工程结构远程健康监测系统的集成与数据处理研究

论文摘要

课题主要研究重大工程结构远程健康监测系统中的集成技术、不同软件平台之间数据共享技术和数据处理技术，其目标是集成一个实时的结构健康监测系统，属于工程结构健康监测的前沿研究领域。该课题的研究成功，为结构健康监测系统的工程应用奠定了理论和试验基础，具有较大的工程实用价值，将产生巨大的社会经济效益。本文结合传感器网络技术、计算机网络技术、通信技术的发展和针对重大工程结构健康监测的特点，提出了基于有线传感器网络的新型远程分布式在线结构健康监测系统的集成技术，实现了多传感器的同步采样，达到对大型结构实时健康监测的目的，保证了大型结构使用的安全性。研究并开发了重大工程结构健康智能监测系统的实验室原型试验平台系统的电致传感系统和光纤光栅传感系统的集成，实现了多传感器、多类型传感器的同步采样、统一数据管理以及不同软件平台之间的实时数据交互，为结构损伤的自动诊断和结构健康智能监测提供试验平台，从而使所研究的损伤诊断算法能在实际工程应用之前在实验室进行试验。为研究结构损伤诊断技术提供了试验支撑，该试验平台填补了国内工程结构损伤诊断试验技术的空白。以深圳市市民中心大屋顶网架结构健康智能监测系统为工程背景，构建了重大工程结构的健康智能监测系统，研究开发了分布式远程监测系统中的数据共享和数据库管理技术，实现了对世界上最大的最复杂的空间网架结构的实时健康监测。研究工程结构健康智能监测系统的数据处理方案，针对来自重大工程结构数据具有频率低干扰大的特点，根据实时分析需要设计了不同的Butterworth数字滤波器，同时对滤波过程中出现的波形畸变和毛刺现象进行了处理，并开发了滤波器设计软件，以利于根据工程采集数据选择合适的滤波器参数。由于采用数字滤波技术，从而克服了硬件滤波的缺点，保证了滤波器设计的可靠性，提高了设计的灵活性。研究虚拟仪器技术在结构健康监测系统中的应用，实现了不同接口的仪器设备在虚拟仪器平台上的同步采集，建立了基于虚拟仪器技术的分布式采集与计算的结构健康监测系统。研究了基于虚拟仪器技术的数据共享技术和对结构模型进行损伤诊断的结果在局域网或Internet上发布的方法，并成功地在实验室试验平台上实现。通过在平台上完成的输电塔法兰连接模型螺栓松动损伤诊断试验，证明了所开发的试验平台从硬件集成到软件开发是一个有机的整体，人机界面友好，实时性好，实现了结构的远程在线健康监测。

论文目录

第1章绪论

1.1 课题的研究背景和科学研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究目的及意义

1.1.3 结构健康监测系统及其组成

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 结构健康监测提高结构的安全运行性

1.2.2 光纤光栅传感器的发展加速了结构健康监测的研究与应用

1.2.3 无线传感网络技术为结构健康监测提供了新的方向

1.2.4 结构的健康监测已经成为世界性的热点研究课题

1.3 结构健康监测系统集成的发展

1.4 虚拟仪器技术在结构健康监测中的应用

1.5 本文的主要工作

第2章远程健康监测系统实验室原型试验平台

2.1 引言

2.2 结构健康远程监测系统的结构

2.3 实验室原型系统设计

2.3.1 系统总体结构

2.3.2 子系统功能

2.3.3 试验平台网络结构

2.4 实验原型系统各子系统的实现

2.4.1 模型试验台

2.4.2 电源柜

2.4.3 电致传感系统

2.4.4 光线光栅传感系统

2.4.5 其它功能模块的设计

2.5 软件集成

2.5.1 光纤光栅传感系统的数据采集和数据处理模块

2.5.2 电致传感系统的数据采集和数据处理模块

2.5.3 结构健康监测和损伤诊断分析评估模块

2.5.4 网络发布模块

2.6 实验室接地防雷设计

2.7 本章小结

第3章虚拟仪器技术在工程结构健康监测中的应用

3.1 引言

3.2 虚拟仪器的基本概念

3.2.1 虚拟仪器

3.2.2 虚拟仪器的构成

3.2.3 典型虚拟仪器系统构成

3.3 虚拟仪器技术在试验平台开发中的应用

3.3.1 RS232和RS485串行设备

3.3.2 1394火线I/O设备

3.3.3 Ethernet接口设备

3.3.4 采集信号的同步

3.4 网络化虚拟智能传感器系统

3.4.1 网络化虚拟智能传感器系统网络体系结构

3.4.2 网络化虚拟智能传感器系统典型的组建模式

3.5 光纤光栅传感系统网络发布过程

3.6 软件接口设计

3.6.1 FORTRAN语言与CVI的接口设计

3.6.2 Matlab语言与CVI的接口设计

3.7 网络化虚拟智能传感器系统的数据管理

3.7 本章小结

第4章光纤光栅传感系统的设计和工程应用

4.1 引言

4.2 空间结构健康监测的光纤光栅传感系统研究的必要性

4.2.1 大跨度空间结构的特点及存在的问题

4.2.2 空间结构健康监测中应用光纤光栅传感系统的必要性

4.3 深圳市市民中心大屋顶网架结构智能健康监测系统硬件集成

4.3.1 大屋顶网架结构监测系统总体框架

4.3.2 传感系统

4.4 光纤布拉格光栅的传感特性

4.4.1 光纤布拉格光栅的工作原理

4.4.2 光纤布拉格光栅的标定试验

4.5 大屋顶网架光纤光栅传感系统

4.5.1 光纤光栅传感系统结构

4.5.2 光纤光栅传感系统的硬件连接和二次开发

4.5.3 光纤光栅传感系统和电致传感系统的比较

4.6 大屋顶网架结构的风速风向仪的硬件连接和软件实现

4.6.1 风速风向仪的硬件连接

4.6.2 风速风向仪的软件实现

4.7 大屋顶健康监测系统的防雷设计

4.7.1 机房机柜和电源避雷

4.7.2 信号避雷

4.8 本章小结

第5章数字滤波技术在结构健康监测系统中的应用

5.1 引言

5.2 信噪比

5.3 数字滤波常用算法

5.3.1 数字滤波的优点

5.3.2 简单数字滤波常用算法

5.4 FIR和IIR滤波器设计

5.4.1 FIR滤波器的原理

5.4.2 IIR滤波器的原理

5.4.3 级联型IIR滤波器结构

5.4.4 滤波器的性能指标

5.4.5 IIR滤波器的频率响应

5.4.6 IIR滤波器的设计方法

5.4.7 Butterworth低通滤波器在工程结构健康监测系统中的应用

5.5 LABWINDOWS/CVI下实时低通滤波器的实现

5.6 LABVIEW动态链接库实现低通实时滤波

5.7 本章小结

第6章输电塔法兰连接螺栓松动损伤诊断及模型试验

6.1 引言

6.2 输电塔模型

6.2 硬件系统集成和软件流程

6.2.1 硬件系统集成

6.2.2 数据采集软件设计

6.2.3 螺栓松动损伤诊断软件设计

6.3 试验内容

6.3.1 动力特性分析

6.3.2 获取样本数据

6.3.3 完好时法兰处的应变及螺栓松动时法兰处的应变分析

6.3.5 损伤识别结果的远程发布

6.4 小结

第7章结论与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文

作者攻读博士学位期间参与的研究项目

致谢

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