hinzufügen eines Gyroskops und mechanischer rotierender Strukturen kann ein Sensor verwendet werden, um die dreidimensionale Verschiebung des Isolationslagers zu messen und gleichzeitig den negativen Einfluss des Verschiebungsübertragungsmechanismus auf die Messgenauigkeit zu reduzieren. Es bietet die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, einer hohen Messgenauigkeit und einer starken Anwendbarkeit. Allerdings gibt es in gewissem Umfang noch viel Raum für Verbesserungen. Tatsächlich ist die Arbeitsumgebung des Isolationslagers im Allgemeinen dunkel und feucht. Wenn der Sensor längere Zeit in diesem Zustand arbeitet, wird die Leistung des Sensors beeinträchtigt, da die internen mechanischen und elektronischen Komponenten des Sensors ausfallen können dieser Zustand. Daher kann das ursprüngliche Schema weiter verbessert werden, sodass der Sensor so schnell wie möglich für die Gesundheitsüberwachungsstudie seismischer Isolationslager in Brücken, Hochhäusern, Wasserschutz und anderen technischen Bereichen eingesetzt werden kann.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch die offenen Mittel des Hebei Key Laboratory of Seismic Disaster Instruments and Monitoring Technology (Fördernummer FZ224105) unterstützt, der zweiten Reihe neuer technischer Forschungs- und Praxisprojekte des Bildungsministeriums (Fördernummer E-SXWLHXLX20202607). Grundlagenforschungsfonds für die Zentraluniversitäten (Grant-Nr. ZY20215101).

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Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao und Yan Shi

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Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao und Yan Shi

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Korrespondenz mit Jianxian Cai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cai, J., Jiang, T., Gao, Z. et al. Ein hochempfindlicher drehbarer 3D-Wegsensor. Sci Rep 13, 5086 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32178-3

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Eingegangen: 31. Oktober 2022

Angenommen: 23. März 2023

Veröffentlicht: 29. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32178-3

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