[發明專利]用于結構健康狀況監測的智能機電阻抗傳感器

無效

• 申請號: 201110412647.1
• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102435853A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 劉增華;于洪濤;何存富;吳斌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01R27/02
• 分類號: G01R27/02;G01M99/00;G08C17/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

用于結構健康狀況監測的智能機電阻抗傳感器屬于結構健康監測領域，具體涉及基于機電阻抗方法監測結構健康狀況的傳感器。

背景技術

隨著科學技術和工業的不斷發展，人們越來越重視各種建筑結構以及機械工程結構在它們的使用壽命之內的安全性。工程結構在長期的服役過程中，環境侵蝕、材料老化和荷載效應、人為的或自然的突變效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結構的損傷累計和抵抗力衰減，從而抵抗自然災害、正常荷載以及環境作用的能力下降，引發災難性的突發事故。定期監測這些結構及結構關鍵部位在長期負荷運作和不利荷載作用下的安全性，以及在重大自然災害(比如地震)發生后立即評估結構的安全狀況顯得十分必要。實現結構的狀態檢測和故障診斷的快速性、準確性、實時性，也能及時發現早期故障，還能對故障進行分類和定位，從而有效地保證結構的安全性，具有十分重要的社會和經濟價值。

機電阻抗法是一種新的無損檢測方法，通過粘貼在結構表面的壓電片來監測被測結構的健康狀況變化。結構的健康狀況發生變化時，其機械阻抗也發生變化。壓電片粘貼于結構上，由于正負壓電效應，結構的機械阻抗與壓電片的電學阻抗耦合，兩者耦合的機電阻抗可以通過測量粘貼于結構上的壓電片得到。測量結果是機械結構的動態阻抗信息與壓電片的阻抗的耦合，進而，可以通過測量兩者耦合的機電阻抗，得知機械結構的健康狀況。

機電阻抗方法的現有研究多采用阻抗分析儀進行實驗室條件下試驗分析。阻抗分析儀屬于大型專用儀器，適用于精確測定阻抗值，不適于安裝于現場進行現場監測。此外，現有的結構健康監測系統多采用有線的傳感系統，信號集中采集，集中處理。由于采用有線傳感系統，傳感器的數量不能太多，現場布線敷設工作量大，系統的日常維護也較不方便。相應的集中式的計算方法，需要大量的數據信息從現場到控制室的傳輸，大量的數據對計算機軟硬件的處理都有很高的要求。

國內有部分學者研制小型化阻抗測量的裝置，比較代表性的有華中科技大學的黎步銀研制的阻抗頻譜測試系統，天津大學的李靜研制的阻抗分析儀，第二炮兵學院研制的小型壓電阻抗分析儀。這些裝置都是由自主設計的硬件電路和上位機電腦軟件組成，硬件電路以短距離的串口或者USB通信線連接至電腦，兩者組成一個整體來完成阻抗值的測量，用以在沒有阻抗分析儀的場合進行阻抗的測量。但是，這種裝置由于是有線的連接方式，使用時必須直接和電腦連接，且連接線的長度不能超過20米，適于實驗室條件下進行方法研究，對于安裝于現場進行結構健康監測來說仍然是不切實際的。

國外也有一些學者研制小型的阻抗感測裝置，比較代表性的有美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Gyuhae?Park研制的小型阻抗傳感器。但是，這種小型阻抗傳感器工作時，單個傳感器只能對一個壓電片進行測量，然而實際應用中常需要在結構的一個局部區域布置多個壓電片進行監測，若采用這種傳感器，將需要多個傳感器安裝在一個局部很小的區域，對于實際應用來說是高成本、不便于安裝的。此外，傳感器無線通信頻段選用2.4GHz，該頻段在無線通信過程中，通信信號穿透能力弱，易受到墻體、建筑物的阻斷，通信距離有限。再者，該傳感器的主控部分采用傳統的8位處理器，較之32位處理器，運算速度慢，功耗高。韓國成均館大學的Seunghee?Park也進行了類似的小型傳感器的研制，雖然添加了多通道的壓電片切換通路，但是主控部分微處理器和通信部分也存在同Gyuhae?Park一樣的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種便于現場安裝使用的無線傳感器，采用的具體技術方案如下：用于結構健康狀況監測的智能機電阻抗傳感器，包括電源管理模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、機電阻抗感測模塊、多通道切換開關，微處理器模塊分別連接無線通信模塊、機電阻抗感測模塊以及多通道切換開關；微處理器模塊根據無線通信模塊傳輸的控制命令控制多通道切換開關進行通道選擇；微處理器模塊根據無線通信模塊傳輸的控制命令控制機電阻抗感測模塊測量多通道切換開關接通通道上的機電阻抗，并將測量結果通過無線通信模塊發送出去；電源管理模塊分別連接微處理器模塊、無線通信模塊、機電阻抗感測模塊和多通道切換開關，為各模塊單獨供電。

所述的機電阻抗感測模塊包括有源晶體振蕩器，參考電阻隊列，低壓多路復用器以及阻抗數字轉換器。有源晶體振蕩器與阻抗數字轉換器連接，為阻抗數字轉換器提供振蕩信號；參考電阻隊列通過低壓多路復用器連接至阻抗數字轉換器；微處理器模塊與低壓多路復用器連接，控制低壓多路復用器的通道選擇；阻抗數字轉換器與多通道切換開關連接，測量多通道切換開關中接通通道上的機電阻抗。