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1、机械结构健康监测关键技术引言工程机械是现代生产的主要工具，是我国国民经济的重要基础设施。随着生产复杂程度的提高，工程机械正向着大型化，功能多元化发展。目前，我国针对工程机械的主要安全保障方法仍然以定检，监检为主，采用的技术手段多为目测、感官判断、停机测量、磁粉探伤等为主，常规检测手段相对落后，检验人员工作量大，检测效率低，而且常规检测方法基本上都是在停机的状态下进行，检验结果难以准确反映机械在实际运行中的状态。对机械结构的抗力水平和剩余寿命难以进行准确评估，相关数据难以收集。随着现代传感技术和通信技术的发展,结合机械结构设计与材料科学的计算机模拟技术,使得对机械结构健康监测技术产生了质的变化，
2、在线监测、远程监测、动态监测、机械结构损失识别、机械结构健康预警等技术不断出现，对机械结构健康的监测更加的准确、实时、高效。本文对机械结构健康监测的系统结构组成和在线监测、远程监测、动态监测、损伤识别、健康预警进行介绍。一、机械结构健康监测系统一个完整的机械结构健康监测系统应该包括传感器系统，信息采集系统，信息通信与传输系统和信息处理与分析系统。a.传感器系统在机械结构相应处安装的信息（应变，应力，振动等）传感器及有关附件包括但不限于电阻应变片、光纤光栅计、信号放大器、调理器等。b.数据采集系统包括安装在机械结构的不同部位的多个电脑控制的数据采集点,每个采集点都是基于PC机的具有数据采集和处理
3、功能的独立单元。主要功能是收集由分布在该分站附近的传感器采集到的模拟信号，并将其经过信号调理，模数转换后，变成数字信号。同时在采集点的控制单元按照端程序，其有两个功能：一是将采集到的被测点数字信号进行简单处理分析；二是将采集的数据通过光纤或其他手段传输的中央控制器。c.数据通信传输系统数据通信传输系统时整个系统的核心部分，其有两个功能。一是负责连接各信息采集点和中央控制器，将各采集点的数据传输到中央控制器。二是将中央控制器的信息通过联网对外部接口公开，以便用户接入网络观察数据。d.数据处理和分析系统根据机械结构健康的设计输入，整合数据处理和显示软件，在工作站中实现采集数据处理、结构监测图形显示
4、、系统控制管理与维护、结构分析评估及专家诊断等功能。同时该工作站还和外部网络连接，将数据处理结果对外发布。二、在线监测相较于定期检测，事后维修的传统测量方式，在线监测能对机械结构的健康状况进行实时监测，及时捕捉机械结构失效的前兆，预防突发性灾难事故，避免重大人员伤亡和财产损失。实时的机械结构健康监测目前主要有基于光纤声发射的结构健康监测、基于结构振动分析的结构健康监测、基于数字图形图像处理技术的结构健康监测、基于结构应力应变分布的结构健康监测等，采用的数据提取与采集手段多集中在光纤光栅传感器、振弦式传感器和电阻应变式传感器等。1 .基于光纤声发射的结构健康监测光纤声发射(AE)传感技术的基本原
5、理是：将光源的光经过入射光纤传到调制区，在调制区内待测声发射波对光进行调制，使光的光学性质的某一方面，如强度、波长、相位、偏振、频率等发生变化，使得已调制光携带声发射波的信息，然后将已调制光送入解调装置即可获得待测参数。2 .基于结构振动分析的结构健康监测通过监测结构中的损伤或状态变化，导致结构动力学各种参数的变化，搜集观测到的信号变化信号并与基准信号进行比对，选择其中最有可能的变化来判断结构的真实情况。目前常用的参数有振型、频率函数、频率、模态曲率、功率谱、传递函数、及能量传递谱等，通过比较这些函数的变化来判断结构的损伤情况。3 .基于数字图形图像处理技术的结构健康监测数字图形图像处理技术的
6、结构健康监测主要通过计算机图像处理技术来实现，其主要原理是将采集到的图像信息转化为数字信息，并利用计算机进行除噪、增强、复原、分割、提取等处理的方法与技术。在机械结构在线健康监测技术中，应用三位立体技术、激光技术、数字集成化技术等来实现信息的反馈。4 .基于结构应力应变分布的结构健康监测应力是结构受到外部力以后本身产生的一个与外力平衡的力，是面积力。应变式由内力或外力引起的结构的变形与原形状的比值。应力与应变在弹性范围内有相应的比例关系,=Eo应力为面积力，无法测量，故应力应变测试是应变的测量，再通过应变与应力的关系算出应力值。三、远程监测与动态监测机械结构健康的监测对机械在使用中的安全非常重
7、要，而对机械结构健康的具体数据的分析与研究，对机械结构的设计有更大意义。机械的使用中，对结构健康的监测结构一般是使用较简单的方式反馈出来，以利于操作者的判断。而对具体的数据收集及分析需要较强的专业知识和能力。因此，随着现代无线网络技术，物联网技术，现代通信技术的发展，采用基于短距离无线网络技术GPRS/CDMA移动通讯网络的远程监测系统和基于短距离无线网络技术的监测系统得到了广泛应用。实施远程的诊断和访问，能充分利用更多的技术支持和数据共享，大大的提高了机械结构健康诊断的准确性，其将是机械结构健康监测的发展趋势。远程监测与动态监测的结合是建立在集中式或分布式监测系统的基础之上的，如果没有这种监
8、测系统也就无法实施异地的远程和动态监测，实现远程和动态监测的技术要求较高，在设计和应用中需要解决许多技术问题。四、损伤识别与健康预警对于健康监测对结构的损伤识别能力，实用性评估涉及到四个方面：（1）结构健康监测的应用对于生命安全和经济效益有什么好处？（2）怎样对结构进行损伤定义，多重损伤同时存在的可能性，哪种类型最值得关注？（3）什么条件下（不同用途、不同环境）的体系需要监测（4）使用过程中采集数据的局限性使用环境对监测的体系和监测过程的完成形成限制条件。这种评估开始将损伤识别的过程和损伤的外部特征联系起来，当然也用到独特的损伤特征来完成检测。机械结构损伤的研究主要来源于机械结构的固有频率、振
9、型、刚度阵和柔度阵、模型修正、计算智能、小波分析以及概率统计等。目前应用较为广泛的有两种，一是根据机械结构的振动特征的损伤识别的方法主要有：基于共振频率和反震频率的方法；基于共振频率和振型的方法；基于频率响应函数的方法；混合方法；人工神经网络方法等。另一种是基于小波分析的方法。机械结构健康监测的预警是指机械结构的监测结果结合相应的管理软件,在软件中对机械结构的预警阈值和报警阈值进行设定,通过声光电信号或者显示系统的图形等信息表现出来。结束语：机械结构健康监测有助于管理人员更加方便地判定机械金属结构的安全状况,及时发现损伤并跟踪，能够在损伤导致结构失效前采取措施，避免引发重大事故。这对管理大型机械的运营安全有很大帮助，具有科研价值和实际的工程应用价值。
