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集成压电结构健康监测扫查系统软件设计

作　者: 张炳良
导　师: 袁慎芳
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 结构健康监测数据采集信号处理虚拟仪器模式识别
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

结构健康监测技术是当前国内外工程领域的一个研究热点。系统的软硬件集成化研究是该领域最为重要的研究方向之一。本文基于主动结构健康监测监测方法和系统集成技术,开发了一套集成压电结构健康监测扫查系统软件。本文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,结合主动结构健康监测技术工程化应用的需求,分析了集成压电结构健康监测扫查系统软件的设计要求,提出软件的基本组成部分,重点讨论了软件的设计思想与关键开发技术。其次,设计并实现了扫查系统管理部分软件,包括:①传感器网络管理;②基本硬件管理:压电任意激励波形产生模块控制、压电响应高速数据采集模块模块控制、程控增益电荷放大器模块控制、数字I/O和多通道切换模块控制、压电传感器阻抗测试模块控制;③综合硬件管理:多通道扫查、单通道频率扫查、硬件自检。该部分软件方便外部传感器网络的定义和管理,能实现大面积的主动结构健康监测。然后,总结了多种面向主动结构健康监测应用的信号信息处理分析方法,包括信号预处理、时域和频域方法、Lamb频散、Lamb分解、小波变换、黄氏变换、人工神经网络、模式识别。开发了集成这些信号信息处理技术的软件工具箱。工具箱能快速提取监测信号的特征参数,辨识结构损伤状态。最后,利用多通道扫查实验,验证传感器网络管理功能和多通道扫查功能。在螺钉连接失效实验中,利用基本硬件管理功能和信号特征提取以及模式聚类功能有效辨识螺钉松动的各种状态。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-19
  1.1 结构健康监测概述  12-13
    1.1.1 定义  12
    1.1.2 研究背景  12-13
  1.2 结构健康主动监测技术  13-16
    1.2.1 基于 Lamb 波的主动监测技术  13-14
    1.2.2 主动监测技术的基本要素  14-15
    1.2.3 系统集成技术  15-16
  1.3 国内外研究动态和应用  16-17
  1.4 本文研究内容  17-19
第二章系统软件设计要求和技术  19-32
  2.1 系统结构体系  19-20
  2.2 软件设计要求  20-25
    2.2.1 硬件管理  20-22
    2.2.2 传感器网络管理  22-24
    2.2.3 信号处理与损伤识别  24-25
  2.3 软件模块框图  25-26
  2.4 软件设计平台和工具  26-27
  2.5 虚拟仪器技术  27-28
  2.6 软件开发技术  28-30
    2.6.1 软件的模块化设计  28
    2.6.2 软件多线程设计  28-29
    2.6.3 软件图形可视化高效设计  29
    2.6.4 动态链接库及联合编程  29-30
  2.7 软件性能特点  30-31
  2.8 本章小结  31-32
第三章传感器网络管理和硬件管理  32-55
  3.1 管理模块结构框架  32-33
  3.2 传感器网络管理  33-35
  3.3 基本硬件模块管理  35-47
    3.3.1 压电任意激励波形产生模块的控制  35-39
    3.3.2 压电响应高速数据采集模块的控制  39-42
    3.3.3 程控增益电荷放大器模块的控制  42
    3.3.4 数字 I/O 通道控制模块和通道切换模块的控制  42-43
    3.3.5 压电传感器阻抗测试模块控制  43-46
    3.3.6 单激励单传感的主动结构健康监测  46-47
  3.4 单通道频率扫查主动结构健康监测  47-48
  3.5 多通道扫查主动结构健康监测  48-50
  3.6 系统硬件自检  50-51
  3.7 数据管理与附加工具  51-54
    3.7.1 测量数据管理  51-52
    3.7.2 软件运行监测  52-53
    3.7.3 实时信号波形分析  53-54
  3.8 本章小结  54-55
第四章信号处理与损伤判别模块  55-86
  4.1 工具箱软件结构框图  55-57
  4.2 频散曲线工具箱  57-60
  4.3 基本信号处理与分析工具箱  60-64
    4.3.1 信号回放与基本参数计算  60-62
    4.3.2 信号预处理  62-63
    4.3.3 谱密度计算  63-64
  4.4 小波变换工具箱  64-69
    4.4.1 小波求波达时刻  66-67
    4.4.2 小波变换工具箱开发  67-69
  4.5 黄氏变换工具箱  69-73
    4.5.1 经验模态分解和固有模态函数  69
    4.5.2 希尔伯特变换与希尔伯特谱  69-71
    4.5.3 黄氏变换算法实现流程  71-72
    4.5.4 黄氏变换工具箱的开发  72-73
  4.6 Lamb 分解工具箱  73-75
  4.7 人工神经网络工具箱  75-76
  4.8 模式识别工具箱  76-85
    4.8.1 有监督的学习方法  76-79
    4.8.2 无监督的学习方法  79-82
    4.8.3 模式分类工具箱的开发  82-85
  4.9 本章小结  85-86
第五章系统软件功能验证实验  86-95
  5.1 多通道扫查功能验证实验  86-89
  5.2 螺钉连接失效实验  89-94
    5.2.1 实验盒段试件  89-90
    5.2.2 压电夹层布置  90-92
    5.2.3 螺钉连接失效辨识  92-94
  5.3 本章小结  94-95
第六章总结与展望  95-97
  6.1 论文总结  95
  6.2 课题展望  95-97
参考文献  97-101
致谢  101-102
在学期间的研究成果及发表的学术论文  102-103

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