[发明专利]基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种对工程结构进行监测的方法，特别是涉及一种基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法。

背景技术：

随着人们对工程结构安全性、可靠性要求的不断提高，对结构性能进行监测和诊断、及时发现结构的损伤、对可能出现的灾害进行预测、评价其安全性等已经成为未来结构设计、制造、施工和管理工作中的必然要求。近年来，由于各方面科学技术的进步和实际工程的需要，在这个领域中被称作为“结构健康监测”的技术得到了飞速的发展，与之有关的产品、系统及其工程应用在国内外也层出不穷。所谓结构健康监测(Structural HealthMonitoring，简称SHM)是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。不同于定期或不定期的结构检测，结构健康监测要求实时在线地进行，其可以用于诸如飞行器、桥梁、海洋平台、历史建筑、船舶等产品结构或工程结构。目前对结构健康监测技术的改进研究集中在三个方面：传感技术、数据采集、储存和分析技术以及结构诊断、监控和报警技术。

之前本申请人在中国专利申请《分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法》(申请号：200610097290.1)中提出了一种新型的适用于实际工程应用的分布式长标距光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，缩写为FBG)应变传感器，该传感器将传统的“点”式应变测量转变为一个较长距离区域(标距)中的平均应变测量，同时实现了增敏和温度补偿的效果，从而使分布式应变的动态测试成为可能，为本发明创造的实现创造了条件。

借助于传统测试手段(如加速度，速度，位移，“点”应变)的现有结构健康监测方法都存在着各自的局限性：

(1)基于静态测试的现场检测方法：其必须在明确所加荷载的前提下进行，该方法需要严格地控制所加静止荷载的条件，加载时不仅耗费大量的人力物力，而且必须中止结构的正常工作状态。

(2)基于动态测试的检测方法：采用模型更新或系统识别结构分析方法的检测待识别参数太多，结构数学模型可能失真，同时算法收敛困难且有效性容易受实际测量噪音和误差的影响；采用不需要结构数学模型的分析方法的检测也各有缺陷：基于振动测试频域法在实际测试条件下，只能获得结构响应少数前几阶频率和振型，无法直接用于进行小损伤诊断；模态振型曲率法容易受噪音和误差的干扰，且需要有足够的测点才能保证精度；柔度矩阵法不易反映结构多处或相邻位置出现局部损伤的信息等等。

(3)测量采用加速度计、速度计或位移传感器得到的都是结构某个点平移(translational)自由度的响应，这些响应跟结构的局部损伤没有直接清晰的关系，某位置的损伤会不同程度地影响该位置附近一定区域内布置的传感器的测量值，而不同位置的多处损伤又会不同程度地反映到一个传感器的测量值中来，这种耦合关系使基于这些传感器测量的结构响应分析面临很大困难。

(4)对于传统的“点”应变片来说，若结构中的局部损伤不是出现在所安置的传感器测试范围之内，则很难被准确地检测到；若局部损伤恰恰出现在该传感器的安置区域内，则该传感器常常会因为该区域局部应力集中或出现裂缝而失效。因此“点”式分布的应变传感器较难有效地捕捉到事先不可预知的结构损伤，然而在大型结构上密集地布置传感器也不现实，所以“点”式应变传感器无法适应检测区域能够尽可能大地覆盖整个结构的“分布式测量”。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有结构健康监测方法的不足，提供一种基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法，采用应变传感器构建分布式传感网络并设置参考传感器，进行模态分析并得到以分布式应变模态向量(Distributed Modal Strain Vector，缩写为DMSV)为核心的结构系统特性，达到准确识别结构损伤、动态监测结构健康的目的。所述基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法具有误差小、精度高、诊断过程简单和监控显示直观等优点，能够在荷载量值不确定、结构数学模型未知的条件下，排除噪音和环境的干扰，有效准确地捕捉结构损伤的发生及其位置，实时在线地进行结构损伤检测和结构健康监测。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法，其通过传感网络、传感器信号解调采集系统和数据处理监测系统实现，该方法包括下列步骤：