機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)-2

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)摘要：摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)一些重要機(jī)械結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、提前預(yù)警，以減少災(zāi)害的損失越來(lái)越成為人們關(guān)注的問(wèn)題。如何本文簡(jiǎn)單介紹了機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一些基本概念及其系統(tǒng)的組成，并對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)綜述，特別對(duì)智能信息處理技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與損傷診斷領(lǐng)域取得的研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集與傳輸；損傷識(shí)別；信息處理1機(jī)械結(jié)構(gòu)

2、健康監(jiān)測(cè)概述機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)概述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)采用智能材料結(jié)構(gòu)的新概念，利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感驅(qū)動(dòng)元件，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息，（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)模態(tài)、波傳播特性等），結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)信息處理方法和材料結(jié)構(gòu)力學(xué)建模方法，提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)（包括損傷），并對(duì)結(jié)構(gòu)的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隱患或控制安全隱患的進(jìn)一步發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康自診斷、自修復(fù)，保證結(jié)構(gòu)的安全和降低維修費(fèi)用

3、。一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包含2種功能：一是對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能；二是對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自適應(yīng)控制功能。對(duì)僅有監(jiān)測(cè)功能而沒(méi)有主動(dòng)控制功能的系統(tǒng)一般稱(chēng)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(StructuralHealthMoniting簡(jiǎn)稱(chēng)SHM)系統(tǒng)。SHM指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。健康監(jiān)測(cè)的過(guò)程包括:通過(guò)一系列傳感器得到系統(tǒng)定時(shí)取樣的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量值，從這些測(cè)量值中抽取對(duì)損傷敏感的特征因子，并對(duì)這

4、些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。對(duì)于長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的完成預(yù)期功能變化的適時(shí)信息。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)健康的在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查與損傷探測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程中心自動(dòng)地報(bào)告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。它與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(NondestructiveEvaluation，簡(jiǎn)稱(chēng)NDE)不同通常NDE技術(shù)運(yùn)用直接測(cè)量確定結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)，無(wú)需歷

5、史記錄數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果很大程度取決于測(cè)量設(shè)備的分辨率和精度。而SHM技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)在同一位置上不同時(shí)間的測(cè)量結(jié)果的變化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此歷史數(shù)據(jù)至關(guān)重要。識(shí)別的精度強(qiáng)烈依賴(lài)于傳感器和解評(píng)估和預(yù)測(cè)未來(lái)的健康狀態(tài)，包括剩余壽命預(yù)測(cè)等。7）決策推理子系統(tǒng)：決策推理子系統(tǒng)接受來(lái)自狀態(tài)評(píng)估和預(yù)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，主要作用是給出所建議的活動(dòng)和可選方案。8）接口：主要包括人機(jī)接口和機(jī)機(jī)接口。人機(jī)接口包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的警告信息顯示以及健康評(píng)估、預(yù)測(cè)等模塊

6、的數(shù)據(jù)信息的表示等；機(jī)機(jī)接口使得上述各模塊之間以及SHM系統(tǒng)同其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行傳遞。3機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)性能將發(fā)生改變，如材料形狀的變化、幾何屬性的變化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系的變化等。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是要利用測(cè)試儀器瞬時(shí)地獲得能表征這些改變的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)刻和損傷位置，分析損傷程度，從而正確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此一個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)劣主要由以下3

7、個(gè)因素決定：1）傳感器的靈敏性和精度，以及數(shù)據(jù)傳輸和采集設(shè)備的性能。高質(zhì)量的儀器設(shè)備能減少測(cè)量誤差，提高監(jiān)測(cè)效率；2）測(cè)點(diǎn)的空間分布，即傳感器的最優(yōu)布置問(wèn)題。測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)使獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)盡量包含更多的結(jié)構(gòu)整體和局部的信息，且這些測(cè)點(diǎn)信息對(duì)于損傷應(yīng)是足夠敏感的，即具有較小的信息墑。實(shí)際工程中，傳感器數(shù)量受經(jīng)濟(jì)性限制不可能太多，因此優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置具有重要意義；3）測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)不僅包含著大量的結(jié)構(gòu)信息，還有很多測(cè)量噪聲。而盡

8、量克服噪聲的干擾，從測(cè)試數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地捕捉出能反應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷的特征信息是關(guān)鍵的一步。其中第1點(diǎn)為硬件條件，第2、第3點(diǎn)為軟件條件。從目前的發(fā)展來(lái)看，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)施越來(lái)越先進(jìn)，高性能的智能傳感元件和信號(hào)采集裝備越來(lái)越多地在工程中得到應(yīng)用。最近發(fā)展起來(lái)的智能感知材料與傳感元件如光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變計(jì)、疲勞壽命計(jì)、壓電材料、碳纖維、半導(dǎo)體材料和形狀記憶合金等被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。這些感知材料和傳感元件使結(jié)構(gòu)具有感知特性，能更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)