结构健康监测关键问题

影响结构健康监测系统的关键因素分析

摘要：目前已建成运营和在建的健康监测系统很多，如何评价一个健康监测系统的优劣成为一个重要的课题。本文介绍了影响健康监测系统的三个关键因素:仪器设备的性能和精度，传感器的优化布置方法和数据的分析处理方法，特别对传感器的优化布置方法做了详细列举和简单比较。

关键词：结构健康监测；传感器灵敏度；传感器优化布置；数据分析处理

Analysis of the key factors of the structural health

monitoring system

Abstract: As the economic and technological development, there have been many completed and on-going structural health monitoring system . How to evaluate the advantages and disadvantages of a health monitoring system became an important issue. This article describes the three key factors affecting health monitoring system: equipment performance and accuracy,optimal sensor placement method and data analysis and processing methods.On optimal sensor placement methods had made detailed and simple comparison.

Key words：SHM;Sensor sensitivity;Optimal sensor placement method; Data analysis and processing;

1. 引言

结构健康监测( Structural Health Monitoring，SHM)是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。目前已建成运营和在建的健康监测系统很多，如何评价一个健康监测系统的优劣成为一个重要的课题。

一个健康监测系统的优劣主要由以下3个因素决定:

（1）传感器的灵敏性和精度，以及数据传输和采集设备的性能。高质量的仪器设备能减少测量误差，提高监测效率;

（2）测点的空间分布，即传感器的最优布置问题。测点布置应使获得的测试数据尽量包含更多的结构整体和局部的信息，目这些测点信息对于损伤应是足够敏感的，即具有较小的信息墒。实际工程中，传感器数量受经济性限制不可能太多，因此优化测点布置具有重要意义;

（3）测试数据的分析处理，现场采集的数据不仅包含着大量的结构信息，还有很多测量噪声。而尽量克服噪声的干扰，从测试数据中准确地捕捉出能反应结构损伤的特征信息是关键的一步。

其中仪器设备是硬件条件，测点的空间布置和测试数据的分析处理为软件条件。

2. 健康监测系统的仪器设备

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。从近些年的发展来看，用于结构健康监测的硬件设施越来越先进，高性能的智能传感器元件和信号采集装备越来越多地在工程中得到应用。最近发展起来的智能感知材料与传感元件如光导纤维、电阻应变计、疲劳寿命计、压电材料、炭纤维、半导体材料和形状记忆合金等被应用到结构健康监测中。这些感知材料和传感元件使结构具有感知特性，能更好地实现结构的实时监测与安全预警的功能。同时，无线传感器网络与互联网先进通讯技术的发展为结构健康监测信号的传输提供了有效乎段，结合高性能的计算机工作站，对现场采集的实时数据进行存储、调用、在线分析成为可能。从多次国际健康监测和损伤识别会议的成果来看，当前的传感器技术己经达到较高的水平，在结构健康监测系统中传感器信息的获取己经不再是一个至关重要的问题，但在有限的成本下传感器的合理选择仍是健康监测系统设计的重要问题，依然会对整个系统的优劣产生重要影响。

3.传感器的优化布置

传感器的优化布置决定了能否获得大型结构的整体信息和局部信息，也决定了测试数据对结构损伤变化的敏感性。如何安排有限数量的传感器实现对结构状态改变信息的最优采集，是大型结构健康监测的关键技术之一。较早研究传感器的最优布置问题是在航天领域和大型机械结构的动态控制和系统识别中。以下是较有影响的几种传感器布置方法的介绍：

3.3.模态动能法

模态动能法是传感器布置理论发展中的第一个较理性的量化方法，它发展了传统的依赖测试工程师挑选结构振幅较大的位置布置传感器的经验法，通过比较选择待选测点中模态动能较大的位置布置传感器。模态动能法考虑了结构各待选传感器位置对目标模态的动力贡献，粗略地计算在相应位置可能的最大模态响应。其优点在于可能通过选择模态动能较大的点提高结构动态响应信号测量时的信噪比，这对于结构健康监测中环境噪音较大的情况较为合适。因此，模态动能法一般用于在较复杂的测点布置中初选传感器位置。

3.2.特征向量乘积法和模态分量加和法

与模态动能法相似，特征向量乘积法计算模态矩阵行向量绝对值的积，而模态分量加和法则计算模态矩阵奋各行绝对值的和。此处，特征向量即是结构的各阶模态，由于应用领域的不同和历史的原因而有不同的称谓，如同模态与振型一样，下文中不做区别加以应用。