结构健康监测中的常用信号处理方法

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1、结构健康监测中的常用信号处理方法小组成员：闫佳妮王婷张小宁张炳良结构健康监测及信号处理单元常用信号处理方法及其应用信号分类时域信号分析与应用频域信号分析与应用时频域信号分析与应用HHT变换与应用典型结构健康监测实例报告的主要内容1结构健康监测及信号处理单元结构健康监测结构健康监控技术是智能材料结构研究的一个重要分支。结构健康监控技术是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感∕驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息﹙如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等﹚，结合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参

2、数，识别结构的状态，包括损伤，并对结构的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展，从而实现结构健康自诊断，自修复，保证结构的安全和降低维修费用。结构健康监测系统结构健康监测系统是在原有结构材料上以特定方法融合进传感器、驱动器及部分信号信息处理元件，同时结合外部计算机数据采集系统等实现的一种智能系统。主动结构监测系统信号信息处理技术传感网络监测到的数据，需要进行分析并提取特定参数，来识别结构状态。结构状态参数的提取：结构力学建模方法结构振动模态分析技术信息信号处理技术：不需要依赖结构力学模型，且对结构中的小尺寸损伤比较敏感。

3、信号与信息处理信号处理：除传统傅立叶分析以外，先进时频信号处理方法在研究中普遍采用，如小波分析、HHT分析方法等。信息处理：模式识别技术、人工神经网络技术、多主体协作技术、遗传基因算法等信息处理方法被用来对结构状态参数进行辨识。信号处理是结构健康监测系统中必不可少的环节传感器对结构所监测到的信号必须经过信号处理，以获得反映结构状态的特征参数，其必要性如下：实际工程结构所处的环境比较复杂，如飞行器结构就可能工作在强电磁干扰、振动和高、低温环境下，这些环境因素会给被监测信号带来很多影响；传感器的灵敏度有限，结构的一些状态变化反映到传感器的监测信号中，往往信

4、号微弱，因此需要对传感器网络监测到的信号进行处理以获得信噪比较高、较为精确的参数。由传感器网络所监测到的结构参数值，往往不是能直接表征结构健康情况的参数，如应力、应变、位移、温度、湿度等，这些参数必须经过信号处理方法加以综合，并提取能直接反映结构中损伤的参数，才能有效评判结构的状态。2.常用信号处理方法及其应用信号的分类方法可以用明确的数学关系式描述的信号称为确定性信号非确定性信号不能用数学关系式描述，其幅值、相位变化是不可预知的，所描述的物理现象是一种随机过程。在非确定信号中，如果信号的统计特征保持不变，那么这类信号称为平稳信号，否则称为非平稳信号。

5、功率谱密度是信号的一种统计特征。平稳信号的功率谱密度不随时间变化，而非平稳信号的功率谱密度随时间发生改变。时间t/s幅值u/v图4–4平稳信号与非平稳信号幅值u/v时间t/s功率谱密度发生变化信号滤波方法信号滤波在信号处理中有两类作用，一是滤除噪声及虚假信号，一是对传感元件所监测到的信号进行补偿。对传感器监测到的信号首先进行的处理就是信号滤波。常用的信号滤波方法主要分为高通滤波、低通滤波、带通滤波和带阻滤波。图4–5滤波器的幅频特性频率混叠现象主要解决由于系统采样频率不够高所造成的信号频率混叠现象，在进行动态信号测试中必须考虑抗混叠滤波器。根据奈奎斯特

6、采样定律，在对模拟信号进行离散化时，采样频率至少应2倍于被分析信号的最高频率，否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分的现象，这称之为频率混叠现象图4–6频率混叠图a-采集信号﹙虚线﹚；b-真实信号﹙实线﹚抗混叠低通滤波器在对结构进行测量时，被测信号的高频成份往往不可避免，例如：在大型桥梁、高楼、机械设备等动态应变、振动测试及模态分析中，信号所包含的频率成份理论上是无穷的，而测试系统的采样频率不可能无限高也不需要无限高，因此信号中总存在频率混叠成分，如不去除混叠频率成份，将对信号的后续处理带来困难。为解决频率混叠

7、，在对监测信号进行离散化采集前，通常采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成份，这种低通滤波器就称为抗混叠滤波器。滤波器在使用时，应考虑传感器的工作频段而加以选择，对于压电传感器，其监测信号一般为具有一定频率的动态信号，因此一般后接带通滤波器。应变电阻元件一般监测低频信号，一般后接低通滤波器。时域信号分析与应用时域信号波形参数信号的到达时间、上升时间、持续时间、信号的峰值、信号的能量、信号的响铃个数时域信号统计参数的提取时域统计特征：信号的均值、均方值、方差以及概率密度等函数等。图4–10时域波形参数定义图基于Lamb波信号峰值特征的监测方法Lam

8、b波通过结构中的损伤时，其峰值会发生衰减的现象。蜂窝夹芯复合材料梁和碳纤维复合材料梁上制作损伤