[發(fā)明專利]一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010971223.8
• 申請(qǐng)日: 2020-09-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112394107A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉波;孔瓊英;鄧為權(quán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N29/04
• 分類號(hào): G01N29/04;H04W4/38;H04W84/18
• 代理公司: 昆明明潤(rùn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 53215
• 代理人: 王鵬飛

本發(fā)明涉及一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括PC端、無(wú)線傳輸單元、RF射頻天線、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、信號(hào)接口單元、壓電傳感器陣列單元、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、電源模塊單元。壓電傳感器陣列單元由壓電傳感器根據(jù)不同需求排列成各類不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成；無(wú)線傳輸單元由ZigBee芯片構(gòu)成。本發(fā)明利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸壓電傳感器陣列單元采集到的Lamb波結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，能夠有效的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連線復(fù)雜性，有利于壓電傳感器的大規(guī)模組網(wǎng)，降低運(yùn)維成本，提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用集成在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)感知結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，在線實(shí)時(shí)的獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息，然后再利用相關(guān)的信息處理方法，提取與損傷相關(guān)的特征參數(shù)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷狀況，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的自診斷。

目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、管道、軍事、電力等眾多的工業(yè)領(lǐng)域,并取得了很好的效果。由于Lamb波對(duì)微小損傷敏感，壓電元件的正逆壓電效應(yīng)，頻響高，重復(fù)性好，既可以作激勵(lì)器又可以作傳感器等優(yōu)點(diǎn)，基于Lamb波和壓電傳感陣列的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法在國(guó)內(nèi)外已被很多學(xué)者研究，并取得了豐碩的研究成果。

但是目前基于Lamb波和壓電傳感器陣列的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法無(wú)論是在實(shí)際工程應(yīng)用中，還是在實(shí)驗(yàn)室的研究中大多數(shù)都是通過(guò)有線的方式連接，這造成了傳感器布置密集的地方導(dǎo)線連接復(fù)雜，給現(xiàn)場(chǎng)的施工帶來(lái)了極大的不便，也不利于傳感器的大規(guī)模組網(wǎng)。并且，有線連接方式難以維護(hù)和排查故障，極大地增加了運(yùn)維成本，此外，若有連接線出現(xiàn)故障，則會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸，降低損傷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，甚至?xí)?dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤，造成嚴(yán)重的后果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，通過(guò)ZigBee技術(shù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連線復(fù)雜性，有利于壓電傳感器的大規(guī)模組網(wǎng)，降低運(yùn)維成本，解決上述問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括PC端、無(wú)線傳輸單元、RF射頻天線、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、信號(hào)接口單元、壓電傳感器陣列單元、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、電源模塊單元。

無(wú)線傳輸單元由ZigBee芯片組成，壓電傳感陣列單元是根據(jù)不同的實(shí)際監(jiān)測(cè)情況而設(shè)計(jì)的壓電傳感器陣列，可為不同型號(hào)或不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的壓電傳感器陣列。

無(wú)線傳輸單元芯片與信號(hào)發(fā)生器連接，信號(hào)發(fā)生器的同步信號(hào)輸出端與功率放大器的信號(hào)輸入端INPUT連接，經(jīng)功率放大器放大的信號(hào)從功率放大器的信號(hào)輸出端OUT輸出后，通過(guò)信號(hào)接口單元連接到壓電傳感器陣列單元，為壓電傳感器提供激勵(lì)信號(hào)。壓電傳感器陣列采集到相應(yīng)的Lamb波響應(yīng)信號(hào)后經(jīng)信號(hào)接口單元與電荷放大器的輸入端口相連，電荷放大器的輸出端口再與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口連接，采集到的Lamb波信號(hào)在數(shù)據(jù)采集卡中轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)輸出端口輸出，傳送至無(wú)線傳輸單元，并與無(wú)線傳輸單元的芯片相連，數(shù)字信號(hào)由射頻天線經(jīng)無(wú)線傳感方式傳輸?shù)接脩舳藷o(wú)線傳輸單元，實(shí)現(xiàn)與PC端的通信。

壓電傳感器陣列單元是根據(jù)工程實(shí)際需要而設(shè)計(jì)的壓電傳感器陣列，其可以為不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如一維線性，二維矩形、三角形、環(huán)形等，壓電傳感器的型號(hào)、大小也可根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用需求而定。

電源模塊單元為信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡提供電源。

基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用方法，具體步驟為：