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基于小波分析的结构健康状态监测技术研究

作　者: 贺佳
导　师: 段晨东
学　校: 长安大学
专　业: 环境工程
关键词: 小波变换小波包分解频带能量损伤检测损伤定位
分类号: TU317
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

损伤检测是进行结构健康监测的基础，本文以结构监测与损伤诊断为目的，研究了基于小波变换和小波包分析的损伤检测方法。阐述了实施土木工程结构健康监测的必要性和迫切性，介绍了结构健康监测与损伤诊断的概念，讨论了系统组成、损伤检测的方法及其研究现状；研究了小波函数和尺度函数的时频特性，小波变换的多分辨分析及其正交性。小波变换可以把信号分解到不同频带中，进行时频域处理。实验证明：(1)正交小波变换具有良好的滤波特性；(2)小波系数的瞬态突变可以描述信号奇异性；(3)小波包分解频带能量分布能够表征信号分量的能量变化，小波包分析为信号处理和特征提取提供一种更加精细的分析方法。重点研究了基于小波分析的结构损伤检测方法。在ASCE四层钢结构模型的基础上，采用正交小波变换分析其响应信号。研究表明：高频分量中的尖峰值可以判断是否发生损伤和损伤发生的时刻；当多个损伤接连发生时，尖峰值出现的顺序可以准确的描述各种损伤发生的顺序，并根据节点在结构中所处的空间位置，可以判断出损伤发生的区域。另外，提取损伤特征时，小波基函数的选择至关重要，对于Daubechies小波系，不同支撑区间的Daubechies小波，损伤特征提取的效果是不同的，支撑区间越大，小波的正交性越好，提取的损伤特征越显著。基于小波包频带能量分解的结构损伤检测方法是利用信号在不同频带的相对能量的分布关系监测结构是否发生损伤。以正交小波作为基函数，对结构的加速度振动信号小波包分解，并计算每个频带上的相对能量。研究表明：不同类型损伤的小波包能量分布是不同的，通过对信号的小波包能量相对分布关系的监测，可以判定损伤存在与否；另外，小波包能量分布能够反映损伤的严重程度；其次，对于同一种损伤，不同节点响应信号的小波包分解能量分布大小是不同的，结构中越高的节点，小波分解及小波包分解的结果表现出的损伤特征越显著。

全文目录

第一章引言  8-18
  1.1 结构健康监测技术与损伤诊断的意义及内容  8-10
  1.2 结构健康监测技术与损伤诊断的发展及研究现状  10-16
    1.2.1 传感器最优化布置  11
    1.2.2 损伤检测技术  11-16
  1.3 课题来源、意义和论文的主要工作  16-18
第二章小波分析  18-43
  2.1 概述  18-19
  2.2 傅里叶变换  19-20
  2.3 短时傅里叶变换  20-21
  2.4 小波变换  21-37
    2.4.1 连续小波变换  21-22
    2.4.2 离散小波变换  22-23
    2.4.3 多分辨分析及其工程意义  23-27
    2.4.4 Mallat算法  27-30
    2.4.5 正交小波基的构造与信息独立化的提取  30-33
    2.4.6 Daubechies小波和Battle-Lemarie小波  33-37
  2.5 小波包的基本概念  37-41
  2.6 小波包分解频带能量  41-42
  2.7 本章小结  42-43
第三章正交小波的特性研究  43-54
  3.1 概述  43
  3.2 正交小波的频率分离特性  43-46
  3.3 小波对信号奇异性检测  46-49
  3.4 小波包分解频带能量  49-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章健康监测与损伤诊断在土木结构方面的应用  54-74
  4.1 概述  54
  4.2 ASCE结构模型  54-56
  4.3 基于小波分析的结构监测与损伤诊断  56-66
    4.3.1 损伤特征提取与小波函数的关系  56-63
    4.3.2 多个损伤特征的提取  63-66
  4.4 结构损伤的小波包分解频带能量监测  66-73
  4.5 本章小结  73-74
第五章结论与展望  74-76
  5.1 结论  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-81
致谢  81

基于小波分析的结构健康状态监测技术研究

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