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基于无线传感器网络的桥梁动力特性测试与分析

作　者: 张楠
导　师: 颜全胜
学　校: 华南理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 桥梁健康监测无线传感器网络 Imote2 时域法随机子空间算法环境振动
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

结构健康监测是利用传感器网络来监测结构安全状态的一种方法,传统的检测方法往往需将结构关闭,这样影响了人们日常生活和工作的使用,造成了经济损失。随着传感技术、微机电系统、现代网络和无线通讯等技术的进步,以新兴的无线传感网络技术为核心的智能结构健康监测技术为结构状态信息的获取、结构安全运营和系统实现提供了一条崭新的途径。本文以Imote2 无线传感器网络平台的应用为背景,首先介绍了桥梁健康监测系统和无线传感器网络系统及其节点的概念、组成及工作原理。然后针对健康监测的后处理方法之一模态分析方法进行了研究,阐述了结合随机子空间算法和自然环境激励技术(NExT/SSI)的模态参数识别方法,并以NExT/SSI理论为背景编写了模态参数识别程序。通过通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,使用高斯白噪声激励力模拟环境激励的方法获得的响应数据进行模态参数识别,验证了NExT/SSI方法理论的可靠性。最后以应用无线传感器网络系统测试得到的实验室桁架模型数据及主跨为480米的钢箱梁斜拉桥湛江海湾大桥为工程背景,采用NExT/SSI方法对测试数据进行分析,通过与特征系统实现算法(ERA)识别结果对比,证明了无线传感器网络技术及NExT/SSI方法适用于桥梁的健康监测及模态分析。本文对无线传感器网络应用及随机子空间算法的研究工作,对使用无线传感器网络进行结构动力测试分析有一定的实用意义和参考价值。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究背景和意义  11-12
  1.2 无线传感器的国内外研究现状  12-18
    1.2.1 节点平台的发展  12-15
    1.2.2 无线传感器网络在土木结构健康监测领域的应用  15-18
      1.2.2.1 国外研究应用情况  15-17
      1.2.2.2 国内研究应用情况  17-18
  1.3 模态时域分析方法简介  18
  1.4 随机子空间算法的研究现状  18-19
  1.5 本文的内容安排  19-21
第二章无线传感器概述  21-37
  2.1 桥梁健康监测系统  21-23
    2.1.1 桥梁健康监测概念  21
    2.1.2 桥梁健康监测系统组成  21-23
  2.2 无线传感器及其网络系统  23-27
    2.2.1 无线传感器网络的概念  23
    2.2.2 无线传感器网络体系结构  23-25
    2.2.3 无线传感器网络特性及其关键技术  25-27
      2.2.3.1 无线传感器网络特性  25-26
      2.2.3.2 无线传感器网络的关键技术  26-27
  2.3 基于IMOTE2 无线传感器节点的监测系统  27-30
    2.3.1 Imote2 节点硬件  27-29
      2.3.1.1 Imote2 节点硬件处理器  28
      2.3.1.2 Imote2 节点硬件频射天线  28
      2.3.1.3 Imote2 节点硬件电池板  28-29
    2.3.2 ITS400 传感器电路板  29
    2.3.3 Imote2 节点软件  29-30
  2.4 IMOTE2 在WINDOWS 操作系统下的运行环境安装与配置  30-36
    2.4.1 TinyOS 的安装  30-34
    2.4.2 Imote2 环境变量的安装配置  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第三章基于环境振动的随机子空间识别算法  37-61
  3.1 概述  37
  3.2 自然环境激励技术  37-39
  3.3 随机子空间算法  39-48
    3.3.1 随机子空间基本理论  39-43
      3.3.1.1 连续时间状态空间模型  39-41
      3.3.1.2 离散时间状态空间模型  41-42
      3.3.1.3 随机子空间状态方程模型  42
      3.3.1.4 随机子空间状态方程模型的基本性质  42-43
    3.3.2 基于协方差的随机子空间算法  43-47
      3.3.2.1 构造Hankel 矩阵  43-44
      3.3.2.2 输出协方差矩阵及其分解  44-45
      3.3.2.3 模态参数识别  45-46
      3.3.2.4 模态参数识别精度指标  46-47
    3.3.3 编制模态分析程序  47-48
  3.4 仿真算例  48-60
    3.4.1 函数模拟输出数据验证  48-51
    3.4.2 有限元仿真模型算例  51-60
      3.4.2.1 仿真模型模态分析  52-53
      3.4.2.2 自编程序识别  53-59
      3.4.2.3 与其他时域方法的比较  59-60
  3.5 本章小结  60-61
第四章基于无线传感器系统的桥梁时域模态参数辨识  61-77
  4.1 三维桁架的模态参数辨识  61-68
    4.1.1 实验桁架概况  61-62
    4.1.2 试验简介  62
    4.1.3 桁架模型的模态参数识别  62-68
      4.1.3.1 振动信号预处理  62-64
      4.1.3.2 峰值法模态参数识别  64-65
      4.1.3.3 NExT/SSI 法模态参数识别  65-68
      4.1.3.4 NExT/ERA 方法模态参数识别  68
  4.2 湛江海湾大桥的模态参数辨识  68-76
    4.2.1 工程概况  68-69
    4.2.2 湛江海湾大桥的有限元分析  69-72
    4.2.3 湛江海湾大桥的振动试验简介  72-73
      4.2.3.1 实验参数设置  72
      4.2.3.2 测试仪器的使用  72
      4.2.3.3 测点的布置  72-73
    4.2.4 湛江海湾大桥的模态参数识别  73-76
      4.2.4.1 峰值法模态参数识别  73-75
      4.2.4.2 NExT/SSI 法模态参数识别  75
      4.2.4.3 NExT/ERA 法模态参数识别  75-76
  4.3 本章小结  76-77
第五章结论与展望  77-79
  5.1 结论  77-78
  5.2 展望  78-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间取得的研究成果  83-84
致谢  84

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