（信号与信息处理专业论文）基于fbg传感技术的起重机健康监测系统设计.pdf

图书分类号图书分类号 tp391 tp391 密级密级 非密非密 udcudc 注注 1_1_ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 fbg 传感技术的起重机健康监测系统设计传感技术的起重机健康监测系统设计 陈晓军陈晓军 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 丁克勤丁克勤 研究员研究员 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 信号与信息处理信号与信息处理 论文提交日期论文提交日期_2013_2013_年年_ _5_5_月月_2828_日日 论文答辩日期论文答辩日期_2013_2013_年年_5 5_月月_3030_日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅人论文评阅人_梁丽红梁丽红_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_张文梅张文梅_ 20132013 年年 5 5 月月 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；学校可以学术交学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 基于 fbg 传感技术的起重机健康监测系统设计 摘要 起重机械在我国工业领域广泛应用，其发展状况代表了一个国家工业化的发展水 平。 近年来随着我国经济的快速发展,起重机械在社会工程中扮演者越来越重要的角色， 同时经济快速发展也对起重机械的安全运行提出了更高的要求。起重机械结构复杂，自 身结构蕴藏着大量的危险因素，漫长服役过程不可避免产生损伤积累，加上长期超负荷 工作， 使得安全事故日益频发。 一旦发生事故极有可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。 因此， 对起重机械进行有效的实时健康监测及时发现异常情况对减少或避免突事故发生 具有重要意义。本文在研究以往起重机健康监测基础上结合无线传输技术设计了一种基 于光纤布拉格光栅（fiber bragg grating,简称 fbg）的起重机健康监测系统。 首先分析国内外对于起重机健康监测方面的研究成果，经过对现有的监测技术的比 较，选用光纤布拉格光栅传感技术对起重机进行健康监测，并阐述光纤布拉格光栅相关 技术原理。然后提出了系统的总体设计思想，按模块介绍了监测系统硬件和软件组成及 功能，进行系统的硬件选型。设计开发一种适用于起重机健康监测的光纤布拉格光栅应 变传感器。此监测系统采用所研制的专用 fbg 传感器实现对起重机状态的实时监测， 并能将监测信息通过 gprs 网络传送到远程客户端，可实现不同客户端同时对起重机进 行实时监测。 本文首先在实验室对所提出的起重机健康监测系统在起重机模拟实验机上进行了 验证。实验结果表明该系统能准确的对起重机信息进行监测，性能较为理想。并将系统 应用于工程现场 300 吨大型门式起重机上，经过现场多次测试，该系统能对起重机的受 力情况进行较准确的测量，能对起重机的健康状况进行实时在线监测。 关键词：起重机健康监测，光纤布拉格光栅，gprs，应变监测 中北大学学位论文 design of a crane health monitoring system based on fiber bragg grating sensing technology abstract the crane is widely used in industrial areas. its development status is on behalf of the development of a countrys industrialization. in recent years, with the rapid development of our countrys economy, the crane plays a more and more important role in social project. at the same time, the rapid development of economy raises a higher claim for the cranes safety in operation. the cranes self-structure is very complex and contains lots of risk factors. the accumulative damage is inevitably produced in its long service process. with the long-term overloaded work, the safety accidents happen increasingly. once those happen, its most likely to bring about huge economic losses and casualties. accordingly, it has important significance for the crane to reduce or avoid a sudden failure by possessing the effective real-time health monitoring and finding the abnormal situation in time. the paper firstly did some research on the previous health monitoring and then a new type of crane health monitoring system based on fiber bragg grating（fbg）,combined with wireless transmission technology, was proposed firstly, the paper analyzed the research results of the crane health monitoring at home and abroad. after comparing the existing monitoring technology, the optical fiber bragg grating sensing technology was selected for health monitoring of crane and expounded the principle of fiber bragg grating. then the overall design of the system was put forward. the paper introduced the composition and the function of hardware and software in the monitoring system in sub-module, and selected the hardware devices. a kind of fiber bragg grating strain sensor applied to a crane health monitoring was designed and developed. the monitoring system, used the dedicated fbg sensors, could realize the real-time monitoring on the status of crane. the monitoring information could be transmitted through the gprs network to the 中北大学学位论文 remote clients. the system could realize that different clients might make real-time monitoring at the same time. the paper made verification for the new crane health monitoring system in the laboratory on the simulator of crane. the experimental results showed that the performance of the system was ideal. then the system was applied to 300 tons of large gantry crane, after many tests in the field, the system could measure the force condition on the crane accurately, and this system could also make online monitoring in real time for the health status of the crane. keywords: crane health monitoring, fiber bragg grating, gprs, monitoring of strain 中北大学学位论文 i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 5 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 . 5 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 . 6 1.3 目前存在的问题目前存在的问题 . 7 1.4 本文的主要工作本文的主要工作 . 8 第二章第二章 起重机健康监测基础起重机健康监测基础 2.1 起重机常见失效模式及监测技术起重机常见失效模式及监测技术 . 10 2.1.1 起重机常见失效模式起重机常见失效模式 . 10 2.1.2 起起重机监测技术重机监测技术 . 10 2.2 光纤光栅的制作及特性光纤光栅的制作及特性 . 13 2.3 光纤布拉格光栅原理光纤布拉格光栅原理 . 14 2.4 光纤光栅传感模型光纤光栅传感模型 . 16 2.4.1 轴向应力下光纤光栅传感模型轴向应力下光纤光栅传感模型 . 16 2.4.2 温度模型温度模型 . 17 2.4.3 应变应变-温度交叉模型温度交叉模型 . 17 2.4.4 温度补偿温度补偿 . 18 2.5 光纤光栅解调技术光纤光栅解调技术 . 19 2.6 小结小结 . 22 第三章第三章 基于基于 fbg 的起重机健康监测系统设计的起重机健康监测系统设计 3.1 系统的一般设计流程与原则系统的一般设计流程与原则 . 23 3.2 基于基于 fbg 的起重机健康监测系统设计的起重机健康监测系统设计 . 24 3.3 信号传感模块信号传感模块 . 25 3.3.1 光纤布拉格光栅传感器设计光纤布拉格光栅传感器设计 . 25 3.3.2 传感器性能测试传感器性能测试 . 27 中北大学学位论文 ii 3.4 数据采集模块数据采集模块 . 30 3.5 数据传输模块数据传输模块 . 31 3.5.1 gprs 网络网络 . 32 3.5.2 gprs 传输模块传输模块. 32 3.6 软件系统设计软件系统设计 . 34 3.6.1 结构健康监测软件系统的整体设计结构健康监测软件系统的整体设计 . 34 3.6.2 设备设置模块设备设置模块 . 37 3.6.3 连接设置模块连接设置模块 . 38 3.6.4 显示模块显示模块 . 38 3.6.5 数据库管理数据库管理 . 40 3.6.6 起重机健康监测系统起重机健康监测系统 . 41 3.7 小结小结 . 43 第四章第四章 基于基于 fbg 的起重机健康监测系统应用的起重机健康监测系统应用 4.1 基于基于 fbg 的起重机健康监测系的起重机健康监测系统的实验验证统的实验验证 . 44 4.1.1 实验目的实验目的 . 44 4.1.2 实验环境及工具实验环境及工具 . 44 4.1.3 传感器布设点的选取及实验过程传感器布设点的选取及实验过程 . 45 4.1.4 实验结果实验结果 . 47 4.2 工程应用工程应用 . 49 4.3 本章小结本章小结 . 52 第五章第五章 总结与展望总结与展望 5.1 总结总结 . 53 5.2 展望展望 . 53 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢致谢 中北大学学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义 起重机械被广泛的应用于电力、冶金、化工、石油和建筑等领域。作为现代物料运 输中的主要“脊梁” ，在搬运与装卸中发挥极其重要的作用，起重机尤其是大中型起重 机，因其极大地减轻劳动强度、提高生产效率，而成为现代工业发展必不可缺的重要工 具。随着我国工业化的快速发展，起重机械在社会工程中的作用越来越显著，并且扮演 着越来越重要的角色。一般情况下，普通起重机寿命约为 2030 年。我国现役的很多大 型起重机械还是上世纪 80 年代制造的在其漫长的服役过程中受到环境载荷作用、腐蚀、 疲劳和材料老化等不利因素影响不可避免存在一定缺陷，并且随着经济快速发展，工业 和基础建设的需要，生产日益向大规模、高效率发展，起重机的工作日趋繁重超负荷运 行的情况也时有发生，这更加剧了起重机的损伤导致事故变得频繁。起重机事故一般都 会造成严重的后果，带来巨大经济损失更危及生命安全1。 根据近几年的国家质检总局的事故统计数字来看，起重机械的事故发生率和发生事 故导致人员伤亡的数字居高不下，这是每个起重机使用单位、厂商、社会乃至国家不容 忽视的大问题，并且也是迫切需要解决的问题。从 1999 年至 2012 年仅建筑用起重机械 就发生了 60 多起比较典型事故案例。如 2001 年 12 月 24 日，在甘肃某施工现场一台 qtz40c 塔机的基础底座主弦杆断裂导致起重机倾翻，造成 5 人死亡 19 人重伤的大型 事故；2008 年 5 月 30 日上海某造船厂一台 600 顿龙门吊在作业时发生倒塌造成 3 人死 亡，2 人受伤（如图 1.1 所示） ；2011 年 10 月 10 日甘肃某施工现场 1 台 1000 吨履带式 起重机在作业过程中突然倾倒，造成 5 人当场死亡 1 人受伤。即使在发达国家起重机事 故也时有发生，2008 年 3 月 15 日纽约曼哈顿一个建筑工地的吊车坠落造成 7 人死亡， 24 人受伤（如图 1.2 所示） 。可以看出起重机事故危害极大，影响到社会和谐。如果能 对起重机进行实时监测，在事故发生前发现危险情况，及时预测、报警，此类灾难性事 故完全可以避免，工人的生命安全也可以得到更好的保障。 科学技术的快速发展推动了现代设计和制造能力的提高，这些都促使起重机械的发 展和进步，起重机正向着重点产品大型化、系列产品模块化、标准化、产品性能自动化、 中北大学学位论文 2 图 1.1 上海某造船厂起重机倒塌事故 图 1.2 纽约曼哈顿某建筑工地的吊车坠落事故 智能化方向发。控制方面不断提高起重机自动化水平，同时发展自动控制技术、关键位 置检测及故障自诊断等。优良的调速和静动特性对现代化起重机来说非常重要，这就要 求开发高性能的电气传动装置，并结合现代计算机技术实现操作的自动控制、自动显示 与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，利用通信网络技术还可实现特殊场合的远 距离遥控等， 以适应起重机安全性和自动化生产的需要2,3。 尽管起重机的现代化发展使 起重机具有了更好的性能，但目前我国起重机械存在较多问题，与发达国家存在一定大 差距:产品质量不够硬、故障率较高、寿命较短、事故率较多、运行保障落后，没有系 统的安全体系和完整的监测理论以及配套监测手段。造成这种局面的原因有许多，但是 主要有两方面。 第一，产品安全性差，很多起重机产品在生产质量上就存在一定的质量问题，这就 中北大学学位论文 3 已经对起重机械的安全造成了一定的威胁。 一般情况下， 普通起重机寿命约为 2030 年， 但是我国很多起重机已经超期服役并长期超负荷运行，超寿命运行现象大量存在，极易 造成事故隐患。第二，缺乏检测意识、产品检测水平不高，主要表现在长期以来只对起 重机的出厂性能做全面的考核，对产品的长期性能指标涉及的较少。起重机运营过程中 安全保障主要依赖于定检、特检及日常维护。然而随着起重机械向大型化的发展，日常 的维护需要消耗大量时间、材料及人工，而定检、特检又存在时间间隔，不能对各起重 机械的运行情况做到实时掌握，缺乏突发事故的预防机理，无法对起重机日常的健康状 况做到实时、全面的掌握。同时我国的检测水平不高，针对金属检测的方法并不适用于 起重机的监测4。目前采用的检测方法的局限性日趋明显。 因此，为了确保各种起重机械设备的安全运行，提高其可靠性和安全运转率，必须 开展针对起重机的现代化故障诊断和状态监测。探索针对起重机的健康监测技术开发健 康监测系统，以方便起重机健康状况的检验与评估、及时发现异常情况并排除隐患。 结构健康监测技术是综合了计算机、 通信、 测试技术、 模式识别技术的综合性技术。 结构健康监测（structural health monitoring,简称 shm）作为一种新的安全保障理念己 经广泛应用于桥梁、土木、航空航天等领域。它是传统的结构检测的重要发展，是指利 用现场的、无损伤的监测方式检测待测结构信息（如应变、应变、温度、振动模态等信 息） ，可做到实时监测结构服役状况动态感应。对损伤敏感特征值提取并通过数据分析 来确定结构的健康状态，实现对结构的损伤或退化信息的监测，通过监测信息可对结构 事故的发生进行预警。该方法的使用将能突破常规检测的局限性，实现对结构长期的实 时在线监测， 自动记录被监测对象各项状态信息， 结合相关理论对结构的状态进行评估、 寿命预测及事故报警等功能。给用户提供准确的维护、检修信息，降低事故发生可能， 减少重复检测带来的浪费。结构健康监测应用到起重机健康监测将使起重机的安全管理 进入一个全新的阶段5,6。 结构健康监测的目标就是在待测结构发生危害性损坏前及时检 测出结构缺陷信息，预防事故发生，它是实时的在线监测过程。通过对起重机进行结构 健康监测自动获取起重机的状态信息，可以实现对起重机状态的在线和准在线监测，确 保了及时获取起重机信息，对起重机健康进行分析、安全评估、隐患报警等，大大提高 了起重机的安全性，同时依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。健康监 测系统是一个完整的监测系统，通常包括： （1）传感系统， （2）信号发生装置， （3）信 中北大学学位论文 4 息传输及处理系统， （4）损伤识别及解析、评价， （5）系统整合系统，7 如图 1.3 所示。 本课题探索将其应用于起重机的健康监测领域。 图 1.3 结构健康监测系统（shm）的组成 目前针对起重机的健康监测技术都是对金属结构进行监测，主要采用声发射传感器 的声发射监测法以及电阻应变计的应力监测法。但实际上由于起重机工作环境中的噪音 非常大，而声发射信号非常微弱，声发射信号很容易就被湮没在噪音中，在实际应用中 对起重机采用声发射监测效果其实并不理想。电阻应变计作为短期应变测量能满足要求 要求，但是其受环境影响较大，漂移严重，耐久性差损伤快，长期应变测试的结果会严 重失真。电阻应变计测量布线繁琐，但是起重机结构特殊不便布设繁琐的线路，电阻应 变计不适合对起重机进行长期的监测。健康状态监测是以先进的传感系统作为技术实现 的基础，所以要想实现结构健康监测的目标必须选择性能优良的传感器。光纤布拉格光 栅（fbg）传感器的成熟解决了声发射、电阻应变计在监测技术上的难题。光纤布拉格 光栅传感器具有质轻、径细、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、便于 组成复用网络、集传感与信息传输与一体等优点，能解决常规检测技术难以解决的测量 问题，满足现代工程结构监测的高精度、远距离、准分布式和长期、实时、在线的技术 要求8,9,10。本文将研究基于光纤布拉格光栅传感技术的起重机健康监测系统，实现对起 重机状态的长期实时在线监测。根据结构健康监测的理论，利用计算机虚拟技术建立起 中北大学学位论文 5 重机模型，根据载荷分析结果及应力分析结果，合理科学布设传感器，监测起重机的状 态信息，分析起重机健康状态、识别起重机损伤，并对危险状况进行报警。使人们能够 在外荷载达到结构临界载荷前有充足的时间采取应对措施，可大大降低突发事故的概 率，有效避免不必要的人员伤亡和财产损失，保证了起重机械的安全运行，具有实际的 经济价值和科研价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 结构健康监测技术最早出现在 1954 年，于 20 世纪 80 年代开始得到广泛探索与研 究。随着结构日益向大型化、复杂化的方向发展，更需要利用结构健康技术对结构整体 性态进行监测，保证结构的安全。近些年来，大型事故的警示以及新材料技术、计算机 技术、信号处理技术、通信技术、智能传感技术的发展，都促进了结构健康监测技术的 应用和发展。 1979 年，美国 virginia 理工学院 claus 等制作了智能材料，通过在复合材料中埋入 光纤传感器，使其具有感知自身状态信息和判断自身损伤的能力，这是世界上首次对结 构健康监测技术进行研究11。之后，结构健康监测技术广泛应用于土木工程领域、航天 航空领域等领域。成为多个发达国家研究的热点，其中以美国的研究最为领先，如二十 世纪八十年代， 美国在多座桥梁上安装监测传感器， 用于监测桥梁的各种信息 （如载荷、 震动等），对桥梁状态进行评估12。例如美国福罗里达州的 sunshine skyway bridge 斜 拉桥，在桥上安装了 500 多个传感器，监测桥梁各段的应变、位移以及温度信息，对桥 梁的安全状况进行综合评估，并通过监测数据分析材料及结构在长时间内的变化规律 13。另外，丹麦的 greatbelt 悬索桥和 faroe 跨海斜拉桥14，韩国的 seo-hae 斜拉桥15、 加拿大的 confederatiot bridge 大桥16，都开发配置了专门监测系统。并且随着结构健康 监测技术的不断成熟和在土木工程领域的成功应用，国外在航空航天、大型工程机械、 电力工业上也开始了健康监测技术的研究应用。 近些年来光纤传感技术被越来越多的应用于各种结构健康监测中。光纤传感技术是 20 世纪 70 年代以来伴随着光纤通信技术发展起来的， 经过 40 年的发展， 已经得到了长 中北大学学位论文 6 足进步，不断涌现出各种新型光纤传感器。作为光纤传感器的一种新产品，光纤光栅传 感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于复用成网、可微型化等优点得到世界范 围内的广泛关注，成为传感领域内发展最快的技术之一，并被用于结构健康监测领域， 在土木工程、航空航天、石油化工、电力、船舶工业等领域取得了广泛应用。土木工程 方面： 1989 年光纤传感器在美国首先被用于混凝土监测， 之后很多国家的研究人员分别 将光纤传感器用于土木工程中进行监测研究17,18。在航空航天方面：洛克希德公司将光 纤布拉格传感网络应用于 x-33 箱体结构件的应力和温度的准分布式监测19；德国宇航 研究院研究了植入光纤的自诊断智能结构，用于对运载器的损伤探测和评估20,21。 起重机械金属结构的失效往往导致起重机事故带来重大经济损失、造成严重的社会 影响，为了防止此类事件的发生，国外有关研究人员开始了针对起重机械的健康监测的 研究：hale 首先开展了采用光纤传感器进行金属结构疲劳裂纹监测的研究工作22,23； ichinose 和 lee 等人利用光纤传感器研究循环载荷引起的钢结构损伤监测24,25。这些都 为研究起重机金属结构健康监测打下了基础。 日本安川公司开发的起重机监控系统（crane monitoring system，cms） ，通过智能 传感技术实时采集生产现场相关数据，然后通过无线通信技术远程监控集装箱装卸设 备，实现远程故障诊断；日本住友公司研发的起重机监控系统，能够实时监测起重机的 金属结构应力26。 随着结构健康技术的广泛应用，有关健康监测的各种学术交和会议也越来越多，并 且出现了各种关于结构健康监测的协会。如每年都举办的智能材料结构会议、无损健康 监测与诊断会议。斯坦福大学两年举行一次结构健康监测国际论坛。还有 2012 年 11 月 在北京举行的“第一届国际结构健康监测与完整性管理会议”等。这些会议都为从事结 构健康监测研究和应用的人员提供了良好的交流平台，也促进着结构健康监测的发展。 1.2.2 国内研究现状 与国际上健康监测的迅猛发展相比，国内健康监测技术的研究开发始于 20 世纪 90 年代初期。虽然只有 20 余年的发展但是也取得了一定的研究成果。国家自然基金委员 会从 1991 年开始将智能材料和结构的研究提上日程并开始探索研究。我国的一些高等 院校陆续开始研究智能材料与结构技术，开展了一系列结构健康监测技术的研究。光纤 中北大学学位论文 7 光栅传感技术应用于结构健康监测具有其独特的优势并且在工程应用上取得了很好的 效果。国内很多专家学者都对光纤光栅特性及应用进行了深入的研究取得了较好的成 果。国内的很多高校院所也对光纤光栅传感技术进行了研究和实际应用，取得了一系列 成果，并将光纤光栅传感技术应用到结构健康监测中，如哈尔滨工业大学、东南大学等 高校都开展了不少结构健康监测方面的研究和应用27。 武汉理工大学研制了多种形式的 光纤光栅传感器和光纤光栅解调器以及相应的监测系统，并将研究成果应用于实际工 程。如在海口世纪大桥桥梁安装上相应的光纤光栅结构健康监测系统，对桥梁的状态进 行监测。2001 年欧进萍教授课题组将 15 个光纤光栅传感器分别铺设在呼兰河大桥 2 个 箱梁上，对呼兰河大桥进行监测28；哈尔滨工业大学针对海洋钻井平台、大连理工大学 针对框架梁，都进行了结构健康监测系统的深入研究29,30。 随着结构健康监测技术在我国的成功应用和应用技术的不断成熟，国内一些科研院 所也开始了针对大型机械结构的健康监测技术和理论研究， 在国内清华大学、 东南大学、 同济大学、武汉理工大学都有研究健康监测系统在大型机械上的应用。中国特种设备检 测研究院利用声发射技术对起重机进行结构健康监测研究并取得了一定成果。武汉理工 大学针对港口岸桥结构，建立了基于改进 bp 网络神经的结构应力诊断专家系统，并开 发了基于 gprs 无线网络的在线监测系统。东南大学研究了机械设备工况监视与故障诊 断系统， 通过布置振动传感器、 压力传感器等来实时采集机组运行数据， 具备报警功能， 并在故障诊断系统中加入相关算法分析，可以给出针对具体故障的一般应对方案。对基 于智能传感技术的起重机械健康监测的研究取得了很大的进步，但是在损伤识别的方法 研究，如何有效分析、评估结构的健康状况，寿命分析，及时预警技术等方面还处于探 索阶段，这些也是起重机结构健康监测研究的目标，也是当前迫切需要解决的问题。 1.3 目前存在的问题 尽管我国对结构健康监测技术的研究经历了近 20 的发展，取得了很大的进步，也 有一些将结构健康监测技术应用与工程的实例，目前依然存在很多问题，主要包括以下 几方面31： （1）传感器系统：目前起重机监测所使用的传感器皆有不适合健康监测的不足之 处，如传感器精度较低、耐久性差、易受干扰、稳定性差等，无法满足长期监测的要求。 中北大学学位论文 8 需要研究先进传感技术开发一些先进的、具有良好耐久性、可靠性和抗干扰能力强的传 感器，以满足起重机长期结构健康监测的要求。 （2）损伤识别方法研究：目前国内外都是基于结构整体性态响应模态分析理论建 立损伤识别模型和结构损伤识别。对于起重机这样的大型复杂力学结构，响应模态分析 方法并不适用于分析起重机局部损伤。如何更为有效的识别分析起重机损伤，对起重机 结构进行状态识别、评价其安全可靠性，是我们需要解决的问题。 （3）缺乏理论支持和统一的技术标准：缺乏系统的结构健康监测的理论来指导结 构健康监测系统的整个设计、建立过程。至今没有健康监测系统统一的设计指南、规范 和技术标准，致使结构健康监测系统的设计比较混乱、无据可依、系统性能良莠不齐， 这将给健康监测技术的应用带来一定的阻力。 1.4 本文的主要工作 为了对起重机械的运行状态进行实时有效的健康监测及评估，为起重机管理、养护 和维修提供科学的依据，最大程度地避免事故的发生、保障人们生命财产安全，课题旨 在开发一种稳定、适用于起重机结构健康监测的系统。本文通过对光纤光栅传感技术的 分析、起重机监测技术的比较，根据起重机的实际特点和安全监测的实际应用要求，结 合无线传输技术提出了基于光纤布拉格光栅的起重机健康监测的思想，并设计、开发起 重机健康监测系统，按模块介绍了监测系统硬件和软件组成及功能。设计开发了一种适 用于起重机监测的光纤布拉格传感器。监测数据由 gprs 传输终端通过网络发送至服务 器，然后安装了监测系统软件的多级客户端可以通过 internet 访问无线服务器读取监测 信息。在实验室验证了系统的稳定性和准确性后尝试应用到工程现场，实现了对起重机 运行状态的有效实时在线监测。 论文的章节内容安排如下： 第一章阐述了课题研究的背景和意义，分析了结构健康监测技术和光纤光栅技术在 国内外的研究现状并列举了部分起重机健康监测实例，最后介绍本文的章节安排。 第二章首先分析了起重机常见失效模式，通过对比分析现有监测技术，选择光纤布 拉格光栅传感器监测起重机状态信息。分析了光纤光栅的相关理论知识，研究了光纤布 拉格光栅的传感模型。并比较分析了光纤光栅的解调技术，选择高速低成本的可调谐光 中北大学学位论文 9 纤 fabry-perot（f-p）滤波技术对本系统的光纤布拉格光栅传感系统波长进行解调。 第三章给出了起重机健康监测系统的设计原则和流程，在此基础上设计开发了基于 光纤布拉格光栅的起重机健康监测系统， 设计了一款适用于起重机健康监测的专用 fbg 传感器，详细介绍了硬件模块和软件模块的组成和功能，该系统性能稳定、操作简单符 合工程监测要求。 第四章将课题所开发出的基于 fbg 传感技术的起重机健康监测系统进行了实验验 证，硬件系统和软件系统均表现出了良好的效果。然后将此系统初步应用到工程现场监 测，并跟高精度电阻应变计进行了对比，结果表明此健康监测系统能对起重机的状态进 行准确、有效的监测，达到了监测的要求。 第五章对论文的所做工作进行总结，指出课题今后需要进一步研究和完善的工作内 容。 中北大学学位论文 10 第二章第二章 起重机健康监测基础起重机健康监测基础 2.1 起重机常见失效模式及监测技术 2.1.1 起重机常见失效模式 起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，以间歇、重 复的方式工作，工作过程一般包括起升、运行、下降及返回原位等步