結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

1、 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 編輯詞條 目 錄 1 概念 2 過程 3 理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法 4 工作流程圖 5 研究內(nèi)容 概念 ? 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（ Structural Health Monitoring ，簡稱 SHM ）是一種技術(shù)，是智能材料結(jié)構(gòu)在實際工程中的一種很重要的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是一種仿生智能系統(tǒng)， 可以在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的 “健康 ”狀態(tài)。它采用埋入或表面粘貼的傳感器作為神經(jīng)系統(tǒng)，能感知 和預(yù)報結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和損傷。結(jié)構(gòu)整體與局部的變形、腐蝕、支撐失效等一系列的非健康 因素，是一種對材料或結(jié)構(gòu)進行無損評估的方法。當遇到突發(fā)事故或危險環(huán)境，系統(tǒng)可通 過調(diào)節(jié)與控制使整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恢復(fù)到最佳工作狀態(tài)

2、。系統(tǒng)還可通過自動改變和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的 形狀、位置、強度、剛度、阻尼或振動頻率使結(jié)構(gòu)在危險時能自我保護，并繼續(xù)生存下去。 過程 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的動力響應(yīng)測量值， 從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子進行統(tǒng)計分析 ，從而獲得 結(jié)構(gòu)當前的健康狀況。 理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法 理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法應(yīng)該能準確的在損傷發(fā)生的初期，發(fā)現(xiàn)損傷并能夠定位 及確定損傷的程度，進而提供結(jié)構(gòu)的安全性評估，并能預(yù)測損傷結(jié)構(gòu)的剩余壽命。 工作流程圖 研究內(nèi)容 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在國民生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛， 特別是在工程中， 有很多材料結(jié)構(gòu)需要及時的維護及監(jiān)測，用傳

3、統(tǒng)的監(jiān)測方法耗時、費力，并且費用昂貴，而運用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的技術(shù)就可以使這些缺點得到改進。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的技術(shù)有如下優(yōu)點： （1）實時在線地監(jiān)測及安全性評估，節(jié)省維護費用。 （2）依靠先進的測試系統(tǒng)，可減少勞動力和降低人工誤判。 （3）可以及時的和最新技術(shù)相結(jié)合。 （4）大多數(shù)具有自修復(fù)功能。 （5）自動化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。 近年來，隨著材料和結(jié)構(gòu)損傷特征 信號處理 技術(shù)研究的進展， 傳感 /驅(qū)動技術(shù)研究的深入，監(jiān)測系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于實際的工程實踐中，比如先進戰(zhàn)斗機和超期服役飛機的健 康監(jiān)控、航天器及 空間站的健康監(jiān)測和民用結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要研究內(nèi)容包括傳感技

4、術(shù)、信號處理技術(shù)和集成技術(shù)。 1）傳感技術(shù) 在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，需要監(jiān)測的對象主要有應(yīng)力、應(yīng)變、 聲發(fā)射 、位移、壓力、溫度、結(jié)構(gòu)損傷等多種參數(shù)，而最常用的傳感器有： 光纖傳感器 、壓電元件和應(yīng)變元件。 光纖傳感器有電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條件下工作等優(yōu)點，但成本較高，設(shè)備也比較復(fù)雜，應(yīng)用范圍可以從民用結(jié)構(gòu)到航空航天結(jié)構(gòu)。壓電元件既可以作為傳感器也可以用作驅(qū)動器，靈敏度高，動態(tài)性能好，應(yīng)用也比較廣泛，但它有脆性大、不易埋入結(jié)構(gòu) 中，低頻特性等缺點。應(yīng)變元件具有靈敏度較高、靜態(tài)性能好和性能穩(wěn)定等特點。上述傳感器不僅應(yīng)該滿足相應(yīng)測量點的要求，而且應(yīng)該能夠組成一種經(jīng)濟可靠的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，

5、從而實現(xiàn)大范圍連續(xù)的健康監(jiān)測。 2）信號的采集與處理 信號的采集與處理系統(tǒng)可以說是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重要部分，目前國內(nèi)外都在大力 開發(fā)相應(yīng)的軟件。從傳感器采集的信號包含很多信息，通常情況下，由于外界環(huán)境噪聲 的 影響及復(fù)合材料的復(fù)雜特性等原因，使得損傷特征信號的分析和提取異常困難，因此選擇 合適的信號處理方法就顯得尤為重要。 從數(shù)學意義上來說，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一個非線性的反問題。在實際中采用模型分析、系統(tǒng)識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 遺傳算法 、優(yōu)化計算等信號處理方法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控上已經(jīng)取得了不少成果。然而大部分的研究是建立在結(jié)構(gòu)簡化以及可控制的實驗室環(huán)境下完成的。因此，無論從實際結(jié)構(gòu)獲得測試數(shù)據(jù)還是對

6、實際結(jié)構(gòu)的理論分析，都要依靠大量歷史數(shù)據(jù)來實現(xiàn)健康監(jiān)測，仍然都有很多工作要做。 3）系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成 包括軟件和硬件兩部分。在硬件集成上，將傳感器及驅(qū)動器集成入主體結(jié)構(gòu) 會影響主體結(jié)構(gòu)的 機械性能 ，也會影響傳感器件的本身性能，從而影響到傳感信號的準確性和真實性，這些影響必須減到最小?？紤]到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在實際的應(yīng)用中傳感點數(shù)目一般都是巨大的，所以要求硬件上盡可能的集成化和小型化。 軟件上，需要有集成的軟件做信號分析和監(jiān)測判斷，這就要求編出可操作性很強的人機交互軟件。并且很多的信號處理工作在硬件端的實現(xiàn)比較困難，有時就可以利用軟件的方法，來代替硬件處理。這樣的好處是節(jié)省費用，解決問題實踐較短。

7、 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有眾多的優(yōu)勢彌補傳統(tǒng) 監(jiān)測技術(shù) 上的缺陷：能夠?qū)崟r監(jiān)測和預(yù)報，節(jié)約了損傷探測與維護費用；客觀的歷史紀錄數(shù)據(jù)減少了人力干擾，從而減少了人為誤差和停工時間；自動化測量，保障了測量的可靠性；停工減少和可靠性增加，保障了工程結(jié)構(gòu)高的運營效率，大大降低了運營費用。 正因為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有上述優(yōu)點，所以該技術(shù)被應(yīng)用于航空航天、建筑等諸多領(lǐng)域。例如： 船舶工業(yè) 、民用 （1）先進戰(zhàn)斗機和超期服役飛機的健康監(jiān)控。目前，超期服役飛機在機群中占有一定的比例，狀況令人擔憂，飛機的定檢及常規(guī)檢測需要花費很多時間及費用，而使用在線 監(jiān)測系統(tǒng)則有效避免了飛機結(jié)構(gòu)損傷造成的不安全因素，節(jié)省了大量的時間、 人力及財力。 （2）航天器及空間站的健康監(jiān)測。航天器在 探索宇宙 奧秘中發(fā)揮著重要的作用，是通往宇宙的橋梁。在它們的幫助下，我們了解了許許多多關(guān)于宇宙的奧秘，也了解了我們?nèi)祟惐旧淼纳姝h(huán)境。但常規(guī)的監(jiān)測需要極高的費用，采用實時在線的健康監(jiān)測技術(shù)可以有效的降低損傷的監(jiān)測成本。 （3）民用結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測。在民用結(jié)構(gòu)中，采用在線監(jiān)測的方法可以代替常規(guī)檢測方