[发明专利]结构健康监测的装置和系统

说明书

相关申请的交叉引用

这个申请要求2015年12月2日提交的美国临时专利申请No.62/261,866的优先权，其全部内容通过引用被结合在此。

技术领域

本发明总体上涉及结构健康监测(“SHM”)领域。

背景技术

SHM涉及对工程结构实施损伤检测和特性描述策略的过程。这种损伤可包括材料和/或结构系统的几何特性的改变，以及边界条件和系统连续性的改变，这些都会负面地影响该结构系统的性能。监测过程可包括，利用传感器阵列的周期性采样获得的动态响应数据来观察系统随时间的变化、从这些测量数据中对于损伤敏感特征的提取、以及对这些特征的统计学分析以确定当前的系统健康的状态。

当前，SHM系统包括数据获取装置和诸如计算机的至少一个处理装置，该至少一个处理装置与数据获取装置分离。这些数据获取装置通常被安放于需要被监测的结构上或者安装于需要被监测的结构附近。在被动模式的SHM系统中，这些数据获取装置包括持续地或周期性地听取变化的现场传感器。然而，在主动模式的SHM系统中，这些数据获取装置不仅包括现场传感器，还包括促动器。促动器利用波形产生器和功率放大器来产生激励信号，并将激励信号发送至该结构，其中的现场传感器听取激励信号并发送回用于测量的传感器信号。当结构正常时，传感器信号被用作基准数据。当结构有缺陷或改变时，传感器信号会与该基准数据不同。这些数据获取装置将促动器和/或传感器整合在内，或者外部地连接它们。然而，这些数据获取装置无法独立确定结构变化和结构损伤。主动模式的SHM系统依赖分离的处理装置来进行相关分析，并确定所述结构是否有什么改变，缺陷或损伤。为达到这个目的，数据获取装置经由网络将原始传感器数据传输到处理装置，或者在经由网络传输之前对原始传感器数据通过一些滤波或数据压缩方式进行预处理。接着，处理装置基于从数据获取装置接收到的原始的或预处理后的传感器数据，确定结构改变或损伤。然而，网络连续性就成为该系统的关键问题。任何网络小事故或是故障都会扰乱对结构的监测。由于所有的传感器数据，不管其是原始格式还是经预处理后的格式，都需要被传输到处理装置进行分析，因此对网络带宽和处理装置的处理能力的要求都随着数据获取装置的数量的增加而急剧增长。这导致SHM系统难以成规模。另外，对于非常大的结构来说，需要大量的这样的SHM装置。当各个智能SHM装置将原始数据发送到处理装置进行分析时，处理装置将必须进行沉重的数据处理，并且处理装置需要非常长的时间来找到结果。在对时间紧急的情况下，某些关键性的结构损伤可能未被及时检测到。

发明内容

本发明公开了具有内置智能的智能SHM装置。该装置能够独立检测事件，处理传感器数据，提取特征，执行分析算法，以及确定结构改变和损伤。这样的事件包括，但不限于，碰撞、压力、应力、负载变化、振动、加速、减速、温度变化、运动、光、湿度变化等。可从传感器数据中提取的特征包括但不限于，频率、能量、波形包络、峰值点以及过零点。能够由智能SHM装置确定的结构改变和损伤包括但不限于，开裂、分层、变形、腐蚀、侵蚀、渗漏、螺栓松动、移位、弯曲等。

本发明的一个实施例中，多个智能SHM装置通过网络连接到远程管理控制台。该控制台可以是计算机或配置有必要软件的移动计算装置。远程管理控制台对这些智能SHM装置提供集中管理，包括但不限于：基准调整、数据获取建立、阈值调整、去除数据、时钟同步、用户管理。远程管理控制台也系统地从这些装置下载有用的分析结果或数据，并协调这些智能SHM装置的协作和运行。

本发明将数据获取和数据处理整合到单个智能装置，这样大大简化了电气化布线需求，减少了总体占用空间，提高了SHM系统的可靠性。结构处于健康情况时的关于结构的基准信息在SHM装置被本地存储。预定阈值也在SHM装置中被本地存储。基准信息用于确定结构缺陷是否超出了安全运行边界。结构改变和损伤的检测直接由SHM装置进行。这种设计允许即时事件检测，在必须尽快进行决定的时间紧迫的情况下尤为有用。因为结构改变和损伤的检测被本地化进行，因此即使在网络无法使用的情况下，智能SHM装置也能持续监测结构以检测损伤。

智能SHM装置不需要通过网络将所有传感器数据发送到远程管理控制台以进行处理。仅在被要求或安排的时候，传感器数据、被提取的特征以及结构改变和损伤的结果才被传输到远程管理控制台。这大大降低了网络设施的负担。

在本发明的一个实施例中，在网络不通期间，传感器数据和分析结果被存储在智能SHM装置的存储模块中，并在网络恢复时通过网络被发送。这样大幅地提升了整个系统的可靠性。