CN102004930A - 基于微电容测量的sma复合结构无线健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，传感标签与用于无线控制传感标签和接受传感标签信号的前端读写器通过无线方式连接，前端读写器与用于将命令和数据进行转发的中继读写器通过无线方式连接，中继读写器与用于接收上位机的命令和中继读写器转发过来的数据包的终端读写器通过无线方式连接，终端读写器与用于接收、处理终端读写器传输信息的上位机连接。本发明能自动测量复合结构的电容变化值，然后将数据无线发送出去，通过电容变化值与应变值之间的对应关系，得到该复合结构的状态信息，实现对SMA增强复合结构的无线健康监测。

Description

基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统

技术领域：

本发明涉及一种微电容测量和无线射频通信的无线结构健康监测系统。

背景技术：

传统的结构健康监测技术主要采用有线的传感器，如传统结构健康监测系统需要繁琐的电缆把传感器测量系统与控制中心相连，这样既难以进行长期监测，电缆的使用使得信号易受干扰，还需对电缆进行维护。J.P.Lynch，K.H.Law等人提出的无线监测系统利用一个中央处理器，把获取的信号进行预处理，最后通过无线的方式把信号传送到中央控制室。并且许多结构在使用中是旋转的，监测系统必须是无线的，这样，有线传感器就难以使用。而随着现代传感技术、微机电技术、以及无线通信技术的发展，无线传感监测技术逐步发展，如利用WSN、GPRS互联网、Zigbee等技术不仅解决了上述问题，还可实现远程采集、传输结构的应变信息。

目前结构健康监测正向智能化方向发展，要解决的关键问题是实现长期、在线、实时监测，在此基础上进一步实现结构的自修复功能。将一定体积比的形状记忆合金(Shape Memeory Alloy，SMA)丝埋入复合材料，可对复合材料结构起到明显增强的作用。SMA增强复合材料结构是一种新的混杂结构，对这种新结构投入实际工程应用必须研究在线的结构状态监测方法。通过附加传感元件监测复合材料结构的应变或内部状态是结构健康监测的主要技术之一。这种技术存在以下的几个问题：(1)如果结构刚度较低或变形较大，则埋入或粘贴的传感元件易阻碍结构的受力或变形；(2)传感元件和结构刚度的差异可能引起传感元件和结构的剥离；(3)许多结构在使用中是旋转的，监测系统必须是无线的，这样有线传感元件就难以使用。

无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，是利用射频信号进行非接触双向通信，以自动识别目标对象并获取相关数据。RFID的实际应用中，附着在被识别的物体上(表面或内部)的电子标签，一般只存储有关物体自身的一些基本信息，系统无法通过标签了解物体的状态及其与环境之间的变化信息，且RFID抗干扰性较差、传输距离有限(有效距离一般小于10m)，因此，RFID自身存在的这些不足之处对它的应用构成一定的限制。

对埋入形状记忆合金丝增强的混杂复合材料结构，其中一定规格和布局的形状记忆合金丝对复合结构起增强作用，而另外一定规格和布局的形状记忆合金丝可视作电容器的电极，结构的变形会引起电容量的变化，通过监测结构变形引起的微电容变化，可实现结构状态的监测。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种实现对结构损伤程度的实时评价，为实时、在线以及智能化的结构无线健康监测提供一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测的新方法和系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：有用于采集SMA增强复合结构电容变化信息的传感标签，传感标签与用于无线控制传感标签和接受传感标签信号的前端读写器通过无线方式连接，前端读写器与用于将命令和数据进行转发的中继读写器通过无线方式连接，中继读写器与用于接收上位机的命令和中继读写器转发过来的数据包的终端读写器通过无线方式连接，终端读写器与用于接收、处理终端读写器传输信息的上位机连接。

所述的传感标签包括微处理器模块，微处理模块与电容测量模块及无线收发模块连接，电容测量模块主要由PS021芯片构成。

所述的前端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

所述的中继读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

所述的终端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与串口模块及无线收发模块连接。

传感标签模块通过PS021芯片测量复合结构的电容信息，并按照相关通讯协议发送测量结果给读写器模块；电容测量模块主要由PS021芯片构成，由于SMA复合结构中任意两丝可作为电容器的两极，将两极引线连出接入PS021电容测量电路，即可测量复合结构中SMA丝间的电容信息，将测量结果转化为数字信息直接传送给微处理器；无线收发模块由PTR4000构成，接收微处理器发送的测量结果，把结果无线发送给读写器，并接收读写器发送的控制信息，完成射频信息的无线收发；微处理器模块主要由C8051F330单片机组成，可通过与单片机I/O口相连的开关来控制多个传感标签的同时工作。当开关打开时，单片机向PS021写控制字，触发测量芯片工作，再把PS021输出的数据存储下来，最后将存储好的数据发送给PTR4000芯片，经由该芯片发送的测量结果，并接收读写器发送给该芯片的PS021芯片寄存器控制信息。

前端读写器模块和中继读写器模块利用无线收发模块的PTR4000芯片接收标签或读写器发送的信息，使用AT24C02芯片将数据暂时存储，然后发送给上一级的读写器。

终端读写器由无线收发模块、微处理器模块和串口模块构成，无线收发模块还是由PTR400芯片构成，收发来自中继读写器的信息，交由微处理器处理后通过RS232串口发送给上位机。

上位机界面由LabVIEW软件编写，主要实现对数据进制转换，电容的标定和计算，电容信息的波形显示，并根据应力应变信息与电容变化之间的关系，分析出当前结构安全状况，并对损伤程度和使用寿命进行评估，达到对复合结构无线健康监测的目的。

本发明通过测量复合结构中记忆合金丝的电容变化信息来监测复合结构的健康状况，采用PS021电容测量芯片测量复合结构的电容变化信息，将复合结构的应变信息通过RFID传感标签无线发送出去，由读写器接收信息并传给上位机进行分析处理。该系统能自动测量复合结构的电容变化值，然后将数据无线发送出去，通过电容变化值与应变值之间的对应关系，得到该复合结构的状态信息，实现对SMA增强复合结构的无线健康监测。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的系统组成图。

图2是前端读写器和传感标签系统结构框图。

图3是前端读写器和中继读写器系统结构框图。

图4是中继读写器、终端读写器和上位机系统结构框图。

图5是电容传感标签工作流程图。

图6是上位机通信流程图。

具体实施方式：

一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，有用于采集SMA增强复合结构电容变化信息的传感标签1，传感标签1与用于无线控制传感标签和接受传感标签信号的前端读写器2通过无线方式连接，前端读写器2与用于将命令和数据进行转发的中继读写器3通过无线方式连接，中继读写器3与用于接收上位机的命令和中继读写器转发过来的数据包的终端读写器4通过无线方式连接，终端读写器与用于接收、处理终端读写器传输信息的上位机5连接。

所述的传感标签1包括微处理器模块6，微处理模块与电容测量模块7及无线收发模块8连接，电容测量模块主要由PS021芯片构成。

所述的前端读写器2包括微控制器模块9，微控制器模块与数据存储模块10及无线收发模块11连接。

所述的中继读写器3包括微控制器模块12，微控制器模块12与数据存储模块13及无线收发模块14连接。

所述的终端读写器包括微控制器模块15，微控制器模块与串口模块16及无线收发模块17连接。

本发明是基于微电容测量和RFID技术的SMA增强复合结构无线监测系统：有采集SMA增强复合结构任意两SMA丝间电容状态信息，并向无线射频读写器发送测量信息的RFID传感标签；接收表征复合结构整体结构状态的多个RFID传感标签信息并向RFID传感标签发送PS021控制信息的无线射频识别读写器；读写器通过串口模块与上位机相联，然后通过互联网与控制中心通信。

如图2、3、4所示，整个系统分为传感标签、前端读写器、中继读写器、终端读写器和上位机。上位机主要利用LabVIEW软件来开发实现的。

上述各种模块的形式为：

电容测量模块：该模块主要由PS021微电容测量电路组成。通过比较参考电容与传感电容的充放电时间计算出参考电容与传感电容的比值关系，再通过SPI串口将测量结果输出给单片机。

微控制器模块：主要由单片机C8051F330组成。由于数据采集是在多通道的情况下进行的，所以各个标签采集来的数据需要进行处理，加上标签信息以及测量时间信息，信息打包处理好之后先放入FLASH存储器中，当测量数值达到一定量时，控制PTR4000无线收发模块，命令其向读写器发送请求，读写器确认后，发送已存储的测量数值，发送完毕后，检测当前开关状态，如果需要继续工作则继续以上操作。

无线收发模块：通过采用2.4GHZ的PTR4000无线嵌入式模块，可进行无线通信。通信时由于每个标签的发射频点不同，所以读写器模块内的无线收发模块需要每读取一个标签测量结果，更改一次PTR4000频点的设置，以此达到对多标签或多传感器数据的发送与读取。

数据存储模块：采用AT24C02芯片将采集的数据暂时存储，主要将无线收发模块接收到的信息暂存，之后发送给上一级的读写器，进行存储和转发。

串口模块：使用RS232串口实现终端读写器和上位机的通信。

上位机：上位机利用LabVIEW实现系统软件的开发。其中，利用MSComm控件实现串口数据的发送及读取。由于PS021的测量数据是个相对测量值，而且需要对其零点进行标定，所以在这个软件里将把测量数据处理成电容值，并且以图像的形式显示出来，再根据电容变化情况与复合结构自身应力应变情况对照起来，评估出当前结构健康状态。

为实现附图1和附图2所描述的结构及功能，系统软件程序流程如图5和图6所示。

读写器和标签模块工作频率为2.4GHz ISM微波段，传输的距离不小于50米，读写器与上位机之间采用RS232串口通讯，读写器和电子标签之间采用无线通讯，其通讯指令定义如表1，通讯协议如表2所示。

表1系统通讯指令定义

表2系统通讯协议

下面通过一实例来说明通讯指令和通讯协议的含义：

当传感标签2的FLASH存储器中存储的数据已达到1000个，标签2会向所在位置最近的读写器3发送请求接收数据的指令：BB BB A0 0402 03 A5 ED。

若读写器3已收到标签2的请求，则回复：BB BB A1 04 03 02 A5ED。

之后读写器3开始接收标签2的数据，当接收完1000个后，会自动调频至下一个标签频点，继续接收数据。

同时读写器3接收到标签2的数据后直接通过串口发送给上位机，如BB BB B0 07 00 29 4E 02 2F A3 ED，表示读取的是PS021中B0寄存器的值，测量结果是00 29 4E，前两个字节是结果值的整数部分，后一个字节是其小数部分。上位机接收到数据后，根据已知的参考电容值，将测量结果进行标定以及换算成电容值，并放在不同通道显示窗口中显示。

Claims (5)

1.一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：有用于采集SMA增强复合结构电容变化信息的传感标签，传感标签与用于无线控制传感标签和接受传感标签信号的前端读写器通过无线方式连接，前端读写器与用于将命令和数据进行转发的中继读写器通过无线方式连接，中继读写器与用于接收上位机的命令和中继读写器转发过来的数据包的终端读写器通过无线方式连接，终端读写器与用于接收、处理终端读写器传输信息的上位机连接。

2.根据权利要求1所述的基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：所述的传感标签包括微处理器模块，微处理模块与电容测量模块及无线收发模块连接，电容测量模块主要由PS021芯片构成。

3.根据权利要求1或2所述的基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：所述的前端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

4.根据权利要求1或2所述的基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：所述的中继读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

5.根据权利要求1或2所述的基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：所述的终端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与串口模块及无线收发模块连接。

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