健康监测技术

健康监测技术姓名：林煜峰学号：10231150班级：土木1006指导教师：卢文良单位：北京交通大学土建学院土木1006林煜峰2目录第一部分前言.....................................................3第二部分专论.....................................................4第三部分结构监测领域技术国内外发展情况....6第四部分工程实例.............................................9土木1006林煜峰3第一部分：前言重大土木工程结构，如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等，在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题，与人民的生命财产息息相关，已经引起人们的广泛关注。上述重要结构在经历了极端灾害性事件后，立即对他们的健康状况做出评估是非常必要的，实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，合理疏散居民，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。因此，结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。土木1006林煜峰4第二部分：专论一．开展结构健康监测工作的意义1.1结构健康监测的定义和内涵结构健康监测(StructuralHealthMonitoring，SHM)定义为：一种从营运状态的结构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)的有效方法。它结合了无损检测(NDT)和结构特性分析(包括结构响应)，目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，评估损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。总的来说，结构健康监测的基本内涵即是通过对结构结构状态的监控与评估，当出现严重异常状态时触发预警信号，为结构维护、维修与管理决策提供依据和指导。百度百科：结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构目前的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能1.2起源长期以来，我们一直使用针对质量的不连续的方法来评估结构是否有能力继续服役以实现设计目的。从19世纪初开始，列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤[2]。在旋转机械行业，几十年来振动监测一直作为检测手段[1]。在过去的十到十五年里，结构健康监测技术开始兴起并产生一个联合不同工程学科分支的新的领域，而且专注于这个领域的学术会议和科学期刊开始产生[2]。因此这些技术变得更为常见。1.3结构健康监测的理论基础经过20年的发展，可以说本领域已经成熟到一个阶段，很多基本的理论和原理已经成型[5]。这些原理如下：公理1：所有的材料都有内在损伤；公理2：损伤的评估需要体系两种状态的对比；公理3：可通过无参照研究来判定损伤是否存在和定位损伤，但是判定损伤类型和损伤程度需要有参照研究模式；公理4a：单靠传感器不能测定损伤，数据处理的特征提取和统计分类才能将传感器获取数据转换为损伤信息；公理4b：在缺乏智能特征提取手段时，测试方法对损伤越敏感，则操作和环境因素对测试结果影响越大；公理5：损伤的开始和发展的长度和时间尺度提供结构健康监测传感系统需要的特征；公理6：在算法对损伤的敏感度和抗噪声干扰的能力有一个平衡点；土木1006林煜峰5公理7：可通过体系动力响应变化测得的损伤尺寸与可激励的频率范围大小成反比；1.4对设计和研究的推动意义与传统的检测技术不同，结构健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。然而，结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于大型或复杂结构的力学和结构特点以及多变的实际环境，在设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提，这些往往与实际的真实条件不全相符．因此，通过健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证理论模型、计算假定具有重要意义。健康监测信息反馈于结构设计的更深远意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进。并且，对结构在各种使用条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现“虚拟设计”的基础。还应看到，健康监测带来的将不仅是监测系统和对某特定结构设计的反思，它还可能并应该成为结构研究的“现场实验室”。同时，结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场试验与调查。健康监测为结构工程中的未知问题和超限结构的研究提供了新的契机。结构健康监测不只是传统的检测加结构评估技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。二、结构健康监测系统的基本描述典型的结构健康监测评估系统分为三个阶段：一、监测阶段；二、诊断阶段；三、状态评估阶段。完成这样一个系统需要多学科技术人员的密切合作。目前第一阶段“监测”技术日趋成熟；第二阶段“诊断”是目前国内外研究的热点，该阶段需要通过有对实际工程有相当多的经验才能完成；而第三阶段“状态评估阶段”尚处于研究和发展之中。三、健康检测概述结构健康监测技术研究的目的就是通过结构中的传感器网络来实时获取结构对环境激励(人为的或自然的)的响应，并从中提取结构的损伤和老化信息，为结构的使用和维护工作提供参考，因而可降低维护费用，预报灾难性事件的发生，将损失降低至最小。对于结构健康监测的关键，就技术上而言，主要是先进传感器的优化布设和信息的高效传输；就理论上而言，主要是结构识别理论和状态评估理论的发展。因此，健康检测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致结构工程安全监控、减灾防灾领域的一场革命。可见，结构健康监测是一门综合性技术，涉及到结构动力学、信息技术(如信号的传输、处理、存贮与管理)、传感器技术、优化设计等多个学科。一般，健康监测系统应包括以下几个部分:(1)传感系统。由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成，用于将待测物理量转变为电信号。土木1006林煜峰6(2)信号采集与处理系统。一般安装于待测结构中，实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来。(3)通信系统。将处理过的数据传输到监控中心。(4)监控中心和报警设施。利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。传感器监测到的实时信号，经过采集与处理，由通信系统传送到监控中心进行分析，判断损伤的发生、位置、程度，从而对结构的健康状况作出评估。如发现异常，发出报警信息。一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控:①结构的固定模态及其相对应的结构阻尼;②桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态;③桥梁在突发事件(如强烈地震、意外大风或其他严重事故等)之后的损伤情况;④桥梁结构构件的真实疲劳状况;⑤桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施的工作状态;⑥大桥所处的环境条件,如风速、温度、地面运动等。大型桥梁因其桥型、重要性、使用年限等因素的不同,其健康监测系统的预期目标也有所不同。国外从20世纪80年代中后期开始建立了各种规模的桥梁健康监测系统。我国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上安装了不同规模的健康检测系统。如在香港的青马桥、汲水门桥和汀久桥上安装了保证桥梁运营阶段安全的风和结构健康监测系统,可以监测作用在桥梁上的外部荷载(包括环境荷载、车辆荷载等)与桥梁的响应;在上海徐浦大桥上安装的带有研究性质的结构状态监测系统,其目的是为了获得大型桥梁健康检测的经验,监测内容包括车辆荷载、中跨主梁的标高和自振特性,以及跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力和振动水平;在江阴长江公路大桥上安装的健康监测系统,主要监测加劲梁的位移、吊索索力、锚跨主缆索股索力以及主缆、加劲梁、吊索的振动加速度等;在南京长江大桥上安装的健康监测系统,主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞击、墩位沉降,以及恒载几何线形、结构振动、支座位移等方面的监测。第三部分：结构监测领域技术国内外发展情况1.监测方法和设备传统的测量方法是用应变片来测量系统的运动情况和所受的应力。较常用的是电阻式应变片。但这类应变片由于其输出功率较小、对电噪声比较敏感，因此对后续的信号处理设备要求较高。近年来通过研究和实践表明，结构健康监测应用新出现的很有前途的信息传感技术主要有：光学传感器、微机电系统(MEMS)传感器、GPS和无线传感等。(1)光纤传感器光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接可测量的信号的技术。由于具备各种特有的优势，在经历多项实际监测项耳的考验和完善之后，光纤传感技术已经成为目前最成熟可靠的监测手段。光纤检浏法的优势：①抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；土木1006林煜峰7②重量轻、体积小、外形可变，对被测介质影响小；③具有极高的灵敏度和分辨率，便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络；④成本低。(2)微机电系统MEMS(微机电系统)的发展显示了巨大的生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。桥梁结构的工作环境相对恶劣，MEMS传感器可适应其工作特点。MEMS传感器在可靠性和造价方面有着较大的优势。监测系统常用传感器监测内容所用传感器荷载监测风速计、温度计、强震仪、摄像机几何监测位移计、倾角仪、GPS电子测距器、数字相机动、静力监测位移计、倾角仪、应变计、测力计、加速度计(3)GPS和无线传输GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤网络传输数据而进行运作。这4个系统分别是：①GPS测量系统；②信息收集系统；③信息处理和分析系统；④系统运作和控制系统。近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升。将此测量技术应用于直接量度结构整体或重点部位的三维位移，配合结构分析模型来模拟主要构件的内力状况，可增强结构健康监测和评估的可靠度，并预警结构有否潜在损坏的危机，提高养护维修工作的效率和效果。结构健康监测常用传输线把传感器的信号传到中心存储单元，有线传输系统的安装造价高、信号易受环境的干扰。为了解决其缺点，人们提出了无线传感系统。无线传感安装方便，可实现传感器之间直接通信。无线通信网络的灵活性在于减轻了系统对中心数据采集单元系统功能协调性的依赖。(4)声发射和超声-声发射系统声发射(AE)是从材料中的损伤源快速释放能量而产生的弹性应力波。这些弹性波可以监测到并转换成压电信号，这些由安装在材料表面的小的压电晶体传感器完成。传感器响应通过前后滤波器去除频率低于IOOKHz的可听得见的噪声。结果表明即使是周围的噪声水平很高使用声发射也能监控结构的活动损伤．声发射的损伤源包括断裂、塑性变形、冲击、磨擦、腐蚀膜层破坏及其他过程。超声-声发射(AU)是在具有声发射应用特征的频率范围内使用超声波方法．该技术能检测和描绘单层和多层金属、陶瓷和复合板材料结构的差异。也能对微观结构、金属厚度和厚的复合材料进行腐蚀及分布差异的检测。Au使用脉冲土木1006林煜峰8发生器和接收传感器以低超声范围内的共振频率，结合波传播动力学预测来检测损伤．超声波被表面和界面反射回来，由于散射和吸收衰减，在反射和播送中模式发生变化．这些结果主要依赖于波的频率、方向、初始模式和表面损伤的位置和方位．当结构发生损伤时，信号发生变化就表示损伤类型。通过计算信号中给定的损伤类型和度的平均变化，可以从AU测量值来估算损伤。