CN109855827A - 一种框架型天线罩结构健康度监测设备与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种框架型天线罩结构健康度监测设备，所述健康度监测设备工作于被动监控模式或主动监测模式，其特征在于，包括：振动发生单元；传感光纤；监控度监测装置。本发明的另一个技术方案是提供了一种框架型天线罩结构健康度监测方法。本发明可用于框架型天线罩因老化、疲劳、隐性损伤和安装缺陷等导致的结构完整性健康度监测和检测。本发明能够连续不间断监测天线罩结构健康状态，在需要维修时及时发出指示信息，改变了过去天线罩防护其它设备，对自身状况却一无所知的局面。本发明能够给用户和维修人员提供精准的天线罩结构健康度量化信息，改变了目前天线罩维护维修质量凭借主观经验评判的工作方式。

Description

一种框架型天线罩结构健康度监测设备与监测方法

技术领域

本发明涉及一种结构健康度监测设备及采用该设备的监测方法，尤其涉及一种针对框架型天线罩的结构健康度监测设备及采用该设备的监测方法。

背景技术

天线罩主要用于重要设备的环境防护，通常安装在自然环境条件较差的地区。目前，多数天线罩采用框架型结构和玻璃钢复合材料，通过特制的连接机构，将各个单元板连接成一个刚性结构整体，以抗击风雨对设备的侵袭。

由于天线罩自身直接遭受恶劣自然环境因素的侵蚀，结构体和材料会出现老化、松动，若不及时进行维护，会严重影响自身抗击风雨的性能，严重时导致破损和坍塌。

框架型天线罩安装后，因缺少有效的监测和检测装置，生产厂家一般根据经验值3年后开始巡检天线罩，对松动的结构体进行加固，修复表面的显性破损等。由于天线罩安装质量存在差异，不同批次材料也影响到天线罩结构体健康度。特别的，天线罩安装地点不同，风雨等外界自然环境因素差别很大。上述因素会导致天线罩结构体健康状况有很大的差异性。为了及时维护天线罩，保证安装和维修质量，需要有一种能够对天线罩结构健康度进行现场量化监测的设备，以准确指示或者预报需进行维修的时机。同时，可现场检测天线罩健康度，以帮助巡检人员判断天线罩结构健康状况，检测天线罩安装质量和维修效果。

实践发现，因外部较大级别阵风的持续反复作用，会导致连接天线罩框架结构的螺栓出现不同程度的松动，是危害天线罩安全性的致命因素之一。现场检查天线罩结构体松动的常用方法，是巡视人员用扳手随机抽样检测天线罩内部框架结合部位的安装螺钉松动程度。这种巡检方法对人员责任心要求较高，工作量大，对于天线罩的结构健康度只能提供感性的评判，难以做到对整体健康性能的量化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：天线罩的安装和检修都是在现场依靠人力进行，难以做到对整体健康性能的量化，难免会出现安装紧固遗漏等结构安全隐患。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种框架型天线罩结构健康度监测设备，所述健康度监测设备工作于被动监控模式或主动监测模式，其特征在于，包括：

振动发生单元，用于在主动监测模式下对框架型天线罩施加脉冲振动；

传感光纤，用于检测框架型天线罩在振动发生单元施加的脉冲振动或外部自然环境的作用下所产生的振动，形成振动信号；

监控度监测装置，用于：在主动监测模式下控制振动发生单元对框架型天线罩施加脉冲振动；接收传感光纤形成的振动信号后，提取振动信号的频率特征，不同频率特征与框架型天线罩结构的不同结构健康度相关，根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息。

优选地，所述传感光纤环绕所述框架型天线罩一周。

优选地，所述振动发生单元对所述框架型天线罩施加固定频率和幅度的所述脉冲振动。

优选地，所述监控度监测装置与用户终端建立数据通信。

优选地，所述监控度监测装置包括：

光电处理单元，用于将所述传感光纤产生的光信号解调转换为电信号；

A/D转换电路，光电处理单元产生的电信号经过放大驱动后，由A/D转换电路转换为数字信号；

嵌入式主机，用于：在主动监测模式下控制所述振动发生单元；对A/D转换电路输出的数字信号进行计算获得所述结构健康度，并根据结构健康度产生所述人机交互信息。

优选地，还包括报警设备，根据所述人机交互信息，报警设备在所述嵌入式主机的控制下产生告警。

本发明的另一个技术方案是提供了一种框架型天线罩结构健康度监测方法，其特征在于，采用上述的健康度监测设备，当所述健康度监测设备工作于被动监控模式时，所述健康度监测方法包括以下步骤：

步骤A1、由所述传感光纤检测框架型天线罩在外部自然环境的作用下所产生的振动，形成振动信号；

步骤A2、所述监控度监测装置接收到振动信号后，获得振动信号对应的频谱，提取频谱的频率特征，利用频率特征计算得到疲劳指数；

步骤A3、根据上一步得到的频率特征及疲劳指数计算得到结构健康度，由监控度监测装置根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息；

当所述健康度监测设备工作于主动监测模式时，所述健康度监测方法包括以下步骤：

步骤B1、所述振动发生单元在所述监控度监测装置的控制下对框架型天线罩施加脉冲振动；

步骤B2、由所述传感光纤检测框架型天线罩在所述振动发生单元施加的脉冲振动的作用下所产生的振动，形成振动信号；

步骤B3、所述监控度监测装置接收到振动信号后，采用步骤A2相同的方法获得频率特征及疲劳指数；

步骤B4、采用步骤A3相同的方法得到结构健康度，由监控度监测装置根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息。

优选地，步骤A2中，所述频率特征包括谐振频率fo、谐振频率fo对应的幅度值、高频成分的典型频率fh、典型频率fh对应的幅度值。

优选地，设幅度值A0持续1秒表征框架型天线罩1个标准受力单位，步骤A2中，疲劳指数定义为t_d，则有：

式中，框架型天线罩在持续t1秒内频谱的振幅超过A0，且t1秒内振幅的峰值为A1，A1>A0；int()表示取整运算。

优选地，步骤A3中，结构健康度定义为Hlt，则有：

Hlt＝A·fo+B·fh+C·t_d+D，式中，A、B、C代表谐振频率fo、典型频率fh及疲劳指数t_d对结构健康度的贡献率的权重系数；D为预先确定的常数。

本发明可用于框架型天线罩因老化、疲劳、隐性损伤和安装缺陷等导致的结构完整性健康度监测和检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明能够连续不间断监测天线罩结构健康状态，在需要维修时及时发出指示信息，改变了过去天线罩防护其它设备，对自身状况却一无所知的局面。

(2)本发明能够给用户和维修人员提供精准的天线罩结构健康度量化信息，改变了目前天线罩维护维修质量凭借主观经验评判的工作方式。

(3)本发明采用分布式光纤传感技术感应天线罩的振动和形变，相对其它方式，具有对整套结构应力信息收集全面，灵敏度高等优势，能够为天线罩结构健康度命题的科学研究，提供科学的、量化的数据。

附图说明

图1是本发明监测设备的布置示意图，其中，1、框架型天线罩，2、健康度监测装置，3、传感光纤，4、振动发生器，5、天线罩基础；

图2是本发明监测设备所属健康度监测装置2的组成示意图，其中，6、光电处理单元，7、供电单元，8、声光报警器，9、嵌入式主机；

图3是本发明监测方法及其设备的作用过程示意图，其中，阵风或者振动信号作为外部激励源，作用于天线罩结构体1，通过振动检测10还原出天线罩受力和变形状况数据，再对数据筛选后，进行有关结构健康度的特征提取11，根据提取出的特征常量，代入健康度模式识别12算法，得到量化的天线罩结构健康度数值；

图4是本发明监测设备采集的在外部阵风作用下的天线罩形变时域波形，纵轴为幅度，横轴为时间，其中，13表征天线罩1个标准受力单位，形变幅度为A0持续1秒；

图5是本发明监测设备采集的在振动激励源作用下的天线罩形变时域波形，纵轴为幅度，横轴为时间；

图6是本发明监测设备采集的时域波形经过FFT(Fast Fourier Transform)快速傅里叶变换后得到的频谱图；

图7是本发明监测方法进行测量、统计和计算结构健康度指数的流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明将光纤传感技术应用于结构损伤检测和评估，1995年德国柏林结构掩护及现代化研究机构将光纤粘结在郊外铁路钢桥的构件上，在联邦材料研究中心试验厅内对其进行远程监测，测得了横向大梁的裂缝开展过程。

本发明所涉及的技术包括：

(1)结构健康监测技术：Structural Health Monitoring，指的是对土木和机械工程等基础设施进行损伤诊断的过程。具体通过机械系统的动态响应提取损伤灵敏性特征，并对这些特征进行量化、统计分析，进而判定系统当前的健康状况。

(2)光纤传感技术：Fiber Optic Sensing，指的是光纤感应外界压力、振动和温度等变化，影响光波在光纤中传播。通过感知光波的变化，进而还原并测量外部变化量的技术。光纤本身不带电，同时具有抗电磁干扰、抗辐射、体积小等特点，因此，光纤传感技术应用领域广泛。在本发明中，利用光纤传感技术感知天线罩受到的振动和结构变形。

(3)信号处理技术：Signal Processing，指的是将光电转换后的模拟信号进行采样，形成离散数字信号后，将原始时域数据通过特定算法得到特定时域、特定频域和相关域等包含信号特征数据的过程。

(4)信号特征测量技术：Signal Measurements and Feature Extraction，信号测量和特征提取技术的简称。指的是在信号处理的基础上，进行多个维度的精细化测量，提取能够描述某一事件的单维度或多维度关联性特征的过程。

(5)模式识别技术：Pattern Recognition。指的是利用采集的有效数据及提取的特征参数，建立模式识别算法，与天线罩结构“健康”、“亚健康”和“非健康”三种模式之间建立一种映射关系。

具体而言，如图1所示，本发明提供了一种针对框架型天线罩结构健康度监测设备，包括健康度监测装置2、传感光纤3和振动发生器4。其中，传感光纤3沿框架型天线罩的内壁下方用胶带布置一周后，接入健康度监测装置2。振动发生器4固定安装在框架型天线罩内部的罩壁或者框架结构上。

结合图2，健康度监测装置2包括光电处理单元6、供电单元7、声光报警器8和嵌入式主机9。传感光纤3以FC/APC接口型式与健康度监测装置2内部的光电处理单元6连接。振动发生器4以RS485三芯控制电缆和DC+12V直流供电的方式与健康度监测装置2内部的嵌入式主机9连接。声光报警器8安装在健康度监测装置2顶部位置，以触发控制和直流供电线缆方式与嵌入式主机9连接。声光报警器8具有红黄绿三色LED指示灯，分别指示框架型天线罩“非健康”、“亚健康”和“健康”三种状态。当框架型天线罩进入“非健康”状态时，红色LED指示灯闪烁，并同时伴有告警声。用户PC终端通过网线或WiFi方式接入嵌入式主机9的网络接口，以TCP/IP协议与嵌入式主机9进行交互，得到框架型天线罩的健康度检测过程数据和健康度分值。

结合图3，本发明提供的天线罩结构健康度监测设备工作在以下两种模式：

一)被动监测模式

在外界阵风作用下，框架型天线罩结构发生振动或者形变，通过振动检测10对感应到的框架型天线罩的振动信号进行多维特征提取11，根据提取的谐振频率等特征参数进行条件统计，得到天线罩健康度，实现天线罩结构健康度的被动量化监测。

二)主动监测模式

在无风安静状态下，通过振动发生器4对框架型天线罩施加固定频率和幅度的脉冲振动，通过振动检测10对感应到的框架型天线罩的振动信号进行多维特征提取11，根据提取的振动时域衰减、高频频率等特征参数，进行条件统计和模式识别得到天线罩健康度，实现天线罩结构健康度的主动量化监测。

利用本发明提供的天线罩结构健康度监测设备可以对框架型天线罩进行实时监测，也可以对框架型天线罩进行安装检修质量检测。

一)实时监测

本发明提供的天线罩结构健康度监测设备在正确安装、供电正常情况下，可24小时不间断监测框架型天线罩，利用被动监测模式或主动监测模式检测天线罩结构健康度，并持续将健康度分值实时传送给用户，用户亦可通过网页访问设备，观察健康度分值变化曲线。

当设备出现红色告警指示信息，说明天线罩结构健康度已进入需要及时维修阶段，设备通过短信等方式及时提醒用户和生产厂家采取措施。

设备具备断电自启功能，无需用户干预，来电后重新进入监测工作状态。在用户或者维修人员的干预下，实时监测模式可切换到下面的安装检修质量检测模式。

二)安装检修质量检测

当新框架型天线罩完成安装后，或者框架型天线罩完成检修结构加固后，维修厂家质管人员或用户可以利用本发明提供的天线罩结构健康度监测设备，通过网页操作，以主动监测模式检测天线罩健康度，以检验安装维修质量是否合格或者优秀。

在完成天线罩安装检修质量检测后，用户通过网页操作方式，可切换进入实时监测模式。

本发明提供的一种天线罩结构健康度监测设备无论是工作在被动监测模式，还是工作在主动监测模式，其获取天线罩健康度分值的方法均包括以下步骤：

步骤一：振动检测。

结合图3，传感光纤3感应框架型天线罩的振动，这些振动可能来自于外部的风、雨等自然因素，或者框架型天线罩附近经过的汽车或飞机产生的振动，以及天线罩内部天线转动时引起的振动，或者通过振动发生器4施加的脉冲振动的影响而主动产生的振动。这些振动将引起框架型天线罩结构的轻微形变，由于框架型天线罩结构是一个刚性整体，形变将导致传感光纤3内传导的激光相位和幅度发生变化，这样，整个框架型天线罩各个部分的振动即对光信号产生了调制效应。光电处理单元6将光信号解调转换为电信号，由于光波的频率远远大于天线罩振动频率，因此，解调后的电信号比较完整地保留了框架型天线罩振动的所有细节特征。光电转换后的电信号经过放大驱动后，由A/D模数转换电路以48KSps采样率、16bit样本长度，采样转换为离散时域数据流，提供给特征提取11部分做进一步的信号处理。

步骤二：特征参数提取

影响框架型天线罩结构健康的主要因素是：一在外力反复作用下，连接框架螺栓松动导致天线罩整体结构的缺陷；二是受外界自然因素影响和自身材料老化所致，加速天线罩结构疲劳老化，导致缺陷。

量化框架型天线罩结构健康的主要特征参数有：1)频率特征，包括谐振频率和高频成分。2)疲劳指数，即归一化到标准作用单位的次数。以上参数阈值均由试验获得并经仿真验证。

首先，分析频率特征。

框架型天线罩作为一个刚性结构体，其谐振频率ω与自身结构的刚度系数k和质量m相关，如式(1)所示：

框架型天线罩结构在遭到破坏之前，其质量m可视作恒量。因此，天线罩结构由紧到松，刚度系数k下降，将导致谐振频率ω下降。

此外，框架型天线罩因连接螺栓松动引起的结构健康度下降，在外加风荷或者振动源的激励下，框架型天线罩在受迫振动过渡到自由振动直至平稳的过程当中，板块之间运动的相位关系将变得越来越错综复杂，引起高频成分的上升。

实际过程中，对图4的风荷及图5激励源振动时域波形，取振动波形窗口，长度对应FFT的频率分辨率1Hz。如上述48KSps采样率、16bit位长情况下，至少取1秒钟样本(96KB字节)，进行FFT运算，得到振动信号对应的频谱。

根据框架型天线罩结构有限元分析法和模型实际测试结果，在框架型天线罩固有谐振频率取值范围内，按照最大值锁定法得到实际的fo、谐振频率fo对应的幅度值、高频成分的典型频率fh、典型频率fh对应的幅度值。

其次，分析疲劳指数t_d。

相对于材料老化而言，因外界振动导致天线罩结构疲劳，引起框架型天线罩结构健康度下降是主要因素。而主要由阵风等引起的外界振动幅度和时间不同，对结构疲劳影响不同，因此，需进行归一化统计。如图4中13所示，形变幅度为A0持续1秒表征天线罩1个标准受力单位，当检测到天线罩结构形变幅度(即频谱的幅度值)超过A0，开始计时直至再次小于A0，得到该次作用时长，计为t1，单位：秒。在t1秒内的幅度值的最大值计为A1，代入式(2)得到疲劳指数t_d：

式(2)中，int()表示取整运算，如int(3.7)＝3。

步骤三：模式识别

根据上述提取的特征参数可以计算得到天线罩结构健康度。设健康度分值为Hlt(百分制)，则有式(3)：

Hlt＝A·fo+B·fh+C·t_d+D (3)

式(3)中，A、B、C代表谐振频率fo、典型频率fh及疲劳指数t_d对结构健康度的贡献率的权重系数，为常数；D为预先确定的常数。某典型12米口径玻璃钢天线罩的健康度公式表达式如式(4)所示：

参考图7，连续统计10次Hlt之后，去掉最大、最小健康度分值，取平均后刷新天线罩健康度分值。

本发明相关设备及方法可以工作于以下场景：

(1)新天线罩安装后或者天线罩完成检修后，利用安装的或自带的健康度监测装置2、传感光纤3和振动发生器4，依据安装检修操作规程和操作步骤，对天线罩结构健康度的整体状况进行检测，以量化检验天线罩安装或者检修质量。当检测出的健康度分值超过90分时，验收合格。否则，就要重新检查各部分连接螺栓是否全部安装到位。

(2)天线罩健康状况的日常监测。安装或检修合格的天线罩内，布置健康度监测装置2、传感光纤3和振动发生器4，依据日常监测工作模式，对天线罩结构健康度的整体状况进行日常监测，用户可以网页方式登录工作界面，查看当前天线罩健康度分值。当天线罩健康度分值在80分至100分区间，表示当前天线罩结构处于“健康”状态；位于60分至80分区间时，声光报警器9亮黄灯，指示天线罩结构处于“亚健康”状态；当天线罩健康度分值低于60分时，表示已进入“非健康”状态，声光报警器9亮红灯并发出报警声，指示天线罩结构需尽快维修。

Claims (10)

1.一种框架型天线罩结构健康度监测设备，所述健康度监测设备工作于被动监控模式或主动监测模式，其特征在于，包括：

振动发生单元，用于在主动监测模式下对框架型天线罩施加脉冲振动；

传感光纤，用于检测框架型天线罩在振动发生单元施加的脉冲振动或外部自然环境的作用下所产生的振动，形成振动信号；

监控度监测装置，用于：在主动监测模式下控制振动发生单元对框架型天线罩施加脉冲振动；接收传感光纤形成的振动信号后，提取振动信号的频率特征，不同频率特征与框架型天线罩结构的不同结构健康度相关，根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息。

2.如权利要求1所述的一种框架型天线罩结构健康度监测设备，其特征在于，所述传感光纤环绕所述框架型天线罩一周。

3.如权利要求1所述的一种框架型天线罩结构健康度监测设备，其特征在于，所述振动发生单元对所述框架型天线罩施加固定频率和幅度的所述脉冲振动。

4.如权利要求1所述的一种框架型天线罩结构健康度监测设备，其特征在于，所述监控度监测装置与用户终端建立数据通信。

5.如权利要求1所述的一种框架型天线罩结构健康度监测设备，其特征在于，所述监控度监测装置包括：

光电处理单元，用于将所述传感光纤产生的光信号解调转换为电信号；

A/D转换电路，光电处理单元产生的电信号经过放大驱动后，由A/D转换电路转换为数字信号；

嵌入式主机，用于：在主动监测模式下控制所述振动发生单元；对A/D转换电路输出的数字信号进行计算获得所述结构健康度，并根据结构健康度产生所述人机交互信息。

6.如权利要求5所述的一种框架型天线罩结构健康度监测设备，其特征在于，还包括报警设备，根据所述人机交互信息，报警设备在所述嵌入式主机的控制下产生告警。

7.一种框架型天线罩结构健康度监测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的健康度监测设备，当所述健康度监测设备工作于被动监控模式时，所述健康度监测方法包括以下步骤：

步骤A1、由所述传感光纤检测框架型天线罩在外部自然环境的作用下所产生的振动，形成振动信号；

步骤A2、所述监控度监测装置接收到振动信号后，获得振动信号对应的频谱，提取频谱的频率特征，利用频率特征计算得到疲劳指数；

步骤A3、根据上一步得到的频率特征及疲劳指数计算得到结构健康度，由监控度监测装置根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息；

当所述健康度监测设备工作于主动监测模式时，所述健康度监测方法包括以下步骤：

步骤B1、所述振动发生单元在所述监控度监测装置的控制下对框架型天线罩施加脉冲振动；

步骤B2、由所述传感光纤检测框架型天线罩在所述振动发生单元施加的脉冲振动的作用下所产生的振动，形成振动信号；

步骤B3、所述监控度监测装置接收到振动信号后，采用步骤A2相同的方法获得频率特征及疲劳指数；

步骤B4、采用步骤A3相同的方法得到结构健康度，由监控度监测装置根据不同的结构健康度产生相应的人机交互信息。

8.如权利要求7所述的一种框架型天线罩结构健康度监测方法，其特征在于，步骤A2中，所述频率特征包括谐振频率fo、谐振频率fo对应的幅度值、高频成分的典型频率fh、典型频率fh对应的幅度值。

9.如权利要求8所述的一种框架型天线罩结构健康度监测方法，其特征在于，设幅度值A0持续1秒表征框架型天线罩1个标准受力单位，步骤A2中，疲劳指数定义为t_d，则有：

式中，框架型天线罩在持续t1秒内频谱的振幅超过A0，且t1秒内振幅的峰值为A1，A1>A0；int()表示取整运算。

10.如权利要求9所述的一种框架型天线罩结构健康度监测方法，其特征在于，步骤A3中，结构健康度定义为Hlt，则有：

Hlt＝A·fo+B·fh+C·t_d+D，式中，A、B、C代表谐振频率fo、典型频率fh及疲劳指数t_d对结构健康度的贡献率的权重系数；D为预先确定的常数。