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机械结构健康监测关键技术 摘要：随着经济的发展和科技的进步，对一些重要机械结构的健康状况进行监测、提前预警，以减少灾害的损失越来越成为人们关注的问题。如何本文简单介绍了机械结构健康监测的一些基本概念及其系统的组成，并对机械结构健康监测的关键技术展开综述，特别对智能信息处理技术在结构健康监测与损伤诊断领域取得的研究成果进行了归纳总结。 关键词：机械结构健康监测；数据采集与传输；损伤识别；信息处理 1 机械结构健康监测概述 结构健康监控技术采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感/驱动元件，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，（如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等），结合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的状态（包括损伤），并对结构的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展，从而实现结构健康自诊断、自修复，保证结构的安全和降低维修费用。一个结构健康监控系统应包含2种功能：一是对结构状态的监测功能；二是对结构状态的自适应控制功能。对仅有监测功能而没有主动控制功能的系统一般称为结构健康监测(Structural Health Monitor-ing,简称SHM)系统。 SHM指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。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。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Evaluation，简称NDE)不同,通常NDE技术运用直接测量确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而SHM技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。可以说，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术，它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。 工程应用健康监测系统监测结构性能，检测结构损伤，评价和诊断结构健康状况并做出相应的维护决策，是一种可靠、有效、经济的监测方法，结构的安全性和功能性将大大提高。 2 机械结构健康监测系统的组成 结构健康监测系统一般由数据采集与传输、信号处理、系统识别、状态评估、预测及接口等8个子系统组成： 1）数据采集与传输子系统：利用各种无源和智能传感器采集结构的相关参数信息，作为SHM系统的数据基础。该部分主要包括各类数据的采集、存储和传送的硬件系统。数据采集与处理及传输子系统包括硬件和软件两部分，硬件系统包括数据传输电缆/光缆、数模转换（A/D）卡等；软件系统将数字信号存储在计算机中。采集的数据经预处理后存储在数据管理子系统中。 2）数据信号处理子系统：接收来自传感器的信号和数据，并将数据处理成后继工作所需的格式，输出为经过过滤和压缩简化后的传感器数据、频谱数据以及其他特征数据。该部分主要包括各类数字信号的处理，如A/D转换及数字滤波去噪等，以便为系统识别和损伤识别准备充分的数字信息。 3）系统识别子系统：通过计算机模拟仿真计算，结合有限元模态分析，识别出结构系统的静动力特性参数，即系统特征识别。 4）损伤识别子系统：即通过一定的分析技术，对已获得的数据进行处理，与结构系统特征联合，应用各种有效的手段识别结构损伤，完成损伤预警、损伤定位和损伤定量分析。 5）结构健康状态评估子系统：接受来自前面模块的数据，把损伤结果与专家经验相结合，进行评估被监测系统（也可以是分系统、部件等）的健康状态（如是否有退化现象等），分析结构的强度储备，评估结构的可靠度。 6）预测子系统：综合利用前面各部分的数据信息，对被监测系统进行状态评估和预测未来的健康状态，包括剩余寿命预测等。 7）决策推理子系统：决策推理子系统接受来自状态评估和预测子系统的数据，主要作用是给出所建议的活动和可选方案。 8）接口：主要包括人-机接口和机-机接口。人-机接口包括状态监测模块的警告信息显示以及健康评估、预测等模块的数据信息的表示等；机-机接口使得上述各模块之间以及SHM系统同其他系统之间的数据信息可以进行传递。