CN205879242U - 基于雷达原理的结构体健康传感模块 - Google Patents

Abstract

基于雷达原理的结构体健康传感模块，本实用新型涉及结构体检测传感器技术领域，解决现有技术中所使用结构体检测传感器抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。本实用新型主要包括外接传感器模块，其中包括雷达脉冲发生器，接收电源输出的直流电压，还接收控制信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；其中，所述的外接传感器模块按控制信号选择地输出雷达脉冲信号至所述的传感器组，并接收所述传感器组输出的应力变化传感信号；其中，所述的外接传感器模块还输出具有应力变化信息的反馈信号。本实用新型用于设计桥梁、建筑等结构健康检测传感器。

Description

基于雷达原理的结构体健康传感模块

技术领域

本发明涉及结构体检测传感器技术领域，具体涉及基于雷达原理的结构体健康传感模块。

背景技术

结构体健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)定义为对工程结构的损伤监测和特性描述。这是一个近20年来新兴的概念。其主要专注的领域是基础设施的健康状况，包括建筑物、桥梁、隧道以及航空工业。此外在水下管道系统(油管、光纤等)、高速公路、机械、医疗和电路板方面也有相关应用。

2007年，美国，I-35公路桥梁由于超负荷而坍塌；2009年，德国，城市历史档案馆由于地基形变坍塌；这两个案例都是由于缺乏结构体健康监测而导致的基础设施坍塌。其中的建筑物和桥梁分别由于地基形变和过度形变而导致的坍塌。美国克里夫兰的一架已经使用了50年的旧高速公路桥梁。该座桥梁在2009年被诊断出主钢筋损坏以及过度形变。之后，在2014年这座桥梁被拆除并重建。

传感器典型的感知参数(测量参数)有应变、压力、温度、倾斜率、湿度、腐蚀、振动、压强和水平程度。这些参数通过各式传感器采集得来，包括：风速计、加速度计、动态和静态应变片、位移传感器、温度传感器、全球定位系统、水平传感器、动态称重设备、气压计、雨量计、湿度计、腐蚀传感器、数字摄像机和电磁传感器。

目前，由于高昂的成本开销，结构体健康监测系统仅仅应用在一些至关重要的大型桥梁和重要的摩天大楼上。在众多桥梁中以香港昂船洲大桥为例，这座大桥上安装有风力和结构体健康监测系统，是世界上最昂贵的数字化桥梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔为例。香港昂船洲大桥上总共安装有1723个监测传感器节点。其中有82％(1416个)的传感器是应变片和温度传感器。另一方面，安装在哈利法塔上428个应变片。对于此类至关重要的结构体来说，安装全面健康监测系统所带来的高成本是可以接受的；而对于其它大部分桥梁和建筑物，时常首先选择定制的系统。这种定制的系统仅监测部分结构体参数，从而降低了成本。中国的一部分桥梁使用改造的结构体健康监测系统，使其能够在技术上使用混合拓扑，比如，通信：光纤，有线，或无线；能源：电力线，电池，或能量采集；传感器类型：主动式，或被动式(无源)。

美国桥梁健康诊断的案例。结构体健康监测的重要性可以通过下面这个例子体现出来。从1990年开始，美国各地交通管理局要求以半年为周期目视检查全部576,000个高速桥梁。这样的检测能够发现桥梁的毫米级形变，从而召回维修部分结构体已老化的桥梁。这样的统计显示：

1990年初期：美国将近35％的桥梁(236,000座)在结构上或功能上有缺陷；

2006年：超过149,000座桥梁在结构上有缺陷；

2012年：差不多25％的桥梁有缺陷。

值得强调的是，在监测系统中感知的主要工作量集中在应变测量和温度测量上。桥梁损毁的主要原因是超载(常由重型卡车导致)，强风和地震。这需要周期性的监测由这些原因所导致的桥梁形变。高速公路桥梁的案例中，对桥梁形变程度测量的重要性是显而易见的——仅通过目视应变检查就能预测桥梁损害的程度。应变测量在评估建筑物沉降和倾斜状况方面也是至关重要的，尤其在施工阶段。

如果结构体健康监测在结构诊断中是极其重要的，并且在当前市场中也是现成的，那么问题是为什么周围重要的基础设施中并没有这样的系统？在这里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系统的高功耗和高维护的开销，尤其是在电池供电或太阳能供电的案例系统中。系统精度漂移(尤其受温度的影响)依然是一个无法忽略的因素。

拓扑结构，感知参数的数量等等。每个传感器成本(cost per sensor)是评估一个监测系统成本的很好的判断依据。图1所示为4座桥梁的成本对比，在这些桥梁里使用了光纤和无线监测技术。昂贵的成本是全自动结构体健康监测系统只安装在少量重要桥梁的原因。中国桥梁估计成本大概在一到两百万美元。在安装有自动化监测系统的桥梁里，每个传感器的成本大概在5000美元左右。

功耗(电池寿命)限制随着近年来嵌入式无线传感系统的发展，似乎实现一个高信价比的无线结构体健康监测系统无疑是近在眼前的。协同能源采集技术(太阳能或振动能量)能实现全自动解决方案。为了更好的去权衡成本与系统之间的关系，研究了一些当前已部署的无线监测系统的发展状况。

以韩国的珍岛大桥(344米长)为例，在这座大桥上安装有113个节点(除开基站和网关节点)，其中105个节点使用电池供电，额外8个节点使用太阳能充电电池供电。这些传感节点用来测量桥梁加速度、应变、温湿度和风速。每个传感器的成本是500美元。该系统中主要的限制为两方面：1)通信时间。由于节点网络冲突，从46个传感器节点获取数据需要近30分钟。2)电池寿命。节点装备有大容量20,000mAh电池。若节点每天只采集数据4次，电池容量将在两个月后减少至75％。电池容量发展的潜在原因遵守Eveready定律。相比于微处理机技术，电池容量的发展是非常缓慢的。当前工业电池典型能量密度为150-200Wh/kg，1000次循环充电次数。这意味着任何装备有可充电电池的无源系统将承担高昂的维护经费(一般而言需每几个月维护一次)。另外，由于传感和通信的高功耗需求，完全无源的能量采集解决方案是没有可行性的。

温度导致的误差温度导致的误差或许是作为隐藏的参数没有被结构体健康监测系统制造商公开。由于结构体的整体体积与温度呈正相关，温度的改变将导致明显的误差。其原因有多种，其中典型的有两类：温度影响传感器(如应变片)本身；温度影响采样设备(如数模转换器)。温度导致的误差程度常常达到由负载施加的正常应变的六倍。为了解决这样的问题，现有的系统使用温度校准在做测量补偿。然而事实证明即便使用了温度校准，应变测量错误率依然居高不下，其误差值常波动在几百微米到毫米之间。

另一个重要的方面是当系统安装、修复、维护或者升级过程系统的校准工作。虽然这不是一个经费上的问题，但这些系统诊断和操作都需要专业的技术人员才能进行，否则系统的最佳状态得不到保障。

从实际情况上看，射频干扰以及电磁干扰是另一种影响系统工作状态的因素。举个例子，如果将监测系统修建在靠近输电干线和GSM信号塔旁，系统将严重受到这些噪声源的影响。一般情况下，监测系统在此类环境下工作状态得不到任何保障。相比之下，基于光纤的系统有着更好的可靠性，而基于ADC的系统却会受到很大的影响。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供基于雷达原理的结构体健康传感模块，解决现有技术中所使用结构体检测传感器抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于雷达原理的结构体健康传感模块，包括电源和控制信号，还包括外接传感器模块，其中包括雷达脉冲发生器，接收电源输出的直流电压，还接收控制信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；其中，所述的外接传感器模块按控制信号选择地输出雷达脉冲信号至所述的传感器组，并接收所述传感器组输出的应力变化传感信号；其中，所述的外接传感器模块还输出具有应力变化信息的反馈信号。

上述方案中，所述的外接传感器模块，包括主控模块，用于提供控制、通信和处理；雷达脉冲发生器，用于提供传感器组信号源，接收主控模块输出的控制驱动信号；雷达脉冲存储电容，接收并存储雷达脉冲发生器输出的雷达脉冲信号；开关电路，接收主控模块输出的选择信号并选择地释放雷达脉冲存储电容的雷达脉冲信号至传感器组；计时模块，用于测量雷达脉冲飞行时间，接收传感器组输出的应力传感信号；高频时钟晶振，用于提供采样基准，输出高频计时基准时钟至计时模块；系统时钟晶振，用于提供工作基准，输出工作基准时钟至主控模块；通信模块，接收控制信号并发送至主控模块或发送主控模块的反馈信号。

上述方案中，所述的传感器组，选用无源传感器组，无源传感器组其中包括温度传感器和应力传感器，采集结构体的温度变化信息和被动地采集经结构体回响的应力变化信息；

上述方案中，所述的外接传感器模块，还包括温度补偿模块，温度补偿模块接收主控模块输出的简易雷达脉冲信号并且其还输出补偿脉冲信号至计时模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)传感器模块结构不仅可以通信还可以接收传感器组采集数据；

(2)在对应力数据采集方面，现有技术使用传统方法(ADC+惠斯通电桥)，而使用雷达测量电阻值(应力和温度)方法；两种方法原理不同，前者为测量电压，后者为测量时间，后者抗数据干扰、精确度高且计算速度快。

附图说明

图1为本发明的传感器示意图；

图2为本发明更详细的传感器原理图；

图3为本发明的温度补偿模块示意图；

图4为本发明的雷达脉冲测量过程时序变化示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

如图1，基于雷达原理的结构体健康传感模块，还可以进一步这样实施，包括控制信号和射频信号，还包括能量采集模块，用于能量吸收，匹配接收射频信号；能量管理模块，用于作为驱动电源，接收能量采集模块输出的电压信号；外接传感器模块，接收能量管理模块输出的直流电压，还接收控制信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息和温度信息；其中，所述的外接传感器模块按控制信号选择地输出雷达脉冲信号至所述的传感器组，并接收所述传感器组输出的应力变化传感信号；其中，所述的外接传感器模块还输出具有应力变化信息的反馈信号。

所述传感器组的参数，应变片测量范围为1000–5000με，应变片精度为10με，温度测量范围为-40到+125℃℃，温度精度为±0.5℃–±0.3℃(每次测量将在片内采样250次取平均值)，湿度测量范围为0-100％RH，湿度精度为±3％RH温度漂移为Δε<100μm(-20到+100℃)，校准无(不需要)，误报率为0％(250次片内采样避免了系统误报)，受射频/电磁影响无。

如图2所示，该模块用于结构体健康监测。整个模块通过主控电路控制。雷达测量的核心由雷达脉冲发生器、脉冲存储电容、开关电路、无源传感器组和计时模块组成。主控控制雷达脉冲发生器产生脉冲，产生的脉冲被存储在脉冲存储电容之中。当积累的脉冲足够时，主控控制开关电路释放脉冲。释放的脉冲信号通过传感器之后携带着传感器的信息，并由高精度计时模块测量。在获得传感器信息之后，计时模块将传感器信息发送给主控。模块使用两个时钟晶振。其中系统时钟晶振为主控提供工作节拍，而独立的高频时钟晶振为计时模块提供测量节拍。此外，通信模块负责与外部电路(如MCU、处理器等)通信，将测量数据上传或接收控制命令。

对于温度变化导致传感器测量的误差，可以使用温度补偿来减少。如图3所示，温度补偿模块内部有温敏电阻、高精度标准电阻和放大器。温敏电阻的电阻值会随着温度呈现线性变化，而高精度标准电阻受温度影响极小。温度补偿测量过程与传感器测量过程类似。与传感器测量过程不同的是：温度补偿是由主控电路内部产生简易雷达脉冲，该脉冲分别经过温敏电阻和标准电阻后经放大器放大后成为补偿脉冲信号，由计时模块测量，并将测量结果发送给主控。之后主控经过计算得到温度比率，作为温度补偿的依据。

实施例2

基于实施例1，参考时钟为高频时钟晶振输入，默认精度为250ns(可以通过更换不同的时钟晶振来改变这个值)。参考时钟负责对信号时差进行粗计时，计时结果为参考时钟周期的整数倍。

高速时钟单元可参数高达15ps(皮秒)的时间精度，用作高精度计时。高速时钟单元并非随时工作，而是仅在开始计时、停止计时以及校准计时才使用。这样的策略使得在保证计时精度的情况下，使得系统测量功耗降至极低。

当开关电路打开发送脉冲时开始计时；当脉冲通过传感器组后回到计时模块时停止计时。可求得时间间隔ΔT:

$\mathrm{\&Delta;}T=\frac{T_{ref}}{CalC2-CalC1}\&times;(HC1+CC-HC2)$

其中Tref为参考时钟周期，HC1为高精度计时1，HC2为高精度计时2，粗计时cc，CalC1为校准计时1，CalC2为校准计时2。

另外，关于抗干扰特性。本发明设备收到周围信号的干扰本质是由于系统工作会收到外界电磁干扰的影响。但是对于本发明系统这样的无源设备，在没有工作时系统是未上电的，不会收到外界电磁干扰。本发明系统属于轮询检测，比如每过两个月工作一次采集数据，每次工作时间为几秒钟到几分钟。绝大部分的时间内系统都不受外界干扰。在系统上电时，系统采集到的应力信息直接为数字信号，这样避免了在进行数模转换时由于环境干扰导致数据失真，故抗干扰能力强。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于雷达原理的结构体健康传感模块，包括电源和控制信号，其特征在于，还包括

外接传感器模块，其中包括雷达脉冲发生器，接收电源输出的直流电压，还接收控制信号；

传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；

其中，所述的外接传感器模块按控制信号选择地输出雷达脉冲信号至所述的传感器组，并接收所述传感器组输出的应力变化传感信号；

其中，所述的外接传感器模块还输出具有应力变化信息的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的基于雷达原理的结构体健康传感模块，其特征在于，所述的外接传感器模块，包括

主控模块，用于提供控制、通信和处理；

雷达脉冲发生器，用于提供传感器组信号源，接收主控模块输出的控制驱动信号；

雷达脉冲存储电容，接收并存储雷达脉冲发生器输出的雷达脉冲信号；

开关电路，接收主控模块输出的选择信号并选择地释放雷达脉冲存储电容的雷达脉冲信号至传感器组；

计时模块，用于测量雷达脉冲飞行时间，接收传感器组输出的应力传感信号；

高频时钟晶振，用于提供采样基准，输出高频计时基准时钟至计时模块；

系统时钟晶振，用于提供工作基准，输出工作基准时钟至主控模块；

通信模块，接收控制信号并发送至主控模块或发送主控模块的反馈信号。

3.根据权利要求2所述的基于雷达原理的结构体健康传感模块，其特征在于，所述的传感器组，选用无源传感器组，无源传感器组其中包括温度传感器和应力传感器，采集结构体的温度变化信息和被动地采集经结构体回响的应力变化信息。

4.根据权利要求2所述的基于雷达原理的结构体健康传感模块，其特征在于，所述的外接传感器模块，还包括温度补偿模块，温度补偿模块接收主控模块输出的简易雷达脉冲信号并且其还输出补偿脉冲信号至计时模块。