CN102175472A - 基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统，属于工程结构安全监测技术领域。其特征是：模拟年轮仿生机制，首先，采用嵌入式微处理技术实现待测对象局部应力信号的拾取。其次，采用疲劳荷载谱雨流法实现应变信号疲劳交变特征参数提取，获得疲劳表征参量，包括：应变幅值、循环次数和应力状态，并对这些数据进行管理。基于这些疲劳表征参量，实现待测对象疲劳损伤累积状况、疲劳寿命评估及疲劳破坏预警。然后，采用无线传输单元对上述处理结果远程传输。本发明的效果和益处是可以方便的实现工程疲劳的实时监测问题，包括实现疲劳累积损伤分析、寿命预估和预警算法，原理清晰、高度集成、布设方便、结果可靠、成本较低。

Description

基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统

技术领域

本发明属于工程结构安全监测技术领域，涉及到工程结构疲劳监测的方法，特别涉及到一种基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统。

背景技术

疲劳问题一直是困扰机械工程(如装备、吊车等)、土木工程结构(桥梁、高层建筑、大跨结构、路面结构等)、交通运输器械、航空航天装备、能源装备(海洋平台、风机叶片、发动机组、油气管道、钻井钻柱等)等领域的关键科学与技术问题。1982年美国Battelle实验室统计表明，因机械设备疲劳寿命设计不当造成的事故损失占国民经济总产值(GNP)的4.4％，而疲劳断裂的事故占机械结构失效破坏总数的95％。80年代初，我国从西德引进的两台锻压机，其下横梁近几年先后发生疲劳破坏。其中一台2000吨油压快锻机从下横梁对称中心截面处疲劳断裂，造成直接经济损失几千万元，间接经济损失上亿元。1988年，我国各油田的钻具事故次数达540多次，直接经济损失超过4060万元。据石油管材研究所对近几年钻井钻柱失效的实例分析，有80％以上属于疲劳或与疲劳有关的失效。目前，欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元，而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中95％是由于疲劳引起的断裂。不仅如此，疲劳问题在上述各个领域中造成的重大事故和严重的损失更是数不胜数。由此可见，工程中的疲劳问题确实是一个亟待解决重要问题。

疲劳(Fatigue)，是用来表达材料在循环荷载作用下的损伤和破坏。材料在应力或应变的反复作用下所发生的导致开裂或破坏的性能变化叫做疲劳。即，疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且有足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。疲劳问题的研究一般是通过疲劳设计、疲劳寿命预测及疲劳累积损伤评价来实现。目前，国内外对这些方法和理论虽有丰富的研究成果，但是这些方法仅仅停留在设计阶段，或者基于阶段监测数据的统计分析，尚没有形成长期实时捕获疲劳信息、快速预警与可靠的基于荷载历程的寿命评估技术。这主要是因为疲劳问题的影响因素多，单一参量无法准确表征。此外，传统的获得荷载谱的手段具有成本高、耐久性差、实时滞后、工程适应性差等缺点。

从上世纪中叶开始，通过编制疲劳荷载谱的方法来解决实际工程中的疲劳问题成为了研究热点。早期研究中多用于飞机，后期发展为桥梁、起重机、超高建筑等重要结构和使用工具方面，并且取得了比较有效的研究成果。但是，编制疲劳荷载谱是一项耗费人力、物力、材力并很难得到理想结果的工作，并且疲劳荷载谱的真实性和准确性很大程度上决定了工程中疲劳问题研究的可靠性。在编制疲劳荷载谱时，关键的环节是选择合理、有效、准确的循环计数方法。在国内外已发展的多种计数法中，雨流计数法是一种原理清晰、规则巧妙、实现方便、结果准确的循环计数方法。许多研究者应用它分析疲劳问题，并验证了它的优越性和可靠性。在疲劳累积损伤评价方面，长期以来发展了多种理论和评价机制。但是，绝大多数都无法很好的在工程中得以实现。其中，Miner线性累积损伤理论具有原理简单、实现方便、结果清晰等特点和优势，使得它成为应用范围最广的一种评价机制。另外，更有很多研究者将雨流计数法和Miner线性累积损伤理论结合来分析工程疲劳问题，并且得到了很好的结果。

随着现代智能传感、生物仿生、IT集成技术的发展，针对描述疲劳响应的核心表征参数(应变幅值、循环次数和应力状态)以及疲劳参数的损伤分析和寿命预测问题，出现了新的解决思路。基于电阻累积效应的疲劳寿命计技术采用特殊的敏感栅材料，经过特殊工艺处理使疲劳寿命计电阻率造成不可逆的增加。基于这种原理，对待测对象的疲劳历程进行实时监测和检测。该技术原理简单、使用方便、价格低廉，但是它具有无法覆盖低应变周期、耐久性不高、非线性效应过大、监测疲劳参数少(仅应力幅和循环次数)等缺点，从而阻碍了这项技术的进一步发展。

对比构件或材料的疲劳表征参数(应变幅值、循环次数和应力状态)与非热带树木可以刻画不可逆数年龄累积、不同年份分界线、不同降雨量下的生长速度、阳光朝向等特征的年轮，我们由此得到启发，发现如果发展一种同样可以记录疲劳特征参数的计数器，即对随机应变时程通过成熟的荷载谱统计离散，刻画成相应应力状态下的确定应力幅值循环次数，不同的应力状态犹如年轮的年份环厚度，循环次数对应环数，这样就可以准确地记录疲劳特征参数，并方便地计算疲劳累积损伤和进行寿命评估。目前已经成熟的疲劳荷载谱理论、电子与微处理器技术、无线发射与接收技术为实现以上仿生监测系统提供了可靠的支撑。

发明内容

本发明目的是提供一种基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统，解决工程疲劳监测问题。

本发明的技术方案是：

一种基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统，包括感知探头单元、嵌入式微处理器单元和无线传输单元，其中感知探头单元采用一个或多个通用的结构变形类传感器，嵌入式微处理器单元包括前置放大器、A/D转换器和嵌入式微控制器，无线传输单元包括无线收发单元和能源模块。首先，由传感器探头单元感知待测对象在外荷载作用下的疲劳响应时程；其次，由嵌入式微处理器单元对疲劳响应时程进行分析和处理，通过获得的疲劳表征参量评价待测对象的疲劳性能；最后，由无线传输单元完成结果信息的远程传输。

本发明还有这样一些特征技术：

所述的感知探头单元采用一个或多个通用的结构变形类传感器；

所述的嵌入式微处理器单元包括前置放大器、A/D转换器和嵌入式微控制器，其中嵌入式微控制器采用DSP或单片机，并且，采用嵌入式微处理技术对待测对象局部应力信号进行拾取；

所述的无线收发单元是GPRS(General Packet Radio Service)或GSM(Global System for Mobile Communications)；

所述的无线传输单元中的能量模块为锂电池、镍氢电池或太阳能电池；

所述的嵌入式微控制器中内置一套疲劳分析与评价方法，该方法包含两个部分：一是分析待测对象疲劳响应时程的疲劳荷载谱雨流计数法，通过此方法获得疲劳表征参量；一是评价待测对象疲劳性能的疲劳累积损伤算法，通过此方法评价待测对象的疲劳性能；

所述的疲劳表征参量包括：应变幅值、循环次数和应力状态；

所述的评价待测对象的疲劳性能包括：疲劳累积损伤指数、疲劳寿命评估及疲劳破坏预警。

本发明的效果和益处是，可以方便的实现工程疲劳的实时监测问题，包括实现疲劳累积损伤分析、寿命预估和预警算法。本发明原理清晰、高度集成、布设方便、结果可靠、成本较低。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

局部应力信号的拾取及预处理。首先，将感知探头单元布设在待测对象的热点应力位置；然后，通过嵌入式微处理单元中的微控制器对应变感知探头获得的信号进行拾取；其次，对拾取的信号进行的管理，包括：信号放大、A/D转换、存储、滤波。其中，感知探头单元可以是任意的结构变形类传感器。

待测对象疲劳性能的评价结果。首先，将微控制器拾取的信号作为嵌入式微处理器的内置分析方法的原始数据；然后，采用微处理器的内置疲劳荷载谱雨流计数法从原始数据中提取疲劳表征参量，包括：应变幅值、循环次数和应力状态，并且在这个过程中，对原始数据峰谷值的检测、无效幅值的去除也是通过雨流计数法实现；其次，通过嵌入式微处理技术对算法输出的结果进行存储管理；再次，基于上述疲劳表征参量，通过疲劳累积损伤评价方法得到待测对象的疲劳性能评价结果，包括：疲劳累积损伤指数、疲劳寿命评估及疲劳破坏预警；其中，疲劳累积损伤评价方法可以是Miner线性累积损伤方法，也可以采用其他适合于特定情况的累积损伤准则；最后，通过嵌入式微处理技术对评价结果进行存储管理。

处理结果远程传输。采用GPRS或GSM等现代无线通信技术，通过本发明中无线传输单元对上述分析与评价结果进行远程传输。所传输结果包括：应变幅值、循环次数、应力状态、累积损伤程度指标、剩余寿命估计、疲劳性能预警。其中，无线传输单元中的能量模块采用市场通用的锂电池、镍氢电池或太阳能电池实现。

Claims (1)

1.一种基于生命年轮仿生机制的无线智能疲劳监测系统，包括感知探头单元、嵌入式微处理器单元和无线传输单元，通过模拟年轮累积特征机制，采用嵌入式微处理技术对待测对象局部应力信号进行拾取；采用疲劳荷载谱雨流法对应变信号疲劳交变特征参数进行提取，获得表征疲劳的物理量，包括：应变幅值、循环次数和应力状态，并对这些数据进行管理和疲劳累积损伤分析；采用现代无线通信技术，对上述处理结果进行远程传输，其特征在于：

(a)嵌入式微处理器单元包括前置放大器、A/D转换器和嵌入式微控制器，其中，嵌入式微控制器采用DSP或单片机，并且，采用嵌入式微处理技术对待测对象局部应力信号进行拾取；

(b)嵌入式微控制器中内置一套疲劳分析与评价方法，该方法包含两个部分：其一是分析待测对象疲劳响应时程的疲劳荷载谱雨流计数法；其二是评价待测对象疲劳性能的疲劳累积损伤算法；并且，通过雨流计数法法获得疲劳表征参量；

(c)基于疲劳表征参量，结合疲劳累积损伤算法对结构疲劳性能进行评价，评价结果包括：待测对象疲劳损伤累积状况、待测对象疲劳寿命评估、待测对象疲劳破坏预警；

(d)无线传输单元包括无线收发单元和能源模块，其中无线收发单元采用GPRS或GSM；能量模块采用锂电池、镍氢电池或太阳能电池。