大射电望远镜健康监测系统的设计

500m口径的大型球面射电望远镜(FAST)是我国在建的世界上最大的单口1径射电望远镜.其馈源支撑系统具有空间结构庞大、组成复杂、控制困难的特点,因此急需对其运行过程进行健康监测.健康监测力求对FAST馈源支撑系统结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估.本文较系统地阐述大射电望远镜健康监测的新概念,并从FAST...     

光纤光栅传感器在500m口径球面射电望远镜工程索网施工阶段的应用

500m口径球面射电望远镜（FAST）的主动反射面系统由圈梁、反射面单元、主索网及下拉索、促动器和地锚等组成,工程索网施工阶段会对支撑索网结构的圈梁及格构柱结构产生复杂多变的应力影响。为实现对圈梁及格构柱结构精准的应力监测,将光纤光栅传感器应用于圈梁及格构柱结构的索网施工过程监测中。介绍了传感器原理、测点布设、数据采集及数据分析方法。根据FAST索网施工过程监测的特点,基于3σ准则提出了一种新的异常数据处理方法,并利用该方法进行异常数据的分析与剔除。对实测数据进行分析,结果表明,在索网施工过程中圈梁测点的应力始终小于安全值201.5MPa,格构柱测点的应力也一直处于安全范围内,且随着索网施工的进行,其应力变化具有一定的规律性。该光纤光栅传感器监测方法在FAST索网施工阶段得到了良好的应用。     

世界最大单口径射电望远镜在贵州架设该工程建设将推动众多高科技领域发展

世界迄今最大单口径射电望远镜“FAST”工程,12月26日在贵州省平塘县一片名为“大窝凼”的喀斯特洼地中正式启动。具有中国独立自主知识产权的FAST,是世界上正在建造及计划建造中口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其设计综合体现了我国高技术创新能力。     

光纤Bragg光栅应变计在500m口径球面射电望远镜工程索力监测中的应用

为了实时监测500m口径球面射电望远镜(FAST)索网支承结构的典型索力,避免传统索力监测方法对索网支承结构的影响和工作中的电磁干扰,提出了一种间接获取索力值的方法。该方法使用光纤布拉格光栅(FBG)传感器监测索头应变值来间接测量索力。测量时将FBG应变计与补偿温度计通过专用安装底座焊接于索头线性应变区域轴向,防止直接焊接对索头结构性能的影响;然后使用温度应变补偿法补偿温度变化对FBG应变计测量结果的影响。在索体出厂预张拉过程中对该方法进行标定得到相关索力换算公式系数,从而在实际工程应用中实现了索力的测量。试验结果表明,索力与索头应变线性拟合度高达0.98,实际测量中绝对误差均方差为1.38t,在FAST工程主索工作索力范围内相对误差优于3%,满足工程需求。该方法无电磁干扰,耐用性久,布线灵活简单,已成功应用于FAST工程中的316根典型主索的索力监测中。     

FAST工程及FAST索驱动系统

正FAST工程:500米口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,简称FAST)用于深空探测、观察脉冲星、探索宇宙起源与演化及搜寻域外文明等,FAST将人类深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星,灵敏度提高约10倍,建成后将成为世界最大的单口径射电望远镜,未来20-30年,居世界领先地位。FAST工程具有是国家大科学项目,具有工程和科研属性双重属性。FAST工程法人单位是中国科学院国家天文台,共建部门是贵州省人民政府。     

太阳辐照500m口径球面射电望远镜的温度分布

为了掌握500 m口径球面射电望远镜(FAST)在太阳辐照下的温度分布,弱化它的"太阳灶"问题,保护馈源舱内相关仪器,对太阳辐照FAST温度场进行了研究,包括太阳相关参数研究、"太阳灶"问题解析及热流计算、台址地貌对FAST的阳光遮挡及不同工况下的FAST温度分布等.结果表明,FAST馈源舱温度分布不仅与反射面反射率、...     

FAST射电望远镜主动反射面单元吊装工程特种设备的设计

介绍了500 m口径球面望远镜反射面单元吊装所需特种设备的研发成果。FAST射电望远镜建成后是世界上最大的射电望远镜,其反射面能够实现主动变形对信号的追踪。反射面单元的吊装需在大跨度、高悬空、多交叉作业的情况下,将4 450块反射面单元准确吊装至各自位置,该施工在世界上尚属首次。对此项工程进行全新的设备设计,为FAST望远镜的后续施工打好坚实的基础,同时对我国缆索起重机的研究也起到了积极的推动作用。     

FAST工程新型液压促动器研制及性能分析

针对500 m口径球面射电望远镜（FAST）工程需求,介绍了一种自带动力源的液压促动器,阐述了其工作原理和集成化的结构,分析了该促动器在主动反射面系统中具体功能的实现过程。对其在正常工作状态下的换源和扫描跟踪性能进行了实验,结果表明液压促动器的动态性能和控制精度满足在FAST工程的要求,具有良好的实用性。     

大射电望远镜馈源支撑系统建模与仿真

根据500m口径球面射电望远镜(FAST)原始设计方案,基于多体系统动力学建模方法,建立了馈源支撑系统的机械模型,并对此模型进行了动力响应分析,为此项目最终方案的选择提供了参考。     

FAST索网的索长高精度测控

500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meters aperture spherical radio telescope,FAST)是我国建成的世界第一大单口经射电望远镜,其反射面索网长度控制精度要求极其严格,误差要求控制在±1 mm以内,索长的万分之一。提出恒温持荷调索测控方法,并就钢索调索结构设计、索长稳定化措施、测量调索系统和调索操作工艺流程进行详述;对各因素导致的测量误差进行了计算和修正;通过索长测控试验,对FAST项目所用到的16种规格共抽取48根钢索的设计长度、实测长度以及长度误差进行统计分析。结果表明:钢索的长度控制精度在±1 mm以内,误差符合正态分布,满足FAST索网验收标准。     

输电铁塔双轴加速度传感器优化布置

研究输电铁塔结构振动测量用双轴加速度传感器的优化布置问题。以三维模态置信准则(TMAC)为基础,提出一种新的考虑减小冗余度的二维模态置信准则法(RRBMAC法),以实现双轴加速度传感器优化布置,该方法基于改进的二维列主元QR分解获得传感器初始布点,再结合BMAC矩阵非对角元最大值和测点冗余度建立目标函数进行寻优。采用EFI2法和RRBMAC法对钢管塔进行传感器优化布置,采用两个水平方向的模态置信准则和最大奇异值比值对布点方案进行评价,结果显示两种方法的优化效果均首先随传感器数量增加而增强,而后趋于平稳,RRBMAC法较EFI2法能够获得更好的布置效果,且在传感器数目较少的情况下,RRBMAC法即表现出较好的优化能力。另外,采用EFI2法和RRBMAC法对一基格构式输电铁塔进行传感器优化布置,对比分析结果显示RRBMAC法能够获得较好的布置方案。采用优化的传感器布置方式对铁塔进行风振响应实测,并采用NEx T-ERA方法识别铁塔固有频率和阻尼系数,与模态分析结果对比显示NEx T-ERA方法能够提取得到较精确的频率结果。     

基于改进粒子群算法的应变传感器优化布置

在结构健康监测和损伤识别研究中,为了应用有限的试验设备资源获取尽可能多的有效测试信息,快速有效地解决应变传感器的优化配置问题,提出了一种基于克隆选择和离散粒子群混合算法优化新型适应度函数的应变传感器优化布置方法,并将该方法应用到拉西瓦拱坝上。结果表明,基于改进克隆选择和离散粒子群混合算法具有更强的全局寻优能力,且提出的应变类适应度函数在保证应变模态正交性和模态应变能方面更有优势。该方法能很好地识别拱坝的应变振型,可在各类结构的模态测试和损伤识别研究中进行推广。     

可控度/可观度在智能结构热压电致动器/传感器配置中的应用

研究智能结构中热压电致动器/传感器配置的优化问题。提出了热压电介质的动态控制方程。提出目标函数来评价系统可控度、可观度以优化致动器/传感器的放置,用具体算例讨论了热压电致动器/传感器的位置和数目对系统可控度、可观度的影响,由此得到了有关致动器/传感器配置的结论。     

基于深度学习的传感器优化布置方法

针对传感器优化布置(optimal sensor placement,简称OSP)问题,提出了一种新的使用深度神经网络的解决方案,并以简化的桥梁形状的桁架结构中的振动测试传感器优化为例进行了验证。首先,选择一种传统的传感器优化布置方法,对自动化生成的大量不同的桁架结构分别进行传感器优化布置计算,将所得优化布置结果在进行数据预处理后构建出深度学习方法所需要的训练集与验证集;其次,使用Python语言和深度学习框架TensorFlow设计实现与本研究问题适配的深度神经网络模型并训练;然后,随机生成了新的桁架结构参数;最后,将深度神经网络输出的传感器布置结果和传统方法的计算结果进行了比较,验证了本研究方法的有效性以及在速度上、可移植性与可扩展性方面的性能优势。     

A Bayesian approach to optimal sensor placement for structural health monitoring with application to active sensing

This paper introduces a novel approach for optimal sensor and/or actuator placement for structural health monitoring (SHM) applications. Starting from a general formulation of Bayes risk, we derive a global optimality criterion within a detection theory framework. The optimal configuration is then established as the one that minimizes the expected total presence of either type I or type II error during the damage detection process. While the approach is suitable for many sensing/actuation SHM processes, we focus on the example of active sensing using guided ultrasonic waves by implementing an appropriate statistical model of the wave propagation and feature extraction process. This example implements both pulse-echo and pitch-catch actuation schemes and takes into account line-of-site visibility and non-uniform damage probabilities over the monitored structure. The optimization space is searched using a genetic algorithm with a time-varying mutation rate. We provide three actuator/sensor placement test problems and discuss the optimal solutions generated by the algorithm.     

面向桥梁状态评估的传感器优化配置

以模态置信度矩阵(modal assurance criterion简称MAC)、Fisher信息阵和振型误差为优化准则,采用整数编码遗传算法,探讨了模态挠度法应用中的有限元模型修正和模态挠度计算的传感器优化配置问题。与常用的平分法、有效独立法及基于QR分解的逐步累积法比较,优化配置结果表明,整数编码遗传算法优于上述3种方法。     

一种多目标传感器优化布置方法及其应用

为解决复杂结构损伤识别中的传感器优化布置问题,以某发射台为研究对象,提出了一种多目标传感器优化布置方法(multi-objective optimum sensor placement,简称MO-OSP)。从结构运动方程出发,推导了同时具有各自由度模态独立性信息、损伤灵敏度信息以及运动能量信息的综合信息矩阵。根据信息熵原理,以协调灵敏度矩阵条件数最小和信息矩阵最大为目标,构造了能够兼顾算法敏感性和鲁棒性的目标函数,进而实现测点优选。采用多个评价准则和损伤识别实例,将所提方法与已有的3种典型传感器优化布置方法进行了对比分析。结果表明,提出的MO-OSP方法能充分满足模态线性独立和损伤敏感性,还具有较强的抗噪声性能,是解决复杂结构损伤识别中传感器优化布置问题的有效方法。     

应变传感器优化配置研究

传统传感器优化配置准则是以位移模态为目标对传感器的位置进行优化配置，不适用于应变传感器位置的优化。为此，本文针对应变传感器优化配置问题，理论推导出应变模态具有正交性，并以此为基础提出基于应变模态保证准则的虚变传感器优化配置准则，对利用应变模态矩阵信息阵初步拟定出的一小组传感器位置进行了研究。最后以一个复合材料四端简支板为例，对本文方法的可行性进行分析研究，结果表明，本文所建议的方法能更加有效地配置虚变传感器。     

APPLICATION OF FEA TO THE COLLOCATION OF ACTUATOR/SENSOR IN THE INTELLIGENT STRUCTURES

INTRODUCTIONThere are two characteristics of piezoelectriccomPOnents that permit them to be used as sensorsand actuators in advanced intelligent structure. Thefirst is called the direct piezoelectric effect that impliesthat when some mechanical force or pressure isapplied on a piezoelectric comPOnent, a charge/voltageis generated.The second is called the conversepiezoelectric effect that implies that when somecharge or voltage is imPOSed on a piezoelectriccomPOnent, the comPOnent will…