論橋梁健康監(jiān)測技術(shù)

【關(guān)鍵詞】健康監(jiān)測；信號處理；損傷識別；Hilbert-Huang轉(zhuǎn)換

　　前言

　　橋梁健康監(jiān)測是指對橋梁結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。損傷包括結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變或材料特性改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性的改變。體系的整體連續(xù)性對橋梁的服役能力有至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的布置于橋梁的傳感器陣列的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。

　　1、橋梁健康監(jiān)測的重要性

　　橋梁設(shè)施是一個國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是交通運輸網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點,在國民經(jīng)濟中具有十分重要的地位。橋梁建成并通車后,經(jīng)過長期負荷使用,橋梁結(jié)構(gòu)難免會因各種原因發(fā)生損傷,從而降低橋梁的安全度。為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，已建成的橋梁急需采用有效的技術(shù)手段監(jiān)測和評定其安全狀況，并且及時修復(fù)和控制結(jié)構(gòu)損傷。橋梁結(jié)構(gòu)損傷如果不能得到及時的維護和維修，不僅影響行車的安全，縮短橋梁的使用壽命，甚至會發(fā)生橋梁的突然破壞或倒塌等慘痛的事故。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，綜合多個學科領(lǐng)域的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，可以極大延拓橋梁檢測的內(nèi)容，并可連續(xù)地、實時地、在線地對結(jié)構(gòu)“健康”狀態(tài)進行監(jiān)測和評估，確保運營安全和提高橋梁的管理水平。

　　2、常用的橋梁健康監(jiān)測儀器設(shè)備

　　2.1光纖傳感器

　　一套完整的光纖量測系統(tǒng)通常包括光纖傳感器、光源單元、偵測單元、放大單元、控制單元及訊號處理單元等共同組成。拜光纖科技發(fā)展迅速之賜，前述的各個獨立單元絕大部分在現(xiàn)今已可整合為一套光纖感測掃描儀。光纖傳感器種類很多，目前用于橋梁監(jiān)測技術(shù)中的類型主要是Mach-Zehnder干涉型光纖傳感器、Fabry-Perot腔式光纖傳感器、光纖布拉格光柵傳感器。其中光纖布拉格光柵傳感器是當今工程中使用最多的一類傳感器。

　　2.2壓電式及ICP型加速度傳感器

　　它是使用最普遍的振動傳感器，特點是穩(wěn)定性好、體積小、使用方便、是中高頻振動的理想傳感器。壓電式加速度計其慣性接收具有零頻率響應(yīng)，但接上電荷放大器后的整個測量系統(tǒng)不具有零頻率響應(yīng)。因此，壓電式傳感器常用于中小跨度的橋梁健康監(jiān)測。

　　2.3電容式加速度傳感器

　　它是一種適合超低頻測量的振動傳感器，其下限頻率可以達到0Hz，非常適用于極低頻率和靜態(tài)加速度測量。電容式加速度計的生產(chǎn)工藝與信號驅(qū)動要求高，目前主要為進口產(chǎn)品，價格高于電壓式傳感器。

　　2.4伺服式振動傳感器

　　它是也測量超低頻微振動的理想傳感器，采用有源或無源閉環(huán)伺服技術(shù)，具有良好的超低頻特性，適合超低頻大量程測量和微振動測量。目前該類傳感器在橋梁測試中應(yīng)用普遍，但在長期監(jiān)測系統(tǒng)中使用不多。

　　3、新型結(jié)構(gòu)識別技術(shù)——Hilbert-Huang轉(zhuǎn)換

　　希爾伯特─黃轉(zhuǎn)換(Hilbert-Huang transform,HHT)乃是近幾年來出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)識別方法，其首先由Huang等人于1998年提出。此轉(zhuǎn)換主要的特色為先利用所謂的經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)，根據(jù)信號本身的特征時間尺度將原始訊號分解成多個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function,IMF)的組合。由于這些內(nèi)建模態(tài)函數(shù)都可證明具有優(yōu)良的希爾伯特轉(zhuǎn)換特性，因此可進一步以其為基底進行新定義的希爾伯特─黃轉(zhuǎn)換，如此便可以推導(dǎo)出系統(tǒng)瞬時頻率與時間及系統(tǒng)能量與瞬時頻率的相互關(guān)系。

　　3.1經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解法的步驟

　　經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解法的主要步驟在于進行所謂的篩分程序(sifting process)。首先針對原始訊號y(t)的各個極大值峰點與極小值谷點，分別利用三次弧線(cubic spline)建立上包絡(luò)線與下包絡(luò)線。接著將原始訊號減去平均上下包絡(luò)線產(chǎn)生之均值包絡(luò)線，如此即完成一次篩分程序。然后再持續(xù)重復(fù)進行這項篩分程序，一直到新產(chǎn)生的訊號滿足內(nèi)建模態(tài)函數(shù)的條件。達成這樣的收斂程序后便是找出第一個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)c1(t)，而后將y(t)減去c1(t)再重復(fù)上述篩分程序找出第二個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)c2(t),以此類推一直到求出所有m個IMF，并只剩下無法再解析出內(nèi)建模態(tài)函數(shù)的剩余函數(shù)(residue)r(t)為止。經(jīng)由上述這套運算，原始訊號y(t)自然分解成：m個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)和一個剩余函數(shù)之和。

　　3.2設(shè)定通過頻率

　　不過值得特別注意的是，EMD乃是完全根據(jù)原始信號的一種后設(shè)方法，經(jīng)由其分解出來的各個IMF雖然都具良好的希爾伯特轉(zhuǎn)換特性，但卻可能包含不止一個頻率的組成。也就是說，IMF并不代表系統(tǒng)各個單獨的模態(tài)反應(yīng)，必須進一步處理才可能用來進行模態(tài)參數(shù)識別。經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解法提出以后，接續(xù)的一項重要發(fā)展是加入在篩分程序中設(shè)定通過頻率(intermittency frequency)的功能。這個通過頻率的設(shè)定，可以使收斂后的IMF僅含高于此頻率的分量，而完全排除低于此頻率的內(nèi)容。藉由這項工具，欲利用EMD分離出系統(tǒng)各個模態(tài)的反應(yīng)便能透過下列步驟達成：(1)估計出第j 模態(tài)頻率的范圍wjl　　3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)識別

　　因為每個模態(tài)可以視為一個獨立的單自由度系統(tǒng)，所以分解出各個模態(tài)反應(yīng)后便可各自進行參數(shù)識別。HHT方法乃是對信號進行EMD后，接著對各個IMF再取希爾伯特轉(zhuǎn)換。利用希爾伯特轉(zhuǎn)換由一個單自由度阻尼系統(tǒng)之自由振動反應(yīng)來識別自然頻率與阻尼比，其程序與方程式幾乎與小波轉(zhuǎn)換完全相同。當然最基本的唯一差別在于，對訊號進行的并非小波轉(zhuǎn)換，而是先求出y(t)的希爾伯特轉(zhuǎn)換再組合出y(t)的解析信號，最后由解析信號的振幅函數(shù)與相位角函數(shù)可以分別識別出橋梁結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比。

　　參考文獻

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