本发明涉及损伤监测技术领域，具体涉及一种型钢构件损伤全过程损伤监测系统及监测方法。
背景技术：
传统的型钢构件的损伤主要依靠人工监测，监测时需要去除钢结构油漆、护套等保护层，主要观察钢结构的外在损伤程度，这种方法工作效率低且精度差，需要耗费大量的人力物力，在风雨作用下高空作业对测量人员的安全造成很大的威胁。
近二十年来，型钢构件损伤监测方法主要有电阻应变片法、磁漏监测法、超声波、磁记忆技术、声发射技术、压电材料—聚偏二氟乙烯传感技术(polyvinylidenefluoride，pvdf)、光纤光栅传感技术、红外热成像法等。其中，电阻应变片为点式监测方式，需要布置大量的电阻应变片，极易受环境电磁干扰的影响，且无法监测后期的大变形损伤。磁漏监测法需要专门的磁化设备以施加外部磁场，操作非常繁琐且监测精度较低。由于型钢构件表面都存在原始缺陷，超声波监测法在型钢损伤监测中误差较大。金属磁记忆仅可有效地对铁磁性材料进行早期损伤判断，仅可判断损伤的位置，对于损伤的尺寸大小无法识别。另外，仅可判断微观缺陷和早期损伤，对于后期宏观损伤无法识别。基于声发射的损伤监测主要在实验室环境下研究，声波特性变化较微弱，在工程中容易受高背景噪声信号的严重干扰。pvdf传感技术、光纤光栅应变传感技术、红外热成像法、高频导波、超声表面波技术等难以在恶劣服役环境下操作，测试时需要去除钢结构的油漆等表层防护，存在信号干扰和解析问题，且仅可识别损伤位置，并在损伤尺度的定量方面存在困难。
综上所述，现有钢结构型钢构件损伤监测方法存在以下缺点：(1)需要去除钢结构型钢构件表面的油漆、护套等，操作繁琐，难以在酸雨、风雨激振等复杂环境服役；(2)无法同时识别损伤的位置和损伤的尺寸；(3)由于测量精度高而量程较小，只可以识别微观损伤，超过量程而无法识别宏观损伤；(4)测量精度低而量程较大，仅可识别宏观损伤，无法有效识别微观损伤；(5)无法同时识别微观损伤和宏观损伤，无法获得损伤全过程信息。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的型钢监测方法操作繁琐，无法识别损伤的全过程，且无法同时识别损伤位置和损伤尺寸的问题，提供一种型钢构件损伤全过程监测系统及监测方法。
一种型钢构件损伤全过程监测系统，包括：
移动控制平台，用于设置于型钢构件上；
磁传感探头，设置于所述移动控制平台上，所述移动控制平台的运动带动所述磁传感探头移动，以获得型钢构件不同位置的三维磁感应强度；及
控制系统，与所述移动控制平台及所述磁传感探头通信连接，以控制所述移动控制平台和所述磁传感探头工作，并根据所述移动控制平台及所述磁传感探头反馈的信息，计算得到所述型钢构件随时间和荷载发展的损伤位置和损伤尺寸。
在其中一个实施例中，所述移动控制平台包括吸盘、滑台、第一电源及第一无线传输模块，所述吸盘用于吸附于所述型钢构件上，所述滑台可移动地设置于所述吸盘上，所述第一电源分别与所述滑台及所述第一无线传输模块电连接，所述第一无线传输模块分别与所述滑台及所述控制系统通信连接。
在其中一个实施例中，所述吸盘的数量为两个，两个所述吸盘间隔设置于所述滑台上。
在其中一个实施例中，所述磁传感探头包括外壳、三轴磁传感器、第二电源及第二无线传输模块，所述外壳设置于所述移动控制平台上，所述三轴磁传感器、所述第二电源及所述第二无线传输模块均设置于所述外壳内，所述第二电源分别与所述三轴磁传感器及所述第二无线传输模块电连接，所述第二无线传输模块分别与所述三轴磁传感器及所述控制系统通信连接。
一种利用上述任意一项所述的型钢构件损伤全过程监测系统监测型钢构件损伤的方法，包括以下步骤：
将移动控制平台设置于所述型钢构件上，以所述型钢构件的一个端部为原点，所述型钢构件的长度方向，即所选择的端部至另一个端部的方向，为z轴方向，所述型钢构件的宽度方向为y轴方向，所述型钢构件的高度方向为x轴方向，构建三维坐标系；
控制系统控制所述移动控制平台沿所述z轴方向移动，以使磁感应探头获得所述型钢构件的三维磁感应强度，并将所述三维磁感应强度传输到所述控制系统中；及
所述控制系统对所述三维磁感应强度进行处理，进一步发送信号多次调整所述移动控制平台的移动速度和所述磁感应探头的采样频率，得到与损伤尺寸相匹配的所述移动控制平台的移动速度及所述磁感应探头的采样频率，根据所述三维磁感应强度的计算处理，得到所述型钢构件的损伤位置和损伤尺寸。
在其中一个实施例中，所述控制系统计算得到所述型钢构件的损伤位置的步骤具体为：
s1)在所述z轴方向上，所述移动控制平台的移动速度为：
u＝dresf
式中，dres为损伤监测分辨率，u为所述移动控制平台的移动速度，f为磁传感器探头中的三轴磁传感器的采样频率；
s2)随时间和荷载发展，所述磁传感探头移动的过程中相应地形成多个采样序列，对于第i个采样序列，所述三轴磁传感器测得x轴、y轴及z轴方向的磁感应强度分别为bx(zi)，by(zi)和bz(zi)，其中采样位置zi为：
zi＝(i-1)dres；
s3)计算每一时刻磁感应强度bx(zi)，by(zi)和bz(zi)在所述z轴方向上的磁场梯度bxz(zi)、byz(zi)及bzz(zi)：
s4)计算每一时刻的磁场梯度bxz(zi)、byz(zi)和bzz(zi)在z轴方向的局部缩并，定义为局部模量cz(zi)：
s5)确定所述型钢构件在所述z轴方向上的损伤位置
s6)绘制czz(zi)与zi之间的关系曲线，所述关系曲线的突变处即是所述型钢构件在所述z轴方向上的所述损伤位置；
s7)所述移动控制平台的移动速度减小一半，所述三轴磁传感器的采样频率保持不变，所述损伤监测分辨率dres的值也减小50％，重复步骤s1)-s6),计算得到czz(zi)与zi的关系曲线，以得到所述型钢构件沿所述z轴方向一系列的损伤位置。
在其中一个实施例中，所述控制系统计算得到所述损伤尺寸的步骤具体为：
(1)将所述损伤位置定位为zj，以所述损伤位置zj为中心，沿所述z轴方向左右选取预设长度a组成扫描范围[zj-a，zj+a]；
(2)在所述扫描范围[zj-a，zj+a]内，以损伤监测分辨率dres0对所述型钢构件进行损伤监测，则在所述扫描范围[zj-a，zj+a]内采样频次为2a/dres0，在所述扫描范围[zj-a，zj+a]内第一次扫描时，所述损伤监测分辨率dres0等于所述损伤监测分辨率dres；
(3)计算在所述扫描范围[zj-a，zj+a]内每一位置的所述磁场梯度在所述z轴方向的局部缩并，定义为局部模量cz(zk)
zk＝zj-a+(k-1)dres0
式中，bxz(zk)、byz(zk)和bzz(zk)分别为磁感应强度bx(zk)，by(zk)和bz(zk)沿着z轴方向的磁场梯度，其中zk为采样位置，bxz(zk)、byz(zk)和bzz(zk)通过上述公式(a)计算得到；
(4)计算所述局部模量cz(zk)对zk的二阶导数：
(5)减小所述移动控制平台的移动速度，所述三轴磁传感器的采样频率保持不变，不断重复前述(1)-(4)，直到所述扫描范围[zj-a，zj+a]内出现第二个损伤位置，记录这两个损伤位置的序列号按先后顺序分别为k＝l,k＝m,其中，l＜m，并记录此时对应的损伤监测分辨率dres0k，则其在[zj-a，zj+a]之内的位置分别为zl和zm；及
(6)在型钢构件损伤位置zj处，其对应的损伤尺寸为：
dzj＝(m-l)dres0k。
在其中一个实施例中，将所述型钢构件沿长度方向分割为若干等份，将所述移动控制平台分别设置于每一等份的所述型钢构件上，以对整个所述型钢构件z轴方向上的所述损伤位置及所述损伤尺寸进行监测，从而完成整个所述型钢构件长度方向的所述损伤位置和损伤尺寸的监测。
上述型钢构件损伤全过程监测系统及监测方法，能够在酸雨和风雨激振等复杂恶劣服役环境下型钢构件损伤监测和预警问题，不需去除油漆和表层护套等，不影响钢结构使用，操作简单。控制系统可以控制移动控制平台的移动速度和三轴磁传感器传感器的采样频率，得到与损伤尺寸相匹配的控制平台的移动速度和三轴次传感器的采样频率，动态调整损伤监测分辨率，可以改变测量精度，从而可以同时识别微观损伤和宏观损伤，以使该监测系统可以监测损伤的全过程。并且，该型钢构件损伤全过程监测系统可以同时监测损伤位置和损伤尺寸，能够节约程序，提高监测效率。
附图说明
图1为一实施方式中型钢构件损伤全过程监测系统的结构示意图；
图2为图1中移动控制平台的结构示意图；
图3为图1中磁传感探头的结构示意图；
图4为一实施方式中型钢构件损伤全过程监测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，一实施方式中的型钢构件损伤全过程监测系统10，可以直接监测型钢构件20内的损伤位置和损伤尺寸，操作简单。具体地，该型钢构件损伤全过程监测系统10包括移动控制平台100、磁传感探头200及控制系统300。
移动控制平台100用于设置于型钢构件20上。磁传感探头200设置于移动控制平台100上，移动控制平台100的运动带动磁传感探头200移动，以获取型钢构件20不同位置的三维磁感应强度。控制系统300与移动控制平台100及磁传感探头200通信连接，以控制移动控制平台100和磁传感探头200工作，并根据移动控制平台100及磁传感探头200反馈的信息，计算得到型钢构件20随时间和荷载发展的损伤位置和损伤尺寸。
请一并参阅图2，具体地，移动控制平台100包括吸盘110、滑台120、第一电源130及第一无线传输模块140。吸盘110用于吸附于型钢构件20上，从而将整个移动控制平台100设置于型钢构件20上。一实施方式中，吸盘110为机械式真空吸盘。吸盘110的数量为两个，两个吸盘110间隔设置，以保证整个移动控制平台100放置的稳定。滑台120可移动地设置于吸盘110上，两个吸盘110可以保证滑台120运动的稳定。第一电源130分别与滑台120及第一无线传输模块140电连接，以给滑台120和第一无线传输模块140提供电能。第一无线传输模块140分别与滑台120及控制系统300通信连接，以将控制系统300发出的控制信号能够传输给滑台120，以控制滑台120的运动，且将滑台120的运动速度传输给控制系统300。
请一并参阅图3，磁传感探头200包括外壳210、三轴磁传感器220、第二电源230及第二无线传输模块240。外壳210设置于滑台120上，滑台120的运动带的外壳210运动。三轴磁传感器220、第二电源230及第二无线传输模块240均设置于外壳210内。第二电源230分别与三轴磁传感器220和第二无线传输模块240电连接，以给三轴磁传感器220和第二无线传输模块240提供电量。第二无线传输模块240分别与三轴磁传感器220和控制系统300通信连接。第二无线传输模块240可以将控制系统300发出的控制信号传输给三轴磁传感器220，以控制三轴磁传感器220工作。并且，三轴磁传感器220可以将获取的三维磁感应强度以及采样频率可以传输给控制系统300。
控制系统300可以为计算机控制系统300。计算机控制系统300可以控制滑台120的移动速度，控制三轴磁传感器220的采样频率，从而控制整个磁传感探头200的损伤监测分辨率。在型钢构件20损伤监测过程中，控制系统300可以获取三轴磁传感器220监测得到的三维磁感应强度，然后控制系统300通过一系列的计算，最后得到损伤位置和损伤尺寸。
请参阅图4，本发明还提供一种型钢构件20损伤全过程监测方法。为实现该型钢构件20损伤全过程监测方法，其采用上述型钢构件损伤全过程监测系统10。该型钢构件损伤全过程监测方法具体包括如下步骤：
步骤s110：将移动控制平台100设置于型钢构件20上，以型钢构件20的一个端部为原点，型钢构件20的长度方向，即所选择的端部至另一个端部的方向，为z轴方向，型钢构件20的宽度方向为y轴方向，型钢构件20的高度方向为z轴方向，构建三维坐标系。
具体地，将移动控制平台100设置于型钢构件20上，且使吸盘110吸附固定于型钢构件20上，从而将整个移动控制平台100设置于型钢构件20上。此时，磁传感探头200中的三轴磁传感器220与型钢构件20的表面相对，以使三轴磁传感器220可以获取型钢构件20的三维磁感应强度。控制系统300调整滑台120的位置，使磁传感探头200位于型钢构件20的起始端，保证磁传感探头200可以从头到尾监测整个型钢构件20。并且，使三轴磁传感器220的三维坐标系与在型钢构件20上构建的三维坐标系保持一致。
步骤s120：控制系统300控制移动控制平台100沿z轴方向移动，以使磁传感探头200获得型钢构件20的三维磁感应强度，并将三维磁感应强度传输到控制系统300中。
具体地，控制系统300对移动控制平台100中的第一无线传输模块140发送信号，远程控制移动控制平台100中的滑台120沿型钢构件20的长度方向移动。滑台120的运动带动磁传感探头200运动，磁传感探头200也随着移动，磁传感探头200中的三轴磁传感器220测得型钢构件20的三维磁感应强度，然后磁传感探头200中的第二无线传输模块240将型钢构件20的三维磁感应强度传输至控制系统300中。
步骤130：控制系统300对三维磁感应强度进行处理，进一步发送信号多次调整移动控制平台100的移动速度和磁传感探头200的采样频率，得到与损伤尺寸相匹配的移动控制平台100的移动速度及磁传感探头200的采样频率，根据三维磁感应强度的计算处理，得到型钢构件20的损伤位置和损伤尺寸。
具体地，控制系统300对型钢构件20的三维磁感应强度进行处理，然后进一步发出信号多次调整移动控制平台100的移动速度和磁传感探头200中的三轴磁传感器220的采样频率，得到与损伤尺寸相匹配的移动控制平台100的移动速度和三轴磁传感器220的采样频率，动态调整磁传感探头200的损伤监测分辨率。最后根据三维磁感应强度，计算得到型钢构件20的损伤位置，并根据损伤位置计算得到损伤尺寸。
具体地，控制系统300计算得到型钢构件20的损伤位置的步骤具体为：
s1)在型钢构件20的长度方向，即z轴方向，移动控制平台100的移动速度为：
u＝dresf
式中，dres为损伤监测分辨率，u为移动控制平台100的移动速度，单位为m/s，f为三轴磁传感器220的采样频率。第一次测试时，dres取0.001m，f＝1000hz。
s2)在移动控制平台100中滑台120的运动范围内，磁传感探头200随着滑台120的移动而进行高速采样。随时间和荷载发展，磁传感探头200从型钢构件20的一端移动到另一端，相应地形成多个采样序列。对于第i个采样序列，磁传感探头200中的三轴磁传感器220测得x轴、y轴及z轴方向的磁感应强度分别为bx(zi)，by(zi)和bz(zi)，其采样位置zi为：
zi＝(i-1)dres。
s3)计算每一时刻磁感应强度bx(zi)、by(zi)和bz(zi)在z轴方向上的磁场梯度
式中，bxz(zi)、byz(zi)和bzz(zi)分别为磁感应强度bx(zi)，by(zi)，bz(zi)沿着z轴方向的磁场梯度。
s4)计算每一时刻的磁场梯度bxz(zi)、byz(zi)和bzz(zi)在z轴方向的局部缩并，定义为局部模量cz(zi):
s5)确定型钢构件20在所述z轴方向上的损伤位置zi
s6)绘制czz(zi)与zi之间的关系曲线，关系曲线的突变处即是型钢构件20在z轴方向上的损伤位置。
s7)将移动控制平台100中滑台120的移动速度减小一半，三轴磁传感器220的采样频率保持不变，即f＝1000hz，则将损伤监测分辨率dres的值也减小50％，重复s1)-s6)，得到多条czz(zi)与zi的曲线。当曲线出现突变时，曲线突变处即为型钢构件20长度方向的损伤位置，此时记录相应的损伤监测分辨率dresi及移动控制平台100的移动速度ui，得到型钢构件20长度方向一系列的损伤位置。其中，在探测损伤位置时，损伤监测分辨率dres最小取0.000001m，即1微米。
根据前述方法测得型钢构件20的损伤位置后，计算得到型钢构件20损伤尺寸的方法具体为：
(1)将前述计算得到的损伤位置定位为zj，以损伤位置zj为中心，沿z轴方向左右选取预设长度a组成扫描范围[zj-a，zj+a]。具体地，以损伤位置zj为中心，左右取0.01m，即扫描范围为[zj-0.01,zj+0.01]。
(2)在扫描范围[zj-a，zj+a]内，以损伤监测分辨率dres0对型钢构件20进行损伤监测。其中，移动控制平台100的移动速度为u0，磁传感探头200中三轴磁传感器220的采样频率为f0＝10000hz，则在扫描范围[zj-a，zj+a]内采样频次为2a/dres0。其中，在扫描范围[zj-a，zj+a]内第一次扫描时，使损伤监测分辨率dres0等于损伤监测分辨率dres。
(3)以损伤监测分辨率dres0，在扫描范围[zj-a，zj+a]内，对型钢构件20进行损伤监测。计算在扫描范围[zj-a，zj+a]内每一位置的磁场梯度在z轴方向的局部缩并，定义为局部模量cz(zk)，其中：
zk＝zj-a+(k-1)dres0
式中，bxz(zk)、byz(zk)和bzz(zk)分别为磁感应强度bx(zk)，by(zk)和bz(zk)沿着z轴方向的磁场梯度，其中zk为采样位置，bxz(zk)、byz(zk)和bzz(zk)与前述计算磁场梯度的公式相同，在此不再赘述。
(4)计算局部模量cz(zk)对zk的二阶导数：
(5)减小移动控制平台100的移动速度u0，三轴磁传感器220的采样频率不变，则损伤监测分辨率dres0也相应减小。具体地，移动控制平台100的移动速度u0减小一半，三轴磁传感器220的采样频率f0＝10000hz，则损伤监测分辨率dres0的值也减小50％。不断重复前述(1)-(4)，使得损伤监测分辨率的值不断降低，即损伤监测精度不断提高，对扫描范围[zj-a，zj+a]的型钢构件20不断重复进行探测，直到扫描范围[zj-a，zj+a]内出现第二个损伤位置。记录这两个损伤位置的先后序列号为k＝l,k＝m,其中l＜m，并记录此时对应的损伤监测分辨率dres0k，则在扫描范围[zj-a，zj+a]之内的位置分别为zl和zm。其中，损伤监测分辨率dres0最小取0.0000001m，即0.1微米。
(6)在型钢构件20损伤位置zj处，其对应的损伤尺寸为：
dzj＝(m-l)dres0k。
型钢构件20在z轴方向上其他的损伤位置对应的损伤尺寸的计算方法与上述相同，在此不再详述。
一实施方式中，由于型钢构件20的长度较长，而整个型钢构件损伤全过程监测系统10的监测范围有限。因此可以将型钢构件20沿长度方向分割为若干等份，将移动控制平台100的吸盘110吸附固定于每一等份的型钢构件20上，并监测该等份型钢构件20的损伤位置和损伤尺寸。监测完毕后拆卸下吸盘110，然后固定安装在下一等份型钢构件20上进行监测，从而完成型钢构件20长度方向的损伤位置和损伤尺寸的监测。
上述型钢构件损伤全过程监测系统10及型钢构件20损伤监测方法，能够在酸雨和风雨激振等复杂恶劣服役环境下型钢构件20损伤监测和预警问题，不需去除油漆和表层护套等，不影响钢结构使用，操作简单。型钢构件损伤全过程监测系统10可以同时识别损伤位置和损伤尺寸，能够节约监测程序，效率较高。并且，控制系统300多次调整移动控制平台100的移动速度和三轴磁传感器220的采样频率，得到与损伤尺度相匹配的移动控制平台100的移动速度和三轴磁传感器220的采样频率，动态调整损伤监测分辨率，可以改变测量精度，从而可以同时识别微观损伤和宏观损伤，以使该监测系统可以监测损伤的全过程，适用范围较广。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。