港口大型机械金属结构应力在线监测与诊断系统研究

论文摘要

经济全球化趋势加速了港口物流业的发展,推动港口成为促进城市经济、区域经济乃至国民经济发展的纽带。港口装卸能力、作业效率的提高促使港口装卸机械朝着大型化、高速化、自动化的方向不断进步,同时也对机械装备的安全管理提出更高要求。金属结构是装卸机械的支持构架,用来支承机械各工作机构自重以及外部载荷。港口大型机械通常具有荷载运动空间高、移动范围大、载荷量重等特点,其安全可靠性尤为重要,从而突出了结构的强度要求。应力应变测试是研究港口机械结构强度的重要手段。传感技术、通信技术、诊断技术等在工业领域的深度应用和发展,为结构应力监测与诊断提供了全面而有效的平台。论文在分析国内外监测与诊断技术发展现状的基础上,针对机械设备现代化管理状况,提出了港口大型机械结构应力在线监测与诊断的研究思想。从结构应力监测方法与诊断理论出发,结合实际工程项目,以可靠传感、无线接入、分布式相结合的网络监测技术为基本构架,建立港口大型机械结构应力在线监测与诊断神经网络专家系统。本课题研究对保证港口机械安全、降低管理维护成本、提高港口设备管理水平具有一定的应用价值。全文共分八章。第一章简要阐述了研究目的和意义,并就国内外有关机械结构应力监测和诊断技术的现状及发展动态作出综合评述。第二章分析了港口大型机械结构应力监测与诊断的理论方法,对基于应变电测和基于光纤光栅传感的应力监测技术进行了对比研究。在分析基于前向推理的专家系统与神经网络自学习理论的基础上,提出了运用改进BP算法构建神经网络专家系统的珍断策略。第三章重点研究了Bragg光纤光栅应变传感和解调理论。首先利用耦合模理论分析了Bragg光纤光栅的理论模型,建立了Bragg光纤光栅的应变传感模型。在此基础上研究分析了粘贴式应变传感器的性能稳定性。此外埘光纤光栅传感器波长信号的解调技术作了深入研究。第四章重点研究了基于嵌入式系统的电阻应变电测技术。对电阻应变动态测试的方法、测量误差、桥路作了深入分析,提出针对应变计及仪器可靠性的解决方案。分析了ARM9嵌入式系统在电阻应变电测中的应用技术,研究了基于Profibus现场总线协议的嵌入式系统串行数据接口技术的实现。第五章重点研究了基于GPRS的无线数据传输技术,分别从GPRS与嵌入式系统的数据接口、无线数传网络组网方式及数据中心服务器的负载均衡算法三个方面对其关键技术进行了研究。第六章在系统论述港口大型机械结构诊断的应力分析方法的基础上,建立了结构应力诊断专家系统的神经网络模型,研究了港口大型机械结构应力诊断专家系统中神经网络知识库、推理机及解释器的设计方法以及软件开发过程中遇到的几个关键问题。第七章结合应用案例分析了港口大型机械结构应力监测诊断技术的软硬件设计方法,开发了分别基于Bragg光纤光栅传感和电阻应变电测的结构应力在线监测与诊断系统,并就系统构建中的关键技术进行了深入研究。第八章全面总结了论文主要研究工作和成果,并对下一步研究工作和发展方向做出展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 港口大型机械结构应力监测与诊断的国内外研究现状与发展动态
• 1.3.1 传感技术
• 1.3.2 无线数据传输技术
• 1.3.3 状态监测技术的研究现状与发展动态
• 1.3.4 诊断技术的研究现状与发展动态
• 1.4 论文研究的内容与方法
• 第2章 港口大型机械结构应力监测方法与诊断理论
• 2.1 港口机械及其金属结构
• 2.2 港口大型机械结构应力在线监测方法
• 2.2.1 基于光纤光栅传感技术的应力在线监测方法
• 2.2.2 基于电阻应变电测法的应力在线监测方法
• 2.3 基于前向推理的专家系统诊断理论
• 2.3.1 基于前向推理的专家系统的结构
• 2.3.2 基于前向推理的专家系统的脆弱性分析
• 2.4 神经网络专家系统诊断理论
• 2.4.1 神经网络的结构及学习方法
• 2.4.2 BP网络及其改进
• 2.4.3 神经网络专家系统原理与结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于BRAGG光纤光栅传感的应力应变测试技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 光纤光栅传感器的传感机理
• 3.2.1 Bragg光栅的理论模型
• 3.2.2 应变传感模型
• 3.3 光纤光栅应变传感器的稳定性试验
• 3.3.1 应变传感的细观力学和应变传递
• 3.3.2 粘贴式光纤光栅应变传感器
• 3.3.3 粘贴式光纤光栅应变传感器的稳定性试验
• 3.4 光纤光栅解调技术
• 3.4.1 非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉检测
• 3.4.2 可调谐光纤Fabry-Perot（F-P）滤波法
• 3.4.3 匹配光纤Bragg光栅滤波解调
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ARM9嵌入式的电阻应变电测技术研究
• 4.1 概述
• 4.2 电阻应变电测传感技术
• 4.2.1 电阻应变电测基本原理
• 4.2.2 电阻应变电测的方法研究
• 4.2.3 电阻应变动态测量误差及可行性分析
• 4.2.4 电阻应变电测的电桥电路
• 4.3 ARM9处理器设计原理
• 4.3.1 处理器基本设计原理
• 4.3.2 系统数据总线
• 4.4 基于Profibus总线协议的串口数据接口
• 4.4.1 Profibus总线协议概述
• 4.4.2 SPC3方案—RS232串口与Profibus-DP总线接口
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于GPRS的无线数传网络技术研究
• 5.1 概述
• 5.2 GPRS网络系统结构与工作原理
• 5.2.1 GPRS的系统结构
• 5.2.2 GPRS数据接口
• 5.2.3 GPRS网络工作原理
• 5.2.4 GPRS环境下TCP/IP性能改进
• 5.3 GPRS数据传输单元
• 5.3.1 GPRS DTU原理与系统功能
• 5.3.2 无线数传网络技术研究
• 5.4 GPRS数据中心服务器负载均衡算法
• 5.4.1 负载均衡技术介绍
• 5.4.2 几种传统负载均衡算法
• 5.4.3 动态反馈负载均衡策略
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于改进BP神经网络的结构应力诊断专家系统研究
• 6.1 港口大型机械结构诊断的应力分析方法
• 6.2 基于改进BP神经网络的结构应力诊断专家系统设计
• 6.2.1 系统基本结构与神经网络建模
• 6.2.2 知识库设计
• 6.2.3 改进BP算法的学习过程及学习率选择
• 6.2.4 前向神经网络推理机设计
• 6.2.5 解释器设计
• 6.3 本章小结
• 第7章 港口大型机械结构应力在线监测与诊断系统设计
• 7.1 光纤光栅结构应力在线监测与诊断系统设计
• 7.1.1 翻车机结构应力在线监测与诊断系统设计
• 7.1.2 岸桥结构应力在线监测与诊断系统设计
• 7.2 电阻应变电测结构应力在线监测与诊断系统设计
• 7.2.1 系统硬件设计
• 7.2.2 系统软件设计
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 本文的主要研究成果
• 8.2 展望与发展
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间科研、论著和论文情况