CN113007037A - 结构监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种结构监测系统，包含：装设于一结构物件上的复数个标记单元；远端监测该复数个标记单元的一监测装置；以及与该监测装置连接的一数据处理装置。其中，该数据处理装置还可包含：与该监测装置连接的一数据接收模块，用以接收该监测装置所监测到的信息；以及与该数据接收模块连接的一数据处理模块，用以将该些信息作进一步的计算分析。另外，一种结构监测方法亦被提出。
Description
技术领域
本发明是关于一种结构监测系统及方法，尤指一种使用非破坏性监测结构监测系统及方法。
背景技术
结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)是利用非破坏性侦测或监控结构是否有损坏产生，并降低对结构运作影响。结构健康监测系统通常藉由传感器、数据采集、分析系统、监控中心及各项软硬件，持续监控整体结构物健康状况，除了早期评估与识别结构损伤，以预防灾难性的破坏外，亦可探究损伤发生原因，改善下一代的结构设计。
目前结构健康监测以传统传感器为大宗，如加速规、应变规等，然其存在着各式的问题，包含价格昂贵、安装时间长、传感器疲劳及线路繁琐导致施工人员不便等。以一般五十公尺长的风机为例，可能需黏贴数百个以上的应变规来进行监测。
为克服上述问题，有专家提出以影像量测方式进行结构健康监测。近年来影像量测方法已被广泛应用在各种实验力学，相较于传统贴附传感器的量测，影像量测提供一种非接触式的量测技术，可在不干扰待测物的情况下进行全局性的量测。不过，影像量测在现场试验也遭遇到许多困难，如光照变化、目标物遮蔽、阴影及背景干扰等，皆会影响影像量测的结果。
发明内容
有鉴于先前技术的各项缺失，本发明提供一种结构监测系统，可有效解决传统影像设备于视线不佳或遮蔽物阻挡的环境下，导致无法量测的问题。
该结构监测系统系统包含：复数个标记单元，装设于一结构物件上；一监测装置，远端监测该复数个标记单元；以及一数据处理装置，与该监测装置连接。其中，该数据处理装置包含一数据接收模块，与该监测装置连接；以及一数据处理模块，与该数据接收模块连接。
进一步而言，本发明还提出一种结构监测方法，包含以下步骤：(A)装设复数个标记单元于一结构物件上；(B)监测每一个标记单元所产生的结构位移，以取得每一个标记单元的一位移影像；(C)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元的一位移信号；以及(D)依据每一个标记单元的该位移信号计算该结构物件的一模态参数。
除此之外，本发明亦提出另一种结构监测方法，包含以下步骤：(I)设复数个标记单元于一结构物件上；(J)一时间间隔监测部分标记单元所产生的结构位移，以取得部分标记单元的一位移影像；(K)重复步骤(J)，直至取得每一个标记单元的该位移影像；(L)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元的一位移信号；以及(M)重组每一个标记单元的该位移信号，并计算该结构物件的一模态参数。
以上对本发明的简述，目的在于对本发明的数种面向和技术特征作一基本说明。发明简述并非对本发明的详细表述，因此其目的不在特别列举本发明的关键性或重要组件，也不是用来界定本发明的范围，仅为以简明的方式呈现本发明的数种概念而已。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的结构监测系统的示意图。
图2为本发明较佳实施例的离岸风机结构及标记单元的示意图。
图3为本发明较佳实施例的结构监测方法的流程图。
图4为本发明另一较佳实施例的结构监测方法的流程图。
图5为自然环境下以加速度传感器进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图。
图6为自然环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图。
图7为夜晚黑暗环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图。
图8为云雾水气环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图。
图9为有遮蔽物的环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图。
【符号说明】
1…结构监测系统
10…标记单元
11…第一标记单元
12…第二标记单元
13…第三标记单元
14…第四标记单元
20…监测装置
30…数据处理装置
32…数据接收模块
34…数据处理模块
36…数据储存模块
100…结构物件(离岸风机)
101…叶片
102…机舱
103…塔架
104…平台
105…套管结构
1051…支撑脚
1052…斜撑组件
106…基桩模块
X…轴线
S…水平面
B…海床
具体实施方式
为能了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，兹进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如后：
于维运工程中，为了降低维护成本同时减少对结构运作影响，以避免结构出现严重的损伤或故障，发展可靠的结构健康监测系统(又称非破坏性监测系统)及方法为重要的议题。据此，本发明提出一种结构监测系统及方法，以红外热像装置作为监测设备，安装于结构对象上的发热组件作为结构标记点，以记录结构物件的响应。由于本系统是利用红外热像技术进行标记点的监测，故可应用于视线不佳或遮蔽物阻挡的环境下，有效解决先前技术所面临的问题。
首先，请参看图1，其为本发明较佳实施例的结构监测系统的示意图。如图1所示，本发明的结构监测系统1包含：装设于一结构物件100上的复数个标记单元10；远端监测该复数个标记单元10的监测装置20；以及与该监测装置20连接的一数据处理装置30。其中，该数据处理装置30还可包含：与该监测装置20连接的一数据接收模块32，用以接收该监测装置20所监测到的信息；以及与该数据接收模块32连接的一数据处理模块34，用以将该些信息作进一步的计算分析。
除此之外，该数据处理装置30还包含与该数据接收模块32或/及该数据处理模块34连接的一数据储存模块36，该数据储存模块36可储存该数据接收模块32接收的信息，或/及经该数据处理模块34计算分析后的信息，以利于后续对于结构物件100的维运。
在本实施例中，结构对象100可以是桥墩、风机、灯塔或建筑物等，本发明不应依此为限。
在本实施例中，所采用的监测装置20是红外热像装置(Infrared thermalimager)，而该装设于结构物件100上的复数个标记单元10为可被前述的红外热像装置侦测的发热组件如电热片，然举凡任何能透过红外热像装置侦测的发热组件皆应于本发明的权利要求范围内。
具体而言，本发明的结构监测系统1的运作方式是将复数个标记单元10(在此为电热片)分散安装于结构物件100上，并于该结构物件100远处架设有一监测装置20(在此为红外热像装置)，以随时远端侦测该些标记单元10。而当结构对象100受到外力产生振动(如地震)，或是无法用确定函数描述却产生一定规律的随机振动(如阵风作用响应或海上风机或钻井平台受波浪作用等)，会使每一个标记单元10产生些许的结构位移；此时，该监测装置20拍摄记录每一个标记单元10的位移(热)影像并传送至数据处理装置30。
数据处理装置30的数据接收模块32接收该些位移影像后，数据处理模组34利用影像处理技术将该位移影像转换为每一个标记单元10的位移信号，再透过位移信号计算出结构对象100的模态参数，包含结构对象100的自然频度、模态振动及阻尼等参数等，本发明不应依此为限。
而数据储存模块36可储存前述的至少一位移影像、该位移信号或该模态参数的历史数据，使用者可比对数据处理模组34所计算出结构物件的模态参数，与历史数据中的模态参数是否具有明显的偏差；若是，表示该结构对象100可能故障或内部出现损毁，应马上给予维护，以避免结构对象100发生无法挽回的破坏。具体而言，本实施例所指的历史参数是将模态参数的数据，透过时间轴的建立，将每个实时的模态参数串于时间轴上，形成该历史参数以利使用者进行监测。
以下将针对结构物件100为离岸风机的标记单元10装设位置作进一步的说明。
请参看图2，其为本发明较佳实施例的离岸风机结构及标记单元的示意图。如图2所示，本实施例用以说明的离岸风机100同时包含水上及水下结构；明确言之，本实施例所定义的离岸风机100应以基桩模块106、套管结构105、平台104、塔架103以及机舱102整体观之。
本实施例的机舱102与塔架103连接，且机舱102更与复数个叶片101连接。而塔架103与平台104连接，平台104与套管结构105连接，且平台104设于水平面S之上。至于套管结构105与基桩模块106连接，且套管结构105设于海中，基桩模块106则设于海床B上。在本实施例中，套管结构105更包含至少三支撑脚1051及复数个斜撑组件1052。本实施例采用四个支撑脚1051，且四个支撑脚1051彼此之间以X字形交叉设置有复数个斜撑组件1052。
在本实施例中，复数标记单元安装设置于离岸风机100不同位置的结构上，以达到优化的监测效果。其中，上述的标记单元安装包含第一标记单元11、第二标记单元12、第三标记单元13及第四标记单元14。
进一步而言，第一标记单元11设于靠近机舱102的塔架103的内壁。更进一步来说是塔架103顶端与机舱102衔接高度以下五公尺内的位置；而第二标记单元12设于介于机舱102及平台104间的塔架103的内壁，更进一步来说是塔架103之中段任意位置；而第三标记单元13设于平台104与塔架103衔接处的内壁正负五公尺以内的位置。
在本实施例中，第一标记单元11、第二标记单元12及第三标记单元13设于轴线X上，且轴线X外的该离岸风机100上更设有第四标记单元14。如此一来，第一标记单元11、第二标记单元12及第三标记单13元便会与第四标记单元14形成一三维空间，以利测得离岸风机100结构的扭转运动幅度。除此之外，其余标记单元可视离岸风机100结构需求再增加标记点位，本发明不应依此为限。
请参看图3，其为本发明较佳实施例的结构监测方法的流程图。如图3所示，本实施例的结构监测方法包含以下步骤：(A)装设复数个标记单元10于一结构物件100上；(B)监测每一个标记单元10所产生的结构位移，以取得每一个标记单元10的一位移影像；(C)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元10的一位移信号；以及(D)依据每一个标记单元10的该位移信号计算该结构物件100的一模态参数。
在步骤(A)中，装设的复数个标记单元10为可被前述的红外热像装置侦测的发热组件如电热片，在其他可能的实施例中，任何能透过红外热像装置侦测的发热组件皆应于本发明的权利要求范围内；而该结构对象100可以是桥墩、风机或建筑物等。具体而言，本实施例是采用离岸风机作为结构物件100，其标记单元10的装设位置可参照第二图所示，而实际欲监测的结构物件100，及其标记单元10的装设数量及位置可依需求自行替换。
在步骤(B)中，是利用如红外热像装置的监测装置20，对装设于结构物件100上的标记单元10进行监测，由于标记单元10是可被红外热像装置侦测的发热组件，因此可取得每一个标记单元10的热影像。又，当结构对象100受到外力产生振动(如地震)，或是无法用确定函数描述却产生一定规律的随机振动(如阵风作用响应或海上风机或钻井平台受波浪作用等)，会使每一个标记单元10产生结构位移，监测装置即可拍摄记录每一个标记单元10的位移影像(位移热影像)并传送至数据处理装置30。
在步骤(C)中，数据处理装置30的数据接收模块32接收每一个标记单元10的位移影像后，与数据接收模块32连接的数据处理模块34利用影像处理技术以取得每一个标记单元10的一位移信号；最后，在步骤(D)中，数据处理模块34更依据每一个标记单元10的位移信号计算出结构物件100的模态参数。其中，模态参数包含结构对象100的自然频度、模态振动及阻尼等参数等，本发明不应依此为限。
除此之外，本实施例的监测方法还可包含一步骤(E)储存该位移影像、该位移信号或该模态参数。具体而言，是利用数据处理装置30的数据储存模块36存取前述的该位移影像、该位移信号及/或该模态参数等信息，并将其建置于时间轴上形成一历史数据；使用者可比对数据处理装置30所计算出结构物件100的模态参数，与历史数据中的模态参数是否具有明显的偏差；若是，表示该结构对象100可能故障或内部出现损毁，应马上进行维护。
然而，当监测较大型的结构物件时，若使用监测装置20一次侦测大型结构对象少上所有的标记点，需调整监测装置20为焦距短的镜头，此时监测装置20可侦测较大范围的目标，然其目标内的标记点热影像尺寸会相对小上许多，而无法轻易判断出每一个标记单元10所产生的结构位移。
有鉴于此，本发明提出另一种结构监测方法，该方法是将监测装置20调整为焦距长的镜头，一次仅侦测部分的标记点(相对而言，侦测取得的标记点热影像尺寸较大且清晰，有助于判断记点的结构位移)，并设定一时间间隔调整监测装置20的侦测方向，直至每一个结构对象100上的标记点皆侦测完毕后，依据该时间间隔及侦测后的数据进行重组，以取得大型结构对象完整的模态参数。
请参图4所示，其为本发明另一较佳实施例的结构监测方法的流程图。如图4所示，本实施例的结构监测方法包含以下步骤：(I)设复数个标记单元10于一结构物件100上；(J)一时间间隔监测部分标记单元10所产生的结构位移，以取得部分标记单元10的一位移影像；(K)重复步骤(J)，直至取得每一个标记单元10的该位移影像；(L)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元10的一位移信号；以及(M)重组每一个标记单元10的该位移信号，并计算该结构物件100的一模态参数。
在步骤(I)中，装设的复数个标记单元10为可被红外热像装置侦测的发热组件如电热片，在其他可能的实施例中，任何能透过红外热像装置侦测的发热组件皆应于本发明的权利要求范围内；而该结构对象100通常是较大型的结构如桥墩、风机或建筑物等。
在步骤(J)至(L)中，利用如红外热像装置的监测装置20，以一时间间隔对装设于结构对象100上的部分标记单元10进行监测，由于标记单元10系可被红外热像装置侦测的发热组件，因此可取得部分标记单元10的热影像。又，当结构对象100受到外力产生振动(如地震)，或是无法用确定函数描述却产生一定规律的随机振动(如阵风作用响应或海上风机或钻井平台受波浪作用等)，会使标记单元10产生结构位移，监测装置20以一时间间隔即可拍摄记录部分标记单元10的位移影像(位移热影像)并传送至数据处理装置30。接续，数据处理装置30的数据接收模块32接收该部分标记单元10的位移影像后，与数据接收模块32连接的数据处理模块34利用影像处理技术取得标记单元10的一位移信号。最后，重复上述步骤直至监测装置20侦测完每一个标记单元10，并取得每一个标记单元10的位移信号。
而监测装置20具体的侦测方式可透过第二图中的离岸风机结构为例。首先在第一时间段中，监测装置20同时侦测第一和第二标记单元11、12的热影像并取得第一和第二标记单元11、12的位移影像；在第二时间段中，监测装置20调整镜头的拍摄方向及范围，以同时侦测第二和第三标记单元12、13的热影像并取得第二和第三标记点12、13的位移影像；在第三时间段中，监测装置20再度调整镜头的拍摄方向及范围，以同时侦测第三和第四标记单元13、14的热影像并取得第三和第四标记单元13、14的位移影像。待所有标记单元11、12、13、14侦测完毕后，数据处理装置30会将每一个标记单元11、12、13、14的位移影像利用影像处理技术取得每一个标记单元11、12、13、14的位移信号，上述监测装置20侦测的时间间隔，以及每次侦测的标记单元数量皆可自行调整，本发明不应依此为限。
最后的步骤(M)中，由于前述的侦测方法会在不同时间段中侦测相同的标记单元10(如第一和第二时间段皆侦测有第二标记单元12)，以利侦测数据的校正；因此，数据处理模块34需依据该时间间隔重组每一个标记单元10的位移信号后，计算出该完整结构对象100的模态参数；其中，模态参数包含结构对象100的自然频度、模态振型及阻尼等参数等，本发明不应依此为限。另一方面，该步骤也可以是先依据每一个标记单元10的该位移信号(部分标记单元的位移信号有重复)计算出每一个标记单元10的模态参数后，依据该时间间隔与模态参数进行振型重组及校正，以取得完整结构对象100的模态参数。
为验证红外热像装置作为监测装置20的量测准确性，本发明使用传统的加速度传感器作为实验的对照组，同时计算利用红外热像装置及标记点和加速度传感器监测结构对象100的自然频度(Natural frequency)与模态振型(Mode shape)。该手段将利用操作模态分析中的频域分解法计算模态参数，对输出的功率响应谱(Power spectrum density,PSD)进行奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)；而振型部份则是以模态置信准则(MAC)量化，并将加速度传感器与红外热像装置的量测结果进行比较。如图5展示了自然环境下以加速度传感器进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图，如图6则是在自然环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图，其中红外热像装置进行量测的第一自然频度为3.77(Hz)；而比较两种量测方法的自然频度其误差落在4％(3.93％)以内，两者的MAC值(Modal assurance criterion)达高度吻合的0.9963。
除此之外，为凸显红外热像装置相较于光学传感器(如摄像机)的优势，本发明进一步于夜晚黑暗、云雾水气及有遮蔽物的环境条件下对结构物件100进行量测。首先，请参看图7，其为在夜晚黑暗环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态分析振型图；在黑夜环境下，红外热像装置量测的第一自然频度平均值为3.69±0.22(Hz)，其与自然环境下量测的自然频度误差为0.53％，与自然环境量测之间的MAC值为0.9976±0.0020。
参看图8则为在云雾或水气环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图；在云雾或水气的环境下，红外热像装置量测的第一自然频度平均值为3.59±0.05(Hz)，其与自然环境下量测的自然频度误差为4.6％，与自然环境量测之间的MAC值为0.9924±0.0042。
最后，请参看图9，其为在有遮蔽物的环境下以红外热像装置进行量测的奇异值数据图及模态振型分析图，在有遮蔽物的下，红外热像装置量测的第一自然频度平均值为3.52±0.06(Hz)，其与自然环境下量测的自然频度误差为3.2％，与自然环境量测之间的MAC值为0.9803±0.0033。由上述资料可以发现，使用红外热像装置作为监测装置20进行在夜晚黑暗、云雾水气及有遮蔽物的环境量测，其计算出来的自然频度及振型结果皆在合理范围内，且与加速度传感器亦有高度的吻合性。
综合以上所述，利用本发明所提出的监测系统及方法，其针对结构对象的量测数值与传统传感器有相当的吻合度，证明其准确度的水平甚高，且建置及维护的成本远少于需大量布设于结构物件上的传统传感器；另一方面，使用红外热像装置进行量测还可有效解决一般光学摄像机于视线不佳或有遮蔽物导致无法量测的问题，为结构健康监测领域提出重大突破。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明的权利要求范围，即依本发明权利要求范围及说明内容所作的简单变化与修饰，皆仍属本发明的权利要求涵盖的范围。
Claims (14)
1.一种结构监测系统，其特征在于，包含：
复数个标记单元，装设于一结构物件上；
一监测装置，远端监测该复数个标记单元；以及
一数据处理装置，与该监测装置连接，该数据处理装置包含：
一数据接收模块，与该监测装置连接；以及
一数据处理模块，与该数据接收模块连接。
2.如请求项1所述的结构监测系统，其特征在于，该数据处理装置还包含一数据储存模块与该数据接收模块或该数据处理模块连接。
3.如请求项1所述的结构检测系统，其特征在于，该复数个标记单元为电热片。
4.如请求项1所述的结构检测系统，其特征在于，该监测装置为红外热像装置。
5.如请求项1所述的结构检测系统，其特征在于，该监测装置监测每一个标记单元所产生的结构位移。.
6.如请求项5所述的结构检测系统，其特征在于，该数据处理模块依据每一个标记单元的结构位移取得每一个标记单元的一位移信号。
7.如请求项6所述的结构检测系统，其特征在于，该数据处理模块依据该位移信号计算该结构物件的一模态参数。
8.如请求项7所述的结构检测系统，其特征在于，该模态参数包含自然频度、模态振型及阻尼。
9.一种结构监测方法，其特征在于，包含以下步骤：
(A)装设复数个标记单元于一结构物件上；
(B)监测每一个标记单元所产生的结构位移，以取得每一个标记单元的一位移影像；
(C)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元的一位移信号；以及
(D)依据每一个标记单元的该位移信号计算该结构物件的一模态参数。
10.如请求项9所述的结构检测系统，于步骤(A)中，该复数个标记单元为电热片。
11.如请求项9所述的结构检测系统，还包含一步骤(E)，储存该位移影像、该位移信号或该模态参数。
12.一种结构监测方法，其特征在于，包含以下步骤：
(I)装设复数个标记单元于一结构物件上；
(J)以一时间间隔监测部分标记单元所产生的结构位移，以取得部分标记单元的一位移影像；
(K)重复步骤(J)，直至取得每一个标记单元的该位移影像；
(L)依据该位移影像，经影像处理取得每一个标记单元的一位移信号；以及
(M)重组每一个标记单元的该位移信号，并计算该结构物件的一模态参数。
13.如请求项12所述的结构检测系统，于步骤(I)中，该复数个标记单元为电热片。
14.如请求项12所述的结构检测系统，还包含一步骤(N)，储存该位移影像、该位移信号或该模态参数。
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