机械结构健康监测关键技术-1

机械结构健康监测关键技术

在线监测：通过装在生产线和设备上的各类监测仪表，对生产及设备的温度信号进行连续自动监测并上传至终端接收端，称在线监测。

系统组成：

1）信号变送：由相应的传感器从电气设备上检测出那些反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号，传送到后续单元。

2) 信号处理：对传感器变送来的信号进行预处理，对干扰信号进行抑制。

3) 数据采集：对经过处理的信号进行采集、A/D转换和记录。

4) 信号传输：将采集到的信号传送到后续单元。

5) 数据处理：对所采集到的数据进行处理和分析。

6) 故障诊断：对历史数据和当前数据分析、比较后诊断。

机械结构在线监测信号变送主要传感器类别：

1. 光纤传感器：

原理：利用光纤对某些特定物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。

优点：抗干扰，灵敏度高。

2．MEMS微机械压力传感器：

原理：微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器的精度可达0.05%～0.01%,年稳定性达0.1%/F.S,温度误差为0.0002%,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。

优点：可靠性，造价低

3．GPS

原理：利用卫星播发无线电波信号，在地球表面某一监测站接收卫星信号的多普勒频移来确定地球表面监测站的位置。

优点：直观。缺点：精度只能到达厘米

4. 无线传感

原理：有线传输系统造价高，信号易受环境干扰。而无线通信网络的灵活性在于减轻系统对中心数据采集单元系统功能协调性的依赖

远程监测：设备远程监测的原理是:用户连接到网络上,通过远程访问的客户程序发送客户身份验证信息和与远程主机连接的要求,远程主机的服务器端程序验证客户身份,如果验证通过,就与客户建立连接,并向用户发

送验证通过和已建立连接的信息。这时,用户便可以通过客户端程序监控或向远程主机发送要执行的指令,而服务器端程序则执行这些指令,然后把执行的结果传递给客户端,并在客户端按一定规则显示出来。远程控制软件一般为C/S模式,即客户/服务器模式。这种模式包含2个部分:一个客户端程序,一个服务器端程序。使用前需要将客户端程序安装到主控端计算机上,将服务器程序安装到被控端计算机上。

系统的硬件构成：通过传感系统将被测设备运行状态转换成电量,信号调理单元将转换的电信号进行适当的处理(诸如放大、调制、滤波等),直到便于计算机数据采集和处理,服务器通过Internet将信息传输到网上,

并传输到远程监测端,监测端根据此信息可以对检测数据进行分析和监测,并判断和了解远程设备的工作状态。

损伤识别技术：

基于振动的机构损伤识别方法：结构损伤识别作为结构状态评估的重要组成部分，是今年来健康监测方向的研究热点之一，出现了如基于频率，位移模态，应变模态，曲率模态，应变能，刚度，柔度，能量法，频响函数等一系列损伤识别方法

模型修正法：这类方法主要基于运动方程，测试结果和有限元模型构造约束化问题不断修正刚度，质量和阻尼分布，使其响应尽可能接近实际响应。结构模型修正能为健康监测提供基准模型，同时也为测试结果的反演进行结构损伤识别和性能模拟提供了很好的基础。

状态评估：主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络、以及专家系统等。

1、结构可靠度理论：在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。工程结构设计的目的,就是力求最佳的经济效益,将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。

2、所谓层次分析法，是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。

层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后得用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。这里所谓“优先权重”是一种相对的量度，它表明各备择方案在某一特点的评价准则或子目标，标下优越程度的相对量度，以及各子目标对上一层目标而言重要程度的相对量度。层次分析法比较适合于具有分层交错评价指标的目标系统，而且目标值又难于定量描述的决策问题。其用法是构造判断矩阵，求出其最大特征值。及其所对应的特征向量W，归一化后，即为某一层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值。

3、模糊理论，是指用到了模糊集合的基本概念或连续隶属度函数的理论。它可分类为模糊数学，模糊系统，不确定性和信息，模糊决策，模糊逻辑与人工智能这五个分支，它们并不是完全独立的，它们之间有紧密的联系。例如，模糊控制就会用到模糊数学和模糊逻辑中的概念。从实际应用的观点来看，模糊理论的应用大部分集中在模糊系统上，尤其集中在模糊控制上。也有一些模糊专家系统应用于医疗诊断和决策支持。由于模糊理论从理论和实践的角度看仍然是新生事物，所以我们期望，随着模糊领域的成熟，将