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基于WSN的桥梁结构损伤监测系统的研究

基于WSN的桥梁结构损伤监测系统的研究

作者：杨维卫东北师范大学

学位级别：硕士

随着国家对桥梁结构设施建设投入量的不断提高，以及人们对结构安全问题的日益关注，结构损伤监测技术已成为国内外工程领域研究的热点。结构损伤监测系统也已在大型桥梁中得到了广泛应用。传统的有线监测方式由于需要大量布线，会加大... 详细信息

随着国家对桥梁结构设施建设投入量的不断提高，以及人们对结构安全问题的日益关注，结构损伤监测技术已成为国内外工程领域研究的热点。结构损伤监测系统也已在大型桥梁中得到了广泛应用。传统的有线监测方式由于需要大量布线，会加大监测对象的负荷，并且后期系统的维护工作也是相当麻烦的。采用无线传感器网络来实现传感器节点部署和组网，不仅可以避免接线繁琐和环境破坏的困扰，而且还可以延长信息传输的距离。通过对传感器的感知信息进行处理和分析，就能及时获得结构的受损情况，是实现桥梁结构损伤在线监测的最佳方案之一。本文针对桥梁结构多参数自动监测技术的特点，利用新型无线网络技术，设计了基于WSN的桥墩结构多通道损伤监测系统，主要研究工作如下：（1）通过对桥梁结构损伤监测背景及现状的分析，提出将WSN应用于该监测系统。采用无线通信技术ZigBee进行系统组网，设计一种基于ZigBee的双层无线传感器网络拓扑结构，来对实际大型复杂结构进行全面高效率地远程监测。（2）针对桥梁结构采集的信号的多样性，设计了一套独立的多通道传感器采集模块，该模块的多通道设计可以将多种不同的采集信号同时发送到一个WSN节点上。系统的WSN节点、Sink节点、网关节点都采用TI公司推出的高度整合的系统级射频收发模块CC2530作为数据处理及无线收发的核心。利用CC2530优秀的RF性能、和业界标准增强8051MCU内核实现多通道数据处理及无线通信功能，增强了系统的可利用性。（3）在IAR开发平台下，运用高级语言C完成下位机软件的编程，设计符合本文要求的软件编程，包括多通道传感器采集、无线通信及串口通信部分的程序设计。上位机采用虚拟仪器LabVIEW进行人机交互界面的开发，将整个监测界面分为串口操作、参数设置、各参数显示窗口、生成独立安装程序4个部分，实现用户管理、节点选择、数据存储查询、远程监测等多种功能。（4）以桥梁的下部结构桥墩为例，模拟小车撞击桥墩，对桥墩模型进行动态冲击损伤监测试验。合理搭建车-墩撞击实验平台，并根据桥墩结构动态响应的特点优化布置传感元件，采集结构应力、应变及位移响应等参数。通过无线节点逐级发送数据至网关节点，最后再以串口通信方式发送到上位机显示。采用模式识别法，通过分析不同情况下桥墩结构的损伤特征参数，确定桥墩的损伤情况。

关键词：无线传感器网络(WSN) 结构损伤监测 CC2530 ZigBee LabVIEW 桥梁

基于ZigBee技术的无线结构损伤监测系统研究

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电子设计工程 2019年第19期27卷 1-5页

作者：李泽昀吴键姜涛黄明传南京理工大学

对于工程结构的损伤诊断,传统的检测方法需要铺设大量电缆,造成系统维护和更新费用高、机动性差、布线困难等问题。应用ZigBee无线传感器网络来替代现有电缆架构的传感器监测系统,扩大工程结构损伤监测范围,有效弥补了传统结构健康监测... 详细信息

对于工程结构的损伤诊断,传统的检测方法需要铺设大量电缆,造成系统维护和更新费用高、机动性差、布线困难等问题。应用ZigBee无线传感器网络来替代现有电缆架构的传感器监测系统,扩大工程结构损伤监测范围,有效弥补了传统结构健康监测的缺陷。针对无线结构损伤监测的特点和需求,本文从系统组成、无线结构损伤节点、无线结构损伤监测网络、无线结构损伤定位与成像几个方面对工程结构损伤监测与诊断进行研究。通过无线传感器网络收集无线结构损伤节点信息,实现了对航空铝板结构损伤的多点监测与位置诊断。

关键词：无线传感器网络 ZigBee 结构损伤监测损伤定位与成像

采用扩展的贝叶斯人工神经网络选择结构损伤监测模型

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钢结构 2009年第1期24卷 77-78页

作者： Heung Fai Lam Ching Tai Ng

对采用规则的动态数据进行结构损伤监测时,模式识别是一个有效的方法,人工神经网络作为匹配模式特征的系统方式广泛应用于模式识别研究中。人工神经网络设计是影响模型识别性能和效率的最基本因素。由Lam等人提出的贝叶斯人工神经网络... 详细信息

对采用规则的动态数据进行结构损伤监测时,模式识别是一个有效的方法,人工神经网络作为匹配模式特征的系统方式广泛应用于模式识别研究中。人工神经网络设计是影响模型识别性能和效率的最基本因素。由Lam等人提出的贝叶斯人工神经网络设计法则为单隐层前馈人工神经网络确定大量隐性神经单元提供了严格的数学手段。本文的第一个目标是对贝叶斯人工神经网络设计法则进行拓展,包括选择隐层中神经单元的传递函数。所提出的法则具有高效的特点,适用于实时人工神经网络设计。目前,许多人工神经网络设计技术需要在训练前已知人工神经网络模型的类型,因此,最基本的问题是自动选择优化的人工神经网络模型类型的技术。由于模型参数和Ritz向量一般用于描述模式的特征,本文的第二个目标是采用模式识别对结构损伤监测中这两个模式特征进行比较。为了清楚判断这两个特征,研究中采用了IASC-ASCE准则。研究结果显示:采用模型参数进行训练的人工神经网络性能略优于采用Ritz向量进行训练的人工神经网络性能。

关键词：人工神经网络结构损伤监测贝叶斯模型分级选择基准研究

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宽带随机激励下结构损伤的小波监测

上海交通大学学报 2005年第12期39卷 2057-2060,2071页

作者：董广明陈进雷宣扬宁佐贵王东升王雄祥上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室上海200240 中国工程物理研究院结构力学研究所四川绵阳621900

小波变换已被用于监测结构发生损伤时所引起的响应信号奇异性,但是,当结构受宽带随机激励时,结构响应信号的奇异性也会由激励所引起.研究了分离激励和结构损伤两方面引起的响应信号奇异性的小波变换方法,并将该方法应用于美国土木工程... 详细信息

小波变换已被用于监测结构发生损伤时所引起的响应信号奇异性,但是,当结构受宽带随机激励时,结构响应信号的奇异性也会由激励所引起.研究了分离激励和结构损伤两方面引起的响应信号奇异性的小波变换方法,并将该方法应用于美国土木工程师学会(A SCE)结构健康监测基准的有限元模型分析中.仿真结果表明,该方法是有效的.

关键词：结构损伤监测小波变换宽带随机激励

基于HHGA─RBF神经网络的复合材料结构脱层损伤监测研究

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宇航学报 2008年第1期29卷 347-351页

作者：李正强郑世杰南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室南京210016

针对应用于结构健康监测中的径向基函数神经网络(RBFNN)算法和训练中存在的一些问题,提出一种将递阶遗传算法和最小二乘法相结合,用于优化径向基神经网络的结构和参数的新算法,遗传过程中采用自适应的交叉和变异概率有效地加快了遗传收... 详细信息

针对应用于结构健康监测中的径向基函数神经网络(RBFNN)算法和训练中存在的一些问题,提出一种将递阶遗传算法和最小二乘法相结合,用于优化径向基神经网络的结构和参数的新算法,遗传过程中采用自适应的交叉和变异概率有效地加快了遗传收敛速度和避免早熟现象的出现。搭建了复合材料结构健康监测实验系统,并将实验模态分析结果归一化后送入训练好的RBF神经网络进行预测,实现了对复合材料梁的脱层损伤定位和损伤程度的辨识仿真。结果表明基于混合递阶遗传算法的径向基神经网络(HHGA─RBF)收敛速度快,鲁棒性好,精度高。

关键词： RBF神经网络混合递阶遗传算法自适应结构损伤监测

基于PZT阻抗法的钢结构桥梁高强螺栓损伤监测试验研究

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基于PZT阻抗法的钢结构桥梁高强螺栓损伤监测试验研究

作者：唐超长沙理工大学

学位级别：硕士

近年来,钢结构桥梁以其具有良好的抗震性能,加工简易,运输方便,易于施工现场连接安装等优点得到了大力发展。而高强螺栓作为钢结构桥梁节点连接的主要连接方式之一,往往由于受疲劳荷载、振动冲击、强迫振动、恶劣环境等因素而出现松动... 详细信息

近年来,钢结构桥梁以其具有良好的抗震性能,加工简易,运输方便,易于施工现场连接安装等优点得到了大力发展。而高强螺栓作为钢结构桥梁节点连接的主要连接方式之一,往往由于受疲劳荷载、振动冲击、强迫振动、恶劣环境等因素而出现松动或锈蚀损伤等现象,给结构安全可靠的运营造成了极为不利的影响。因此,对高强螺栓进行实时的损伤监测是必不可少的。故本文提出将压电阻抗技术应用于高强螺栓损伤监测中,主要研究结论如下:(1)在总结己有针对高强螺栓损伤检测技术和当前基于压电陶瓷的结构健康监测研究的基础上,阐述了压电阻抗法应用于结构健康监测的优点。对压电效应以及压电材料阻抗特性等理论进行了详细论述,并引入损伤指标对试验结果进行分析,为试验开展提供了必要的理论基础。(2)针对钢结构桥梁中高强螺栓松动损伤问题,试验设计了对应两种不同螺栓型号的试件,将四个PZT传感器粘贴于预定位置,采集螺栓在不同损伤程度下的机电耦合导纳并计算损伤指标。试验结果表明,损伤状态下的机电耦合导纳曲线较健康状况下的出现明显左偏,且偏移量与螺栓松动个数正相关。损伤指标也随着松动的螺栓个数增加而增大,且导纳实部显示出损伤近距离敏感性。对导纳曲线和损伤指标的分析,可由导纳曲线的变化情况对结构螺栓松动损伤状态进行初步识别,再结合损伤指标可对结构高强螺栓松动个数做出准确的判断。(3)对于钢结构桥梁中高强螺栓锈蚀损伤问题,试验首先对试件高强螺栓进行人工加速锈蚀,再分别采集不同锈蚀状态下的机电耦合导纳数据和质量并计算相应的损伤指标。试验结果表明,与健康状况下机电耦合导纳曲线相比,发生锈蚀损伤状态下的导纳曲线出现下移,且随着螺栓锈蚀天数的递增,下移也越来越大,而锈蚀过程中试件质量与锈蚀天数基本为线性关系。损伤指标随着锈蚀天数的增加而增大,导纳实部具有损伤近距离敏感性。试验验证了压电阻抗法对钢结构桥梁高强螺栓锈蚀损伤监测的可行性和有效性。

关键词：压电陶瓷压电阻抗法高强螺栓结构损伤监测损伤指标

钢混组合结构PBL剪力键滑移损伤监测试验研究

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长沙理工大学学报（自然科学版） 2020年第4期17卷 23-31页

作者：蒋田勇吴海军黄天皓长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 长沙建筑设计院有限责任公司湖南长沙410007

为了保证钢混组合结构的正常使用和实现对PBL剪力键滑移损伤的有效监测,提出了一种基于压电陶瓷的钢混组合结构PBL剪力键滑移损伤监测方法。设计了两组钢混组合结构PBL剪力键滑移损伤监测试件,在其中一组试件的型钢与混凝土的接触界面... 详细信息

为了保证钢混组合结构的正常使用和实现对PBL剪力键滑移损伤的有效监测,提出了一种基于压电陶瓷的钢混组合结构PBL剪力键滑移损伤监测方法。设计了两组钢混组合结构PBL剪力键滑移损伤监测试件,在其中一组试件的型钢与混凝土的接触界面涂了一层黄油,另一组则未涂黄油。在试件中布置压电智能骨料驱动器和压电陶瓷传感器采集滑移损伤的响应信号。研究结果表明:传感器接受到的信号幅值随滑移损伤程度加深而下降,其小波包能量也随着相对滑移量增加而下降;黄油使得钢混界面更加紧密,减少了应力波在传播过程中的耗散。

关键词：钢混组合结构 PBL剪力键结构损伤监测压电波动法滑移损伤

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《压电与声光》2014年第36卷总索引

压电与声光 2014年第6期 1043-1056页

悬挂式单轨桥墩模型高强螺栓松动损伤监测研究

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悬挂式单轨桥墩模型高强螺栓松动损伤监测研究

作者：方鳞长沙理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着城市化进程的快速推进,城市轨道交通也得到了高速发展。悬挂式单轨作为一种新型的城市轨道交通,也逐渐出现在大家的视野中。悬挂式单轨桥墩通过高强螺栓与基础相连,随着服役期的加长,加上桥墩本身受疲劳荷载、冲击荷载和震... 详细信息

近年来,随着城市化进程的快速推进,城市轨道交通也得到了高速发展。悬挂式单轨作为一种新型的城市轨道交通,也逐渐出现在大家的视野中。悬挂式单轨桥墩通过高强螺栓与基础相连,随着服役期的加长,加上桥墩本身受疲劳荷载、冲击荷载和震动等影响,难免会出现高强螺栓松动和断裂等现象,从而导致桥墩发生倾覆甚至崩塌。为了避免这种情况的出现,对悬挂式单轨桥墩高强螺栓松动损伤进行监测具有十分重要的意义。因此,为了对悬挂式单轨桥墩的安全服役保驾护航,本文进行了悬挂式单轨桥墩模型高强螺栓松动损伤监测研究,主要研究工作如下:(1)制作了悬挂式单轨桥墩缩尺模型,在桥墩模型底座钢板粘贴了压电陶瓷片,并在混凝土基座中预埋了压电智能骨料,采用压电波动法对桥墩模型高强螺栓松动损伤进行了试验监测研究。研究结果表明,随着高强螺栓松动个数和外荷载的增加,时域幅值、频域幅值和小波包能量幅值逐渐减小;距离高强螺栓越近的压电陶瓷对螺栓松动越为敏感;在高强螺栓松动工况相同的条件下,改变外荷载对不同位置处压电陶瓷接收到的小波包能量值影响不同。同时,当外荷载增大到一定数值时,小波包能量值下降缓慢。试验结果验证了压电波动法监测高强螺栓松动损伤的可行性。(2)在压电波动法试验研究的基础上,结合小波包能量分解理论,提取小波包能量损伤特征量,搭建了 BP神经网络,利用BP神经网络有效的对高强螺栓松动损伤进行了识别。同时,研究了传感器数目、损伤特征量处理方法和噪声对识别结果的影响。研究表明,多传感器归一化的小波包节点能量损失率搭建的BP神经网络能够更好地对高强螺栓松动损伤进行识别,并且具有较好的抗噪性。(3)采用ANSYS软件进行了压电阻抗法监测高强螺栓松动损伤的数值模拟。通过分析其导纳曲线的偏移和损伤指标的变化能够有效识别高强螺栓松动。数值模拟结果表明,导纳曲线会随着高强螺栓的松动而向上偏移,并且随着荷载的增大而减小其偏移幅度;电纳损伤指标位置敏感性和损伤敏感性都要优于电导损伤指标。验证了基于压电阻抗法的高强螺栓松动损伤监测数值模拟的可行性及有效性。

关键词：压电陶瓷高强螺栓 BP神经网络结构损伤监测悬挂式单轨桥墩