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1、工程建筑论文-土木工程结构的无线 AE 测试系统设计与实现摘 要:介绍了无线 AE 测试系统的硬件组成、软件设计和功能性实验。系统针对目前国内用于结构健康监测的无线传感器频宽较低的现状,设计制作无线AE 检测节点,采用 LabVIEW 作为软件开发环境开发了系统监测评估软件,建立扩展性高的 AE 测试系统,实现土木工程结构的无线测量与损伤定位。实验结果表明本系度精度高,测试频带宽,信号分析与定位实时性强,具有很好的实用价值。 关键词:结构健康检测;无线传感;OPCM;AE 1 系统的检测原理 无线 AE 测试系统的设计和实现基于无线传感技术与 Labview 技术。主要由无线 AE 检测节点(
2、简称节点),无线 AE 检测基站(简称基站)与 PC 机组成,如图 1所示。无线 AE 测试系统采用模块化设计以便在未来替换和更新时达到最大的适应性,降低系统开发成本,能使结构健康监测系统方便升级以至完善。系统按功能划分模块又可以分为数据采集模块、数据处理模块两大部分。 2 无线 AE 测试系统的数据采集模块 无线 AE 测试系统的数据采集模块由无线 AE 检测节点和无线 AE 检测基站组成。基站起着节点与 PC 机间的桥梁作用,它负责接收节点无线传送的数据,并将数据通过基站的通信接口传送给计算机进行分析和永久性存储。 2.1 无线 AE 检测节点设计 无线 AE 检测节点是整个设计中的亮点,
3、模块化设计使节点更新方便,降低系统未来升级的成本。其硬件结构图如图 2 所示,包括传感器单元、处理器单元、无线通信单元及电源供应四大部分。 2.1.1 传感器单元 传感器单元包括 OPCM 传感组件与前置放大电路。OPCM(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,简称 OPCM)传感组件除了具有普通压电复合材料柔韧性好、强度高、极限应变大、重量轻等优点外,还具有平面横观各向异性的特点,可以区分平面结构中的各个应力波分量,从而使其应用于 AE 检测中比普通的压电传感组件更有效。OPCM 输入阻抗高,电荷信号微弱,须通过前置放大器放大信号,将其高
4、输出阻抗转换为低阻抗输出。系统选用高输入阻抗的运算放大器实现阻抗变换和放大处理。通过性能试验证明,传感组件输出信号经过前置电路调理后幅值明显放大,且放大倍数与理论吻合,信号频率成分保持不变。2.1.2 处理器单元 处理器单元是传感器节点的主单元,包括数据采集,处理组件,是系统中最为重要的模块,在设计阶段可由计算机直接编程,投入使用后也可通过基站进行程序的升级。微处理器选用 Microchip 公司的 PIC18F4620。该单片机是面向高端应用的增强型 16bit 指令字长的单片机,具有丰富的扩展接口:通用 I/O,4 种不同功能的计数器,捕捉/比较/PWM 模块,同步串口,CAN 模块,电压
5、比较器,10bit ADC。将它作为无线传感器的处理单元,可对传感器板输出的模拟或数字信号进行采集和预处理。 2.1.3 无线通信单元 无线通信单元用来将传感器检测到的数据通过无线通信的方式传输到计算机,这里采用 CC2420 为核心实现数据传输。CC2420 是 Chipcon 公司推出的首款符合 2.4GHz IEEE802.15.4 标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能,是一款适用于 ZigBee 产品的 RF 器件。它基于 Chipcon 公司 SmartRF 03 技术,以0.18um CMOS 工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。CC2420 的选择性和敏感性指数
6、超过了 IEEE802.15.4 标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达 250kbps可以实现多点对多点的快速组网。 2.1.4 无线 AE 测试节点的制成 设计时将传感器单元、处理器单元与无线通信单元经过连接器连接,由电源供应能量,组成无线 AE 测试节点。最终制成的节点外形只有 3620mm,功耗低至 30mW。如图 3 所示为制成的传感器单元、处理器单元和整个节点。信号从传感器板汇集并转换为电信号,然后再传送给处理器单元,处理器单元将电信号转化为数字信号,然后进行数据处理传给基站,由基站来决定如何开始相应的动作。2.2 采集模块软件
7、原理与设计 无线 AE 测试节点的软件设计采用 C 语言编程。主应用程序负责对整个无线传感器的控制和操作。由于采用 ZigBee 技术的节点设备工作周期较短、收发信息功率低,并且当节点不传送数据时处于休眠状态,当需要接收数据时由协调器设备负责唤醒,因此基于 ZigBee 无线通信协议设计无线传感器软件,可以极大地降低功耗。 依据 ZigBee 协议栈构架内容,无线传感器软件程序不仅需要必须包含一组ZigBee 协议栈源文件,还要有一个控制单片机和无线通信单元运行的主应用程序。主应用程序负责对无线传感器的控制和操作。在工作状态时,压电陶瓷的变化信号通过前置调理放大电路后变成标准的模拟电压信号,通
8、过微处理单元本身带有的 A/D 通道,将模拟信号采集进来并转换成 10 位数字信号并存储在微处理器的数据存储单元内,经过循环采集和 AD 转换后将所有数据打包,通过无线通信单元发送给基站。程序流程图如图 4 所示。 3 无线 AE 测试系统的数据分析与处理模块 有了负责数据采集和通信的数据采集模块,系统还需要有一个人机交互的系统软件平台,用来与无线传感器节点进行实时通信,接收来自基站的数据,存储到计算机中,并对原始数据进行分析和处理,实现损伤检测,报警等功能。使结构健康监测系统更完善,使用更方便。 在吸取国内外相关系统特点的基础上,以计算机为主体,利用虚拟仪器技术,以 LabVIEW 为软件开
9、发平台,通过开发不同的测试分析软件模块,实现结构健康监测系统的数据采集,数据通信,信号处理分析,声发射检测,损伤定位和报警处理等功能,软件框图如图 5 所示。 4 试验应用研究 在初步测试阶段,用外部激励测试新开发的无线 AE 检测系统。在一个混凝土试件上安装间隔 40mm 的两个压电体,一个连接到一个信号发生器作为声波激励,第二个压电体作为被动式传感器输出检测信号。检测信号一路通过无线 AE检测节点的无线通信功能传给基站,再由基站送给 PC 机,另一路直接连接到示波器观察波形。利用一个 10kHz 的正弦波来测试系统的性能,传感器单元的采样频率设置为 50kHz。图 6(a)给出了 0.4
10、ms 内无线传感器的采样数据与示波器上的数据的对比图,图 6(b)为两个信号的频谱分析对比图。 由图中可以看出,无线 AE 检测系统较好地识别了结构的声波信号。在时域上,无线传感器接收到的数据和示波器数据几乎一样,两个波形很难区分开来。在频域范围也可以发现无线传感器节点与有线传感器的采集到信号的频谱主要成分非常的相似,它们的波峰的大小、形状和位置都比较一致。 5 结语 本文讨论了一个可以检测声波信号的新型无线 AE 系统的开发与设计制作过程,将该系统用于工程结构监测中时,节点易于安装拆除,不仅省去布设导线的费用,而且节省安装时间。系统中所用的无线传感器在体积小,功耗低的前提下,突破了目前国内用于结构健康监测的无线传感器最大采样频率只有数千赫兹的现状,将采样频率提高到 50kHz,数据精度也从 8bit 提高到 10bit。试验结果显示了无线 AE 检测系统可以用于较高频段结构健康监测的声波检测,在国内有一定领先优势,具有广阔的应用前景。 参考文献 1 彭新明,孙友宏,等.岩石声发射技术的应川现状J.世界地质,2000, (9). 2 王雪.无线传感器网络测量系统M.北京:机械工业出版社,2007. 3 吴健.智能无线传感器网络节点的设计和研究J.仪表仪器学报,2006,27(9).
