结构健康监测

结构健康监测

目

录

•1概念

•2过程

•3理想的结构健康监测方法

•4工作流程图

•5研究内容

概念

结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）是一种技术，是智能材料结构在实际工程中的一种很重要的应用。结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以在线监测结构的“健康”状态。它采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系统，能感知和预报结构内部缺陷和损伤。结构整体与局部的变形、腐蚀、支撑失效等一系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个结构系统恢复到最佳工作状态。系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险时能自我保护，并继续生存下去。过程

结构健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。

理想的结构健康监测方法

理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。

工作流程图

研究内容

结构健康监测系统在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。结构健康监测的技术有如下优点：（1）实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。

（2）依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。

（3）可以及时的和最新技术相结合。

（4）大多数具有自修复功能。

（5）自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。

近年来，随着材料和结构损伤特征信号处理技术研究的进展，传感/驱动技术研究的深入，监测系统越来越多地应用于实际的工程实践中，比如先进战斗机和超期服役飞机的健康监控、航天器及空间站的健康监测和民用结构的在线监测。

结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术和集成技术。

1）传感技术

在结构健康监测系统中，需要监测的对象主要有应力、应变、声发射、位移、压力、温度、结构损伤等多种参数，而最常用的传感器有：光纤传感器、压电元件和应变元件。光纤传感器有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高，设备也比较复杂，应用范围可以从民用结构到航空航天结构。压电元件既可以作为传感器也可以用作驱动器，灵敏度高，动态性能好，应用也比较广泛，但它有脆性大、不易埋入结构中，低频特性等缺点。应变元件具有灵敏度较高、静态性能好和性能稳定等特点。上述传感器不仅应该满足相应测量点的要求，而且应该能够组成一种经济可靠的分布式传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。

2）信号的采集与处理

信号的采集与处理系统可以说是结构健康监测的一个重要部分，目前国内外都在大力开发相应的软件。从传感器采集的信号包含很多信息，通常情况下，由于外界环境噪声的影响及复合材料的复杂特性等原因，使得损伤特征信号的分析和提取异常困难，因此选择合适的信号处理方法就显得尤为重要。

从数学意义上来说，结构健康监测是一个非线性的反问题。在实际中采用模型分析、系统识别、人工神经网络、遗传算法、优化计算等信号处理方法在结构健康监控上已经取得了不少成果。然而大部分的研究是建立在结构简化以及可控制的实验室环境下完成的。因此，无论从实际结构获得测试数据还是对实际结构的理论分析，都要依靠大量历史数据来实现健康监测，仍然都有很多工作要做。

3）系统集成

系统集成包括软件和硬件两部分。在硬件集成上，将传感器及驱动器集成入主体结构会影响主体结构的机械性能，也会影响传感器件的本身性能，从而影响到传感信号的准确性和真实性，这些影响必须减到最小。考虑到结构健康监测在实际的应用中传感点数目一般都是巨大的，所以要求硬件上尽可能的集成化和小型化。

软件上，需要有集成的软件做信号分析和监测判断，这就要求编出可操作性很强的人机交互软件。并且很多的信号处理工作在硬件端的实现比较困难，有时就可以利用软件的方法，来代替硬件处理。这样的好处是节省费用，解决问题实践较短。

结构健康监测具有众多的优势弥补传统监测技术上的缺陷：能够实时监测和预报，节约了损伤探测与维护费用；客观的历史纪录数据减少了人力干扰，从而减少了人为误差和停工时间；自动化测量，保障了测量的可靠性；停工减少和可靠性增加，保障了工程结构高的运营效率，大大降低了运营费用。

正因为结构健康监测具有上述优点，所以该技术被应用于航空航天、船舶工业、民用建筑等诸多领域。例如：

（1）先进战斗机和超期服役飞机的健康监控。目前，超期服役飞机在机群中占有一定的比例，状况令人担忧，飞机的定检及常规检测需要花费很多时间及费用，而使用在线监测系统则有效避免了飞机结构损伤造成的不安全因素，节省了大量的时间、人力及财力。

（2）航天器及空间站的健康监测。航天器在探索宇宙奥秘中发挥着重要的作用，是通往宇宙的桥梁。在它们的帮助下，我们了解了许许多多关于宇宙的奥秘，也了解了我们

人类本身的生存环境。但常规的监测需要极高的费用，采用实时在线的健康监测技术可以有效的降低损伤的监测成本。

（3）民用结构的在线监测。在民用结构中，采用在线监测的方法可以代替常规检测方法，提高检测效率和降低成本，可广泛应用于桥梁、铁路和房屋建筑等各个领域。

从上面的论述可以看出，结构健康监测在实际中有着非常广泛的应用。

参考资料：

1.

结构健康监测系统的无线传感网络及其应用技术开发

词条标签：