CN102435853A - 用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器 - Google Patents

Abstract

用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器属于结构健康监测领域，涉及基于机电阻抗方法监测结构健康状况的传感器。由电源管理模块、微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块、多通道切换开关和压电片连接端子组成。该传感器能检测到因结构健康状况变化而引起的机械阻抗变化，并将其变换为易于测量的电阻抗。该传感器体积小、无线通信，便于安装于现场结构上。通过对机械阻抗和电阻抗耦合的机电阻抗的测量，为基于机电阻抗方法的结构健康状况监测和结构失效预测提供了必要的信息。

Description

用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器

技术领域

用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器属于结构健康监测领域，具体涉及基于机电阻抗方法监测结构健康状况的传感器。

背景技术

随着科学技术和工业的不断发展，人们越来越重视各种建筑结构以及机械工程结构在它们的使用寿命之内的安全性。工程结构在长期的服役过程中，环境侵蚀、材料老化和荷载效应、人为的或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累计和抵抗力衰减，从而抵抗自然灾害、正常荷载以及环境作用的能力下降，引发灾难性的突发事故。定期监测这些结构及结构关键部位在长期负荷运作和不利荷载作用下的安全性，以及在重大自然灾害(比如地震)发生后立即评估结构的安全状况显得十分必要。实现结构的状态检测和故障诊断的快速性、准确性、实时性，也能及时发现早期故障，还能对故障进行分类和定位，从而有效地保证结构的安全性，具有十分重要的社会和经济价值。

机电阻抗法是一种新的无损检测方法，通过粘贴在结构表面的压电片来监测被测结构的健康状况变化。结构的健康状况发生变化时，其机械阻抗也发生变化。压电片粘贴于结构上，由于正负压电效应，结构的机械阻抗与压电片的电学阻抗耦合，两者耦合的机电阻抗可以通过测量粘贴于结构上的压电片得到。测量结果是机械结构的动态阻抗信息与压电片的阻抗的耦合，进而，可以通过测量两者耦合的机电阻抗，得知机械结构的健康状况。

机电阻抗方法的现有研究多采用阻抗分析仪进行实验室条件下试验分析。阻抗分析仪属于大型专用仪器，适用于精确测定阻抗值，不适于安装于现场进行现场监测。此外，现有的结构健康监测系统多采用有线的传感系统，信号集中采集，集中处理。由于采用有线传感系统，传感器的数量不能太多，现场布线敷设工作量大，系统的日常维护也较不方便。相应的集中式的计算方法，需要大量的数据信息从现场到控制室的传输，大量的数据对计算机软硬件的处理都有很高的要求。

国内有部分学者研制小型化阻抗测量的装置，比较代表性的有华中科技大学的黎步银研制的阻抗频谱测试系统，天津大学的李静研制的阻抗分析仪，第二炮兵学院研制的小型压电阻抗分析仪。这些装置都是由自主设计的硬件电路和上位机电脑软件组成，硬件电路以短距离的串口或者USB通信线连接至电脑，两者组成一个整体来完成阻抗值的测量，用以在没有阻抗分析仪的场合进行阻抗的测量。但是，这种装置由于是有线的连接方式，使用时必须直接和电脑连接，且连接线的长度不能超过20米，适于实验室条件下进行方法研究，对于安装于现场进行结构健康监测来说仍然是不切实际的。

国外也有一些学者研制小型的阻抗感测装置，比较代表性的有美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Gyuhae Park研制的小型阻抗传感器。但是，这种小型阻抗传感器工作时，单个传感器只能对一个压电片进行测量，然而实际应用中常需要在结构的一个局部区域布置多个压电片进行监测，若采用这种传感器，将需要多个传感器安装在一个局部很小的区域，对于实际应用来说是高成本、不便于安装的。此外，传感器无线通信频段选用2.4GHz，该频段在无线通信过程中，通信信号穿透能力弱，易受到墙体、建筑物的阻断，通信距离有限。再者，该传感器的主控部分采用传统的8位处理器，较之32位处理器，运算速度慢，功耗高。韩国成均馆大学的Seunghee Park也进行了类似的小型传感器的研制，虽然添加了多通道的压电片切换通路，但是主控部分微处理器和通信部分也存在同Gyuhae Park一样的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于现场安装使用的无线传感器，采用的具体技术方案如下：用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，包括电源管理模块、微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块、多通道切换开关，微处理器模块分别连接无线通信模块、机电阻抗感测模块以及多通道切换开关；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制多通道切换开关进行通道选择；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制机电阻抗感测模块测量多通道切换开关接通通道上的机电阻抗，并将测量结果通过无线通信模块发送出去；电源管理模块分别连接微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块和多通道切换开关，为各模块单独供电。

所述的机电阻抗感测模块包括有源晶体振荡器，参考电阻队列，低压多路复用器以及阻抗数字转换器。有源晶体振荡器与阻抗数字转换器连接，为阻抗数字转换器提供振荡信号；参考电阻队列通过低压多路复用器连接至阻抗数字转换器；微处理器模块与低压多路复用器连接，控制低压多路复用器的通道选择；阻抗数字转换器与多通道切换开关连接，测量多通道切换开关中接通通道上的机电阻抗。

无线通信模块通信频段采用433MHz。

微处理器模块采用32位处理器。

多通道切换开关通过压电片连接端子与压电片连接，压电片粘贴在结构表面上用于监测被测结构的阻抗变化。

本发明克服了阻抗分析仪不适于现场监测的缺点，同时采用无线传输方式避免了现场布线敷设工作量大，系统日常维护不方便的问题，使系统的维护和重构变得简单灵活。本发明的微处理器模块运算速度快，功耗低；无线通信模块通信距离远，穿透能力强，不易受墙体、建筑物的阻断；配备的多路切换开关可在一个传感器上实现多个压电片的阻抗测量。不同于传统的传感器仅仅是完成物理量间的转换，微处理器的引入使传感器能进行判断辨识、数字化测量结果，有一定的智能性。此外，利用本发明可以进一步组建无线传感器网络，使实现整个结构的健康状况监测成为可能。

附图说明

图1本发明的系统框图

图2本发明的电气原理图

图3本发明的工作流程图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

利用本发明，以服役于现场的结构被测对象，监测结构关键部位的健康状况。本实施例中，微处理器模块分别连接无线通信模块、机电阻抗感测模块以及多通道切换开关，压电片连接端子将8路压电片连接至多通道切换开关。各个压电片分别置于需要监测的结构关键部位，用于传感被测结构的阻抗的变化。机电阻抗方法应用的前提要求系统能够检测到结构机械阻抗阻抗的变化，并将其变换为易于测量的电学量。将压电片粘贴在需要监测的结构关键部位，由于正负压电效应，结构的机械阻抗与压电片的电阻抗发生了耦合，最终以电学阻抗的形式呈现结构的机械阻抗。在实际应用中本发明通过无线方式与远端主控监测室进行远程通讯。远端主控监测室通过无线通信模块向微处理器模块发送控制命令，微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制多通道切换开关对各路压电片进行选择；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制机电阻抗感测模块测量多通道切换开关中接通通道上的机电阻抗，并将测量结果通过无线通信模块发送出去；电源管理模块分别连接微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块和多通道切换开关，为各模块单独供电。

本发明各组成部分实现如下：

1、电源管理模块

因为系统的不同模块工作时对电源电压的幅值范围和精度要求不同，另外如果对各个模块分离、单独的供电会提高系统工作的稳定性，所以设计了电源管理模块。电源管理模块负责把总的电源电压转换成不同的电压值供给其他模块，使其他模块可靠地工作。

电源管理模块对输入电源电压进行变换处理，为系统其他模块提供稳定电压。系统电源输入为5V，通过在电源端并联10μf和0.1μf的电容实现电源的滤波和去耦，输出5V稳定电压给无线通信模块供电；采用ADI公司的超低噪声基准电压源ADR433，将5V输入电压变换为稳定的3V为机电阻抗感测模块供电；采用ASM1117将系统5V输入电压变换为3.3V稳定电压为微处理器模块和多通道压电片切换开关供电。三路电压输出分立设计，互不干扰，提高系统工作的稳定性。

2、微处理器模块

微处理器模块是整个系统工作的控制核心。它连接系统其他模块，控制多路切换开关在某一时刻选通一条压电片通道；配置机电阻抗感测模块的测量量程、频率范围和测量点数；控制机电阻抗感测模块起始测量；读取机电阻抗感测模块的测量结果，并将测量结果的数值代码转化为实际阻抗值；接收从无线通信模块传输来的控制命令，向无线通信模块发送转换后的阻抗值。鉴于传感器系统需要长期安装于现场进行监测，微处理器采用德州仪器公司的32位高性能、低功耗微处理器LM3S811。

3、无线通信模块

本发明采用无线通信方式，无线通信模块作为传感器系统与远端主控监测室的通信桥路，负责接收远端主控监测室发来的命令，传递给微处理器模块；此外，接收微处理器模块发来的数据，以无线的形式将数据传输至远端的主控监测室。

通信的频段选用433MHz，较之2.4GHz，在这一频段通信，通信穿透性强，不容易被墙体等阻断；通信距离远，无障碍距离可达到一千米，适用于现场环境应用。模块选用北京嘉华兴业科技有限公司的工业级窄带高速无线通信模块JH50。

4、机电阻抗感测模块

该模块包括有源晶体振荡器，阻值依次为100Ω、1kΩ、10kΩ、49.9kΩ、100kΩ、499kΩ、1MΩ、10MΩ的精密参考电阻队列，ADI公司的低压多路复用器ADG708和ADI公司的阻抗数字转换器AD5933。有源振荡器为AD5933提供振荡信号；低压多路复用器ADG708受微处理器模块的控制，选通某一参考电阻连接至AD5933，从而确定测量量程；阻抗数字转换器AD5933可以进行阻抗的测量。不同结构的机械阻抗差异较大，例如钢质结构和混凝土结构阻抗的量级差异较大。为了正确测量阻抗值，对于不同阻抗值的结构，要选用一个阻抗值与待测结构阻抗值相近的参考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933。多路复用器ADG708用于选择参考电阻队列中的一个阻值与待测结构阻抗值相近的参考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933，适用于不同的结构监测需要，拓展了系统的应用范围。

5、多通道切换开关

在实际应用中，为了对结构某一关键局部区域进行健康监测，常需要布置多个压电片才能实现该区域的健康监测。采用多路切换开关可以切换选通某一通道的压电片连接至机电阻抗感测模块，实现一个传感器分时地对多个压电片进行测量，而不用布置多个传感器。多通道切换开关也采用ADI公司的低压多路复用器ADG708。

本发明工作流程如下，见图3：

1、打开电源，系统初始化。智能机电阻抗传感器通电后，电源管理模块将系统输入电压转换出一路3V电压给机电阻抗感测模块供电；转换出一路3.3V电压给微处理器模块和多路切换开关供电。转换出一路5V电压给无线通信模块供电。通电后，机电阻抗感测模块和多路切换开关被动地等待接收微处理器模块的控制命令；无线通信模块循环地等待接收远端的主控监测室和微处理器模块发来的命令和传输数据；微处理器模块首先进行自身初始化，然后通过发命令控制机电阻抗感测模块和多路切换开关进行初始化，使系统各个模块都为工作做好准备。

2、微处理器模块等待接收远端主控监测室通过无线通信模块发来的命令，如果没有接收到命令，微处理器在此一直等待，如果远端主控监测室发来命令，则进入步骤3。

3、微处理器模块对接收到的命令进行辨识，如果接收的是配置命令，则进行配置操作：通过向机电阻抗感测模块的阻抗数字转换器AD5933的内部寄存器写参数，设定测量的起始频率、截至频率和测量点数，例如，设定测量的起始频率为10kHz，截至频率为90kHz，测量点数为400个，设定值会根据实际情况进行设定；控制机电阻抗感测模块的低压多路复用器ADG708选通参考电阻队列的一个参考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933，用以设定测量的量程；控制多通道切换开关选通一个待测量压电片连接至转换器AD5933。如果不是配置命令则进入步骤4。

4、如果接收的是测量命令，微处理器模块向机电阻抗感测模块的阻抗数字转换器AD5933发送开始测量命令，机电阻抗感测模块的阻抗数字转换器AD5933接收到开始测量命令后对选通的压电片进行阻抗测量，然后进入步骤5。

5、微处理器模块读取机电阻抗感测模块的阻抗数字转换器AD5933的测量状态，如果测量状态指示测量完成，微处理器模块从机电阻抗感测模块的阻抗数字转换器AD5933读取测量结果，并将测量结果的数值代码转换为实际阻抗值，然后将阻抗值传送至无线通信模块，无线通信模块将接收到的阻抗值无线发送至远端主控监测室，然后进入步骤2。

Claims (4)

1.用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，包括电源管理模块、微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块、多通道切换开关，其特征在于：微处理器模块分别连接无线通信模块、机电阻抗感测模块以及多通道切换开关；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制多通道切换开关进行通道选择；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制机电阻抗感测模块测量多通道切换开关中接通通道上的机电阻抗，并将测量结果通过无线通信模块发送出去；电源管理模块分别连接微处理器模块、无线通信模块、机电阻抗感测模块和多通道切换开关，为各模块分离供电。

2.如权利要求1所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于：所述的机电阻抗感测模块包括有源晶体振荡器，参考电阻队列，低压多路复用器以及阻抗数字转换器；有源晶体振荡器与阻抗数字转换器连接，为阻抗数字转换器提供振荡信号；参考电阻队列通过低压多路复用器连接至阻抗数字转换器；微处理器模块与低压多路复用器连接，控制低压多路复用器的通道选择；阻抗数字转换器与多通道切换开关连接，测量多通道切换开关中接通通道上的机电阻抗。

3.如权利要求1所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于：所述无线通信模块通信频段采用433MHz。

4.如权利要求1所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于：微处理器模块采用32位微处理器。

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