基于CAN总线的桥梁结构健康监测系统研究

论文摘要

桥梁损伤识别与健康监测是近年来国际上的研究热点。就桥梁结构而言，都存在不同程度的安全隐患，为了避免造成重大的经济损失，对桥梁的结构健康状况给出评估是必要的。结构健康监测系统涉及许多不同的研究领域，如结构分析、信号处理、计算机采集系统等。随着这些不同领域技术的发展，力求对桥梁结构进行整体行为的实时监测和结构状态的智能化评估。在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过行之有效的数据采集与处理系统，测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其是否受到损伤。在实践方面，土木工程与航空航天工程、机械工程有明显的差别。比如桥梁结构以及其他大多数土木结构，尺寸大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，桥梁结构的动力响应极容易受到不可预见的环境状态、非结构构件等的影响，这些变化往往被误解为结构的损伤，这使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。本论文分析了桥梁结构健康监测系统及构成监测系统的各子系统。重点研究了数据采集与传输子系统，它是连接传感器子系统与监控中心的数据管理子系统的桥梁。文中研制了CAN总线接口板卡，运用多传感器分布式卡尔曼滤波融合算法设计了数据采集的预处理模块，基于LabVIEW实现了数据采集与传输子系统的软件集成，开发了一套实时性、可靠性强的数据采集与传输子系统。仿真结果、实验验证以及数据采集的波形显示表明了本论文设计的数据采集与传输子系统应用于实际工程的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及发展状况
• 1.2 目前存在的问题和解决问题的方法
• 1.3 本论文的技术路线
• 1.4 本论文的内容安排
• 第2章 桥梁结构健康监测系统
• 2.1 CAN构成的桥梁结构健康监测系统
• 2.2 传感器的优化布设
• 2.3 结构异常诊断
• 2.4 健康监测系统的软件集成
• 2.5 小结
• 第3章 CAN总线构成的数据采集与传输子系统
• 3.1 CAN总线概述
• 3.2 CAN总线的优越性
• 3.3 CAN总线接口板卡的研制
• 3.3.1 信号调制输入插卡
• 3.3.2 CAN节点
• 3.3.3 CAN适配卡
• 3.4 CAN总线通信测试
• 3.4.1 CANOpen协议
• 3.4.2 CAN应用层协议设计
• 3.4.3 CAN通信的软件实现
• 3.4.4 CANopen协议下 CAN通信测试结果
• 3.5 CAN总线的故障调试
• 3.6 小结
• 第4章 卡尔曼滤波在桥梁健康监测系统中的应用
• 4.1 多传感器数据融合
• 4.1.1 融合过程
• 4.1.2 融合模型
• 4.1.3 融合算法
• 4.2 多传感器分布式卡尔曼滤波融合算法
• 4.2.1 系统描述
• 4.2.2 分布式 Kalman滤波算法
• 4.3 分布式卡尔曼滤波融合算法应用
• 4.3.1 振弦式应变传感器
• 4.3.2 振弦式应变传感器的噪声分析
• 4.3.3 测量原理
• 4.3.4 仿真结果比较
• 4.4 小结
• 第5章 数据采集与传输子系统的软件集成
• 5.1 LabVIEW与 C++的数据传递
• 5.2 集成实现
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 附录 B C-51语言编写的一节点控制程序清单