声发射典型结构健康监测系统-Read
结构健康监测
结构健康监测目录•1概念•2过程•3理想的结构健康监测方法•4工作流程图•5研究内容概念结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）是一种技术，是智能材料结构在实际工程中的一种很重要的应用。
结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以在线监测结构的“健康”状态。
它采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系统，能感知和预报结构内部缺陷和损伤。
结构整体与局部的变形、腐蚀、支撑失效等一系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。
当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个结构系统恢复到最佳工作状态。
系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险时能自我保护，并继续生存下去。
过程结构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。
理想的结构健康监测方法理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。
工作流程图研究内容结构健康监测系统在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。
结构健康监测的技术有如下优点：（1）实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。
（2）依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。
（3）可以及时的和最新技术相结合。
（4）大多数具有自修复功能。
（5）自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。
近年来，随着材料和结构损伤特征信号处理技术研究的进展，传感/驱动技术研究的深入，监测系统越来越多地应用于实际的工程实践中，比如先进战斗机和超期服役飞机的健康监控、航天器及空间站的健康监测和民用结构的在线监测。
概析声发射监测系统的应用
概析声发射监测系统的应用采场冒顶和空区塌方是地下矿山开采过程中最常见的灾害，它直接威胁井下工人和设备的安全。
如今声发射技术日渐成熟，将其成功地应用在采矿当中，将能够及时地了解岩体内部的应力状况。
在采矿过程当中，由于各方面的原因将会形成大量的采空区，而这些采空区又可能出现冒落、塌陷等危险，而通过声发射监测系统的使用，将有效地提高在采矿当中的安全性和稳定性，确保工作人员的人身安全，将地压危害降低到最低。
1 监测方法地压监测主要技术有电测法、光测法以及声发射法。
声发射使用较为简单，且符合经济性原则，能够进行实时监测，同时进行预报，对企业的经济要求不高。
并且监测的稳定性高，具有先进性和可靠性。
STL-12型声发射定位与监测系统在SDL-1的基础之上，通过有效的改进和完善，先进性更加明显。
其中心处理单元是586高可靠性的工控主板，以12道高速同步并可超前或延时触发的A/D板为模数转换接口，同时配有12道程控放大、程控通频带、程控触发电平（八级）的放大板与工控专用电源及其辅助电路。
能够对岩体进行有效的分析和预报，从而采集有关数据、进行参数设置、了解地质结构等。
如图1所示，是其技术指标图。
2 数值模拟2.1 进行参数计算，建立模型以下主要以某铁矿的实际应用为例，该铁矿闪长岩是其主要的顶板岩石，整体稳定性较好，矽卡岩在局部有分布，稳定性不佳。
由闪长岩和大理岩构成底板，矽卡岩依旧分布在局部位置。
通过取样，其力学参数如图2所示。
在建立模型之时要严格结合矿体的各方面的情况，比如位置情况、赋存条件，及其在开挖之后将会受到影响的区域，从而建立三维模型。
所建立的模型长取值为200米，宽取值300米，高取值320米。
矿体的厚度是60米，开采中段有三个。
为了确保符合一定的精确度要求，同时提高计算的效率，因此在一些单元划分较密，主要包括了矿柱、空区顶以及底板部分。
和采空区关系较小，距离较远的部分就划分较稀。
所有有关部分所划分的单元总共7.7万个。
声发射检测仪操作规程
声发射检测仪操作规程声发射检测仪是一种用于测量和分析机器设备和结构物声发射信号的仪器。
它可以用于故障诊断、预测维护以及结构健康监测等领域。
下面是声发射检测仪的操作规程，以确保正确使用并获取准确的测试结果。
一、仪器准备1. 确保声发射检测仪处于正常工作状态，电源接通，仪器无故障。
2. 检查仪器连接线是否完好无损，确认各个接口连接正确。
二、标定1. 打开声发射检测仪软件，进行标定。
根据仪器规格和使用要求，选择合适的标定参数。
2. 静音环境下进行仪器标定，确保仪器接收静音时的背景噪声水平。
三、传感器安装1. 选择合适的传感器和传感器安装位置。
传感器应能覆盖被测物体的关键部位，并能够稳定地固定在物体表面。
2. 清洁被测物体表面，并确保其干燥清洁，以保证传感器的接触良好。
3. 用适当的方式将传感器固定在被测物体表面，确保传感器与物体之间的接触牢固可靠。
四、测试设置1. 根据被测物体的特点和测试的目的，选择合适的测试参数，例如频率范围、采样率等。
2. 设置测试时长和数据存储方式，确保更好地获取被测物体的声发射信号。
3. 对测试环境作出适当的控制，确保环境噪声不会对测试结果产生干扰。
五、测试操作1. 保持测试环境安静，避免外界干扰。
确保测试期间无人操作或敲击被测物体。
2. 启动声发射检测仪软件，并开始进行测试。
记录并检测被测物体在不同条件下的声发射信号。
3. 定期检查采集到的数据，确保数据的稳定性和准确性。
六、数据分析1. 保存并导出测试数据，进行数据分析。
使用仪器提供的分析工具或其他相应的软件进行数据处理。
2. 对声发射信号进行频谱分析、时域分析以及相关性分析，诊断被测物体的状态。
3. 根据分析结果，判断被测物体是否存在故障，进行相应的维护和修复措施。
七、记录和报告1. 对测试数据、分析过程和结果进行记录，确保后续的复查和分析。
2. 生成测试报告，包含测试目的、参数设置、测试过程、数据分析结果以及结论等信息。
基于声发射的导管架海洋平台结构健康实时监测研究
基于声发射的导管架海洋平台结构健康实时监测研究张华;吕涛;徐长航;陈国明【摘要】海洋平台在长期服役过程中受环境载荷及各种作业的影响,结构可能发生不同种类的损伤,因此进行结构健康监测对保障平台作业安全具有重要的工程意义.该文将声发射技术应用到导管架海洋平台上部组块结构损伤实时监测中,以CEP导管架平台为研究对象,研究适合工程现场的监测方案,提出基于检测数据的结构健康评定方法,通过对比存在不同程度缺陷的救生艇支架验证声发射技术在海洋平台结构健康监测的适用性.研究表明,声发射检测能实现活动性损伤进行定性评价,可对关键承载结构的健康状态进行长期监测.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2016(031)001【总页数】6页(P86-90,95)【关键词】导管架平台;声发射技术;实时监测;结构健康评定【作者】张华;吕涛;徐长航;陈国明【作者单位】中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海200030;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】O42近年来，由于海洋平台结构失效而引起的事故频发，严重影响平台的正常作业，对人身和财产构成重大威胁，而且国内大多数现役平台已经步入老龄期[1]，结构缺陷和损伤情况严重，大大缩短了平台服役期，因此，进行平台结构健康监控势在必行[2]。
海洋平台实时监测是一项综合信息监测分析技术，现有的平台监测仅仅是对某些独立信号或参数的离散收集，而不是对信号进行相关性分析以及结构健康预警。
声发射检测作为动态、被动的无损检测技术，具有高灵敏性的特点，声发射不仅能够对被检测构件的几何形状、整体结构的活动性缺陷进行监测，而且可以对结构健康状况进行全天候不停工监测，现有的声发射技术已经成功应用到桥梁、管道、压力容器等的损伤检测方面[3，4]。
声发射检测报告
声发射检测报告简介声发射检测是一种用于监测和评估结构的健康状况的非破坏性试验技术。
它通过监听和分析材料或结构在加载或变形时产生的声波信号，来探测和定位潜在的缺陷。
本报告将介绍声发射检测的原理和应用，并通过详细的分析结果，评估待测结构的可靠性和安全性。
声发射检测原理声发射检测的基本原理是在结构加载或变形时，由于内部缺陷或损伤的存在，会产生微小的应力释放，从而形成声波信号。
这些声波信号可以通过传感器进行捕捉，并通过信号处理和分析，识别和分析不同的声发射事件。
声发射事件的特征包括声发射源的位置、能量、频谱和持续时间等。
声发射检测的应用声发射检测广泛应用于各种领域和行业，包括材料科学、结构工程、航空航天等。
主要的应用包括以下几个方面：结构健康监测声发射检测可以用于监测结构的健康状况，通过实时监测和分析声发射事件，可以及时发现结构中的缺陷和损伤，从而采取相应的维修和修复措施，避免潜在的灾难性破坏。
材料评估声发射检测可以用于评估材料的质量和可靠性。
通过分析声发射事件，可以判断材料中是否存在内部缺陷、裂纹或疲劳等问题，为生产和工程质量提供依据。
构件性能测试声发射检测可以用于测试结构构件的性能。
通过加载结构构件，并监听和分析声发射事件，可以评估构件的强度、刚度和稳定性等性能指标，为结构设计和优化提供依据。
实验方法与结果分析为了评估待测结构的可靠性和安全性，我们进行了一系列声发射检测实验。
实验步骤如下：1.准备测试设备：包括声发射传感器、信号放大器和数据采集系统等。
2.安装传感器：将声发射传感器固定在待测结构的表面，确保其能够准确捕捉声波信号。
3.加载结构：施加适当的负荷或变形到待测结构，触发声发射事件。
4.数据采集与分析：通过数据采集系统记录并存储声发射事件的信号数据，然后对数据进行分析。
5.结果评估：根据分析结果，评估待测结构的可靠性和安全性。
经过实验和数据分析，我们得到了以下结果：1.声发射事件的定位：通过分析声发射事件的波形和到达时间，我们可以定位声发射源的位置。
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信号处理是结构健康监测系统中必不可少的环节
• 传感器对结构所监测到的信号必须经过信号处理，以获得 反映结构状态的特征参数，其必要性如下： • 实际工程结构所处的环境比较复杂，如飞行器结构就可能 工作在强电磁干扰、振动和高、低温环境下，这些环境因 素会给被监测信号带来很多影响；传感器的灵敏度有限， 结构的一些状态变化反映到传感器的监测信号中，往往信 号微弱，因此需要对传感器网络监测到的信号进行处理以 获得信噪比较高、较为精确的参数。 • 由传感器网络所监测到的结构参数值，往往不是能直接表 征结构健康情况的参数，如应力、应变、位移、温度、湿 度等，这些参数必须经过信号处理方法加以综合，并提取 能直接反映结构中损伤的参数，才能有效评判结构的状态。
•
图4–5 滤波器的幅频特性
频率混叠现象
• 主要解决由于系统采样频率不够高所造成的信号频率混 叠现象，在进行动态信号测试中必须考虑抗混叠滤波器。 根据奈奎斯特采样定律，在对模拟信号进行离散化时， 采样频率至少应2倍于被分析信号的最高频率，否则可 能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠 到低频段，出现虚假频率成分的现象，这称之为频率混 叠现象
图4–6 频率混叠图 a-采集信号﹙虚线﹚ ； b-真实信号﹙实线﹚
抗混叠低通滤波器
• 在对结构进行测量时，被测信号的高频成份往往不可避免， 例如：在大型桥梁、高楼、机械设备等动态应变、振动测 试及模态分析中，信号所包含的频率成份理论上是无穷的， 而测试系统的采样频率不可能无限高也不需要无限高，因 此信号中总存在频率混叠成分，如不去除混叠频率成份， 将对信号的后续处理带来困难。为解决频率混叠，在对监 测信号进行离散化采集前，通常采用低通滤波器滤除高于 1/2采样频率的频率成份，这种低通滤波器就称为抗混叠
结构健康监测中的常用 信号处理方法
小组成员：闫佳妮 王婷 张小宁 张炳良
报告的主要内容
结构健康监测及信号处理单元
常用信号处理方法及其应用
信号分类 时域信号分析与应用
频域信号分析与应用
时频域信号分析与应用 HHT变换与应用 典型结构健监测实例
1 结构健康监测及信号处理单元
结构健康监测
滤波器。
• 滤波器在使用时，应考虑传感器的工作频段而加以选择， 对于压电传感器，其监测信号一般为具有一定频率的动态 信号，因此一般后接带通滤波器。应变电阻元件一般监测 低频信号，一般后接低通滤波器。
时域信号分析与应用
• 时域信号波形参数
信号的到达时间、上升时间、持续时间、信号的峰值、 信号的能量、信号的响铃个数
结构健康监测系统
结构健康监测系统是在原有结构材料上以特定方法融合 进传感器、驱动器及部分信号信息处理元件，同时结合 外部计算机数据采集系统等实现的一种智能系统。
任意波形发生器
TALK / DATA TALK RS CS TR RD TD CD
宽带功率放大器 玻璃纤维增强结构板 压电元件 B
C PCI 电荷放大器 PCI-DSP-4数采卡 计算机
• 时域信号统计参数的提取
时域统计特征：信号的均值、均方值、方差以及概率密 度等函数等。
图4–10 时域波形参数定义图
基于Lamb波信号峰值特征的监测方法
• Lamb波通过结构中的损伤时，其峰值会发生衰减的现象。 • 蜂窝夹芯复合材料梁和碳纤维复合材料梁上制作损伤，一 种是采用在夹层面板与蜂窝夹心之间预埋TEFLON薄膜制 作脱粘损伤，损伤大小为50mm×50mm，另外一种是采 用不同大小的冲击能量制作不同程度的冲击损伤。
幅 值 u/v
时间 t/s
功率谱密度发生变化
幅 值 u/v
功率谱密度是信号 的一种统计特征。 平稳信号的功率谱 密度不随时间变化， 而非平稳信号的功 率谱密度随时间发 生改变。
时间 t/s
图4–4 平稳信号与非平稳信号
信号滤波方法
• 信号滤波在信号处理中有 两类作用，一是滤除噪声 及虚假信号，一是对传感 元件所监测到的信号进行 补偿。 对传感器监测到的信号 首先进行的处理就是信号 滤波。常用的信号滤波方 法主要分为高通滤波、低 通滤波、带通滤波和带阻 滤波。
结构健康监控技术是智能材料结构研究的一个重要分支。 结构健康监控技术是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∕驱动元件网络，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。
• 以10μs宽度、10V峰值的半正弦窄脉冲作为激励信号，在完好试件和 带有冲击损伤的试件上进行宽带Lamb波激励，布置在试件另一位置 的传感器对Lamb进行信号采集，损伤处于激励器件和传感器件之间。 蜂窝夹芯复合材料结构和碳纤维板中的监测波形分别如图所示，从图 中的波形可以看出，信号峰值在有损伤试件中有明显降低，因此可以 考虑采用Lamb波信号峰值来表征结构损伤。
主动结构监测系统
损伤
压电元件 A 接线板
信号信息处理技术
传感网络监测到的数据，需要进行分析并提取特定参数，来 识别结构状态。 结构状态参数的提取： 结构力学建模方法 结构振动模态分析技术 信息信号处理技术：不需要依赖结构力学模型，且对结构 中的小尺寸损伤比较敏感。
信号与信息处理
信号处理：除传统傅立叶分析以外，先进 时频信号处理方法在研究中普遍采用，如 小波分析、HHT 分析方法等。 信息处理：模式识别技术、人工神经网络 技术、多主体协作技术、遗传基因算法等 信息处理方法被用来对结构状态参数进行 辨识 。
2.常用信号处理方法及其应用
• 信号的分类方法
• 可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号 • 非确定性信号不能用数学关系式描述，其幅值、相位变化 是不可预知的，所描述的物理现象是一种随机过程。 • 在非确定信号中，如果信号的统计特征保持不变，那么这 类信号称为平稳信号，否则称为非平稳信号。