温度与拉力对EMI损伤检测技术的影响及补偿方法

摘要

土木工程结构在服役过程中不可避免的会受到各种不利因素的影响，可能造成结构的损伤，这种损伤的积累会使结构产生安全隐患，甚至导致整体结构的破坏。为能够及时了解结构的健康状态，结构健康监测系统应运而生。其中基于压电阻抗EMI(Electro-Mechanical Impedance)的损伤检测技术以其独特的优势引起了许多专家学者关注，近年来发展十分迅速。而EMI损伤检测技术会受到包括温度和外力等等外部因素的影响。本文在前人研究基础上综合理论分析、实验研究、数据处理等手段，针对EMI损伤检测技术的外部影响因素进行以下几方面的研究工作。
　　1.通过研究温度对压电材料PZT(Piezoelectric)参数的影响，从理论上探究了温度对EMI损伤检测技术的影响，并进行了实验验证。对比分析了不同温度工况下测得导纳曲线的变化规律，随着温度的升高导纳曲线整体趋势不变，但是导纳曲线峰值对应的频率会减小，同时导纳曲线峰值会变大。再对实验所测数据进行RMSD(RootMean SquareDeviation)损伤指标分析，得出温度的改变会使得相同健康状态下的RMSD指标发生变化，导致对结构健康状态的误判。
　　2.在一维 EMI理论模型的基础上增加了拉力作用，并推导了拉力作用下结构导纳的表达式，从理论上分析了拉力对EMI损伤检测技术的影响。再针对拉力荷载作用下的EMI损伤检测技术进行了实验研究。分别对无损钢梁和损伤后的钢梁施加不同拉力，分析不同拉力工况对导纳曲线及RMSD指标的影响。相同健康状态下拉力的增大会导致结构导纳值的减小，同时会导致RMSD损伤指标的增大。再分析损伤前后RMSD指标的变化以及拉力对损伤指标的影响。通过损伤前后RMSD指标的变化能够检测出结构的损伤，但当损伤程度不变结构承受拉力时，拉力的变化同样会引起损伤指标的变化，导致对结构健康状态的误判。
　　3.针对温度对EMI损伤检测技术的影响，采用了有效频率偏移 EFS(Effective Frequency Shift)方法对EMI技术进行温度补偿。通过EFS方法对不同温度下结构的导纳信息进行处理，补偿了温度对导纳曲线横向及纵向的影响。通过对比分析补偿前后RMSD指标，可以明显看出经过补偿后的RMSD指标一定程度上减小了温度引起的指标变化。将加入了 EFS补偿方法的 EMI损伤检测检测技术运用到实际工程中。首先对无损伤和有损伤发生的桥梁结构进行监测，对比分析了不同时间不同温度下导纳变化及RMSD指标的变化。再用EFS方法对无损和损伤处的导纳信息进行处理，发现经过补偿后的RMSD指标可以更加有效的判断结构损伤发生及发展。
　　4.针对拉力因素对EMI损伤检测技术的影响，采用RBF(Radial BasisFunction)神经网络的方法进行拉力补偿。针对拉力影响实验，对实验测试的健康状态下导纳信息进行RBF神经网络进行训练及仿真。利用仿真所得结果可以预测在不同拉力作用下健康状态下的导纳信息。再将拉力作用下实测的导纳信息与预测值对比，通过RMSD指标的分析即可有效判断结构的健康状态。

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1绪论

1.1概述

1.2研究背景与意义

1.3研究现状及存在问题

1.4本文主要研究内容

2 EMI损伤检测技术介绍

2.1引言

2.2压电传感器及其性能

2.3 EMI损伤检测技术原理

2.4本章小结

3温度及拉力对EMI损伤检测技术影响研究

3.1引言

3.2 EMI技术温度因素研究

3.3 EMI技术拉力因素研究

3.4本章小结

4基于EFS方法的温度影响补偿研究

4.1引言

4.2 EFS温度补偿方法

4.3温度影响补偿算例分析

4.4工程运用实例

4.5本章小结

5基于神经网络方法的拉力影响补偿研究

5.1引言

5.2人工神经网络介绍

5.3 RBF神经网络补偿方法

5.4拉力影响补偿算例分析

6结论与展望

6.1全文总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文