CN106571021A - 一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统及其方法，系统具有主动和被动两种工作模式，包括：协调器节点、传感器节点、PC。协调器节点用于构建及启动无线网络，并将接收到的信号数据融合后上传；其传感器节点，包括一个JN5148无线微处理器，信号发生器，功率放大器，压电陶瓷传感器阵列，继电器阵列，用于在主、被动工作模式中采集振动数据和控制信号的输出；当所述系统工作于主动模式下，激励信号由信号发生器和功率放大器产生，并通过继电器阵列传至特定激励通道；当所述系统工作于被动模式下，传感器节点通过继电器阵列采集所有压电陶瓷振动信号。本发明可实现钢轨结构振动情况的无线实时监测，其系统结构简单，成本低，维护方便。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统及其方法。
背景技术
随着高速铁路技术的快速发展，安全问题，尤其是钢轨结构的实时健康监测是急待加强的严重的问题之一。目前，结构健康监测技术在高速铁路领域已成为一门极为重要的学科，可通过实时监测钢轨、转向架和车轮来保证列车的安全。由于列车运行和钢轨结构的特殊性，常规的无损检测技术，如超声、电磁、热像仪、脉冲涡流等并不适合对于钢轨的轨腰和轨底等关键部位的实时监测。
基于压电阵列的振动信号分析方法是一种较合适于钢轨的轨腰和轨底等关键部位的实时监测方法。该方法通过实时采集振动信号并加以分析，可提前判断损伤的发生并估计损伤的尺寸，有效降低维护成本并提高结构服役周期。但是，传统的有线监测系统需要导线进行数据的传输来实现钢轨结构振动情况的监测，其系统结构复杂，维护相对困难，系统成本高。另外，现有技术的监测系统均为单一工作模式的主动激励式，不仅其系统结构复杂、功耗高，而且一旦仪器发生损坏，需为系统增加被动工作模式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统及其方法，具有主被动两种工作模式，可实现钢轨结构振动情况的无线实时监测，其系统结构简单，成本低，维护方便。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案。
本发明的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：所述系统具有主动和被动两种工作模式；
所述系统包括：协调器节点、传感器节点、PC；
所述的协调器节点，包括一个第一JN5148无线微处理器，用于构建及启动无线网络，并将接收到的信号数据融合后上传；
所述的传感器节点，包括一个第二JN5148无线微处理器，信号发生器，功率放大器，压电陶瓷传感器阵列，继电器阵列，用于在主、被动工作模式中采集振动数据和控制信号的输出；
所述的传感器节点与协调器节点之间为无线通信；所述的协调器节点和PC之间为串行通信和以太网通信。
当所述系统工作于主动模式下，激励信号由信号发生器和功率放大器产生，并通过继电器阵列传至特定激励通道；当所述系统工作于被动模式下，传感器节点通过继电器阵列采集所有压电陶瓷振动信号。通过所述的信号发生器的实验波形比较了主动工作模式下本系统与有线采集效果，从波形得出无线采集信号基本可跟踪有线信号的趋势，为钢轨结构健康监测提供必要信息。
进一步地，当选择主动工作模式时，设定所述的继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，其他通道作为传感通道；所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制所述的信号发生器输出激励信号并经所述的功率放大器进行放大；被放大的激励信号从常开触点经公共端传输至压电陶瓷传感器阵列的正级，从而实现一次激励；同时，用于控制Lamb波激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换指示，用于控制所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号。
进一步地，当选择主动工作模式时，所述的激励通道是可以任意指定的。
进一步地，当选择被动工作模式时，所述的继电器阵列的所有通道都用来传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；而仅由所述的JN5148无线微处理器控制模数转换的采集并发送振动信号。
所述压电陶瓷传感器阵列为平面二维分布的压电阵列，单个压电传感器采用高稳定性陶瓷材料PZT-5。
所述的协调器节点可支持RS232/485和以太网三种方式上传数据。
所述的JN5148无线微处理器选用NXP公司的无线片上系统表面贴装模块。
本发明的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集方法，包括以下步骤：
(1)传感器节点通电，并加入协调器节点组建的网络，然后选择工作模式；
(2)若选择主动工作模式，需再选择继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，而将其他通道作为传感通道；
同时，JN5148无线微处理器的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制信号发生器输出激励信号-Lamb波，并经功率放大器进行放大；所述的被放大的激励信号从常开触点经公共端传输至PZT正级，从而实现一次激励；
另外，用于控制激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换指示，用于控制JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号；采集完数据后打包发送给协调器节点；
(3)若选择被动工作模式，所述的继电器阵列的所有通道都用于传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；当需要采集振动信号时，只需JN5148控制ADC进行采集和发送；
(4)协调器节点采集到传感器节点发送的信号后上传给PC。
与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：
1.本发明的一种基于压电阵列的主被动无线振动信号采集系统，解决了有线钢轨结构健康监测系统中存在的问题，例如体积、便携性和成本、实时监控系统的小型化、长时间的服务和智能集成等，可以实现面向钢轨结构振动情况的无线实时监测。
2.本发明融合了物联网和结构健康监测技术，具体地结合了无线传感网络和基于压电的振动信号采集技术，面向常规无损检测技术难以覆盖的钢轨关键位置的健康监测。通过无线传感网络技术，简化了系统，节省了成本，而且维护方便。
3.本发明通过主被动工作模式，实现了多方式下对钢轨关键结构的健康监测，有效地避免了主动工作模式下仪器损坏后却需继续监测钢轨的情况。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的系统框图。
图2是本发明的一个实施例的主动工作模式示意图。
图3是本发明的一个实施例的被动工作模式示意图。
图4为本发明的一个实施例在实验过程中示波器与本系统振动信号采集比较图。其中图4a是激励信号波形；图4b是PZT2激励、PZT3传感波形；图4c是PZT2激励、PZT1传感波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的一个实施例的系统框图。如图1所示，本发明实施例的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，本实施例系统具有主动和被动两种工作模式；
本实施例系统包括：协调器节点、传感器节点、PC；
所述的协调器节点，包括一个第一JN5148无线微处理器，用于构建及启动无线网络，并将接收到的信号数据融合后上传；
所述的传感器节点，包括一个第二JN5148无线微处理器，信号发生器，功率放大器，压电陶瓷传感器阵列，继电器阵列，用于在主、被动工作模式中采集振动数据和控制信号的输出；
所述的传感器节点与协调器节点之间为无线通信；所述的协调器节点和PC之间为串行通信和以太网通信。
当本实施例系统工作于主动模式下，激励信号由信号发生器和功率放大器产生，并通过继电器阵列传至特定激励通道；当所述系统工作于被动模式下，传感器节点通过继电器阵列采集所有压电陶瓷振动信号。通过所述的信号发生器的实验波形比较了主动工作模式下本系统与有线采集效果，从波形得出无线采集信号基本可跟踪有线信号的趋势，为钢轨结构健康监测提供必要信息。
当选择主动工作模式时，设定所述的继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，其他通道作为传感通道；所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制所述的信号发生器输出激励信号并经所述的功率放大器进行放大；被放大的激励信号从常开触点经公共端传输至压电陶瓷传感器阵列(PZT)的正级，从而实现一次激励；同时，用于控制Lamb波激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换(ADC)指示，用于控制所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号。
当选择主动工作模式时，所述的激励通道是可以任意指定的。
当选择被动工作模式时，所述的继电器阵列的所有通道都用来传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；而仅由所述的JN5148无线微处理器控制模数转换的采集并发送振动信号。
本实施例系统的传感器节点可通过控制继电器阵列的通道切换实现主被动的工作模式。
所述压电陶瓷传感器阵列为平面二维分布的压电阵列，单个压电传感器采用高稳定性陶瓷材料PZT-5。
所述的协调器节点可支持RS232/485和以太网三种方式上传数据。
所述的JN5148无线微处理器选用NXP公司的无线片上系统表面贴装模块。
本发明的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集方法，包括以下步骤：
(1)传感器节点通电，并加入协调器节点组建的网络，然后选择工作模式；
(2)若选择主动工作模式，需再选择继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，而将其他通道作为传感通道；
同时，JN5148无线微处理器的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制信号发生器输出激励信号-Lamb波，并经功率放大器进行放大；所述的被放大的激励信号从“常开触点”经“公共端”传输至PZT“+”级，从而实现一次激励；
另外，用于控制激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换指示，用于控制JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号；采集完数据后打包发送给协调器节点；
(3)若选择被动工作模式，所述的继电器阵列的所有通道都用于传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；当需要采集振动信号时，只需JN5148控制ADC进行采集和发送；
(4)协调器节点采集到传感器节点发送的信号后上传给PC。
图2是本发明的一个实施例的主动工作模式示意图。如图2所示，本实施例系统可选主动或被动两种工作模式。若选择主动工作模式，。以PZT2通道为激励，PZT1和PZT3通道为传感通道为例。其工作过程为：
(A)JN5148的I/O 1输出一个长时间的高水平(大于1s，防止继电器不可靠)，连接继电器1的“公共端”和“常开触点”。在这段时间内继电器作为“导线”的功能，用于下一个步骤中传输激励信号。
(B)JN5148的I/O 0输出控制信号，用于控制信号发生器输出的激励信号并经功率放大器对激励进行放大。最后，被放大的信号被传输到每一个继电器的“常开触点”。此时PZT2通道被选为激励通道，所以激励信号通过“常开触点”和“公共端”流到PZT2“+”级。因此，一个激励过程完成。激励信号走向如橙色曲线所示。同时，I/O 0也作为ADC1和ADC3启动指示，用于开始采样PZT1和PZT3数据，绿色曲线表示为传感信号采集过程。
图3是本发明的一个实施例的的被动工作模式示意图。如图3所示，在选择被动工作模式时，此时的PZT1、PZT2和PZT3通道均为传感通道。只需要用JN5148来控制ADC1到ADC3采集振动信号即可。
压电陶瓷传感器阵列，此处简称压电阵列，由3个尺寸为10mm*1mm压电陶瓷组成，粘贴在轨腰，每个节点之间的间距7cm。
PZT是锆钛酸铅压电陶瓷的缩写。压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应。根据正压电效应的特点可将压电陶瓷作为传感器。根据逆压电效应可将压电陶瓷作为激励器。
图4为本发明的一个实施例在实验过程中示波器与本系统振动信号采集比较图。其中，图4a是激励信号波形；图4b是PZT2激励、PZT3传感波形；图4c是PZT2激励、PZT1传感波形。图4比较了本系统与有线信号采集(示波器)采集效果进行比较。从图4中可发现，无线采集信号基本可跟踪有线信号的趋势。
总之，本发明将物联网和结构健康监测技术相融合，结合无线传感网络和基于压电的振动信号采集技术，面向常规无损检测技术难以覆盖的钢轨关键位置的健康监测。通过无线传感网络技术，简化了系统，节省了成本，而且维护方便。
Claims (8)
1.一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：
所述系统具有主动和被动两种工作模式；
所述系统包括：协调器节点、传感器节点、PC；
所述的协调器节点，包括一个第一JN5148无线微处理器，用于构建及启动无线网络，并将接收到的信号数据融合后上传；
所述的传感器节点，包括一个第二JN5148无线微处理器，信号发生器，功率放大器，压电陶瓷传感器阵列，继电器阵列，用于在主、被动工作模式中采集振动数据和控制信号的输出；
所述的传感器节点与协调器节点之间为无线通信；所述的协调器节点和PC之间为串行通信和以太网通信。
当所述系统工作于主动模式下，激励信号由信号发生器和功率放大器产生，并通过继电器阵列传至特定激励通道；当所述系统工作于被动模式下，传感器节点通过继电器阵列采集所有压电陶瓷振动信号；通过所述的信号发生器的实验波形比较了主动工作模式下本系统与有线采集效果，从波形得出无线采集信号基本可跟踪有线信号的趋势，为钢轨结构健康监测提供必要信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：
当选择主动工作模式时，设定所述的继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，其他通道作为传感通道；所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制所述的信号发生器输出激励信号并经所述的功率放大器进行放大；被放大的激励信号从常开触点经公共端传输至压电陶瓷传感器阵列的正级，从而实现一次激励；同时，用于控制Lamb波激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换指示，用于控制所述的第一JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于，当选择主动工作模式时，所述的激励通道是可以任意指定的。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：当选择被动工作模式时，所述的继电器阵列的所有通道都用来传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；而仅由所述的JN5148无线微处理器控制模数转换的采集并发送振动信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：所述压电陶瓷传感器阵列为平面二维分布的压电阵列，单个压电传感器采用高稳定性陶瓷材料PZT-5。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：所述的协调器节点可支持RS232/485和以太网三种方式上传数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集系统，其特征在于：所述的JN5148无线微处理器选用NXP公司的无线片上系统表面贴装模块。
8.一种采用权利要求1至7任一项所述系统的基于压电阵列的钢轨振动信号无线采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)传感器节点通电，并加入协调器节点组建的网络，然后选择工作模式；
(2)若选择主动工作模式，需再选择继电器阵列的一个特定通道作为激励通道，而将其他通道作为传感通道；
同时，JN5148无线微处理器的一个特定I/O用于控制激励输出，用于控制信号发生器输出激励信号-Lamb波，并经功率放大器进行放大；所述的被放大的激励信号从“常开触点”经“公共端”传输至PZT“+”级，从而实现一次激励；
另外，用于控制激励输出的I/O的控制信号也作为模数转换指示，用于控制JN5148无线微处理器的采样传感通道的振动信号；采集完数据后打包发送给协调器节点；
(3)若选择被动工作模式，所述的继电器阵列的所有通道都用于传输传感信号，所有压电陶瓷传感器阵列都被作为传感器功能使用；当需要采集振动信号时，只需JN5148控制ADC进行采集和发送；
(4)协调器节点采集到传感器节点发送的信号后上传给PC。
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