設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)無線AE測試系統(tǒng)方案

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摘 要:在吸取國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以計(jì)算機(jī)為主體,利用虛擬儀器技術(shù),以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺,通過開發(fā)不同的測試分析軟件模塊,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)通信,信號處理分析,聲發(fā)射檢測,損傷定位和報(bào)警處理等功能

　　關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)健康檢測;無線傳感;OPCM;AE 　　1 系統(tǒng)的檢測原理 　　無線AE測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于無線傳感技術(shù)與Labview技術(shù)。主要由無線AE檢測節(jié)點(diǎn)(簡稱節(jié)點(diǎn)),無線AE檢測基站(簡稱基站)與PC機(jī)組成,如圖1所示。無線AE測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)以便在未來替換和更新時(shí)達(dá)到最大的適應(yīng)性,降低系統(tǒng)開發(fā)成本,能使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)方便升級以至完善。系統(tǒng)按功能劃分模塊又可以分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大部分。 　　2 無線AE測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊 　　無線AE 測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由無線AE檢測節(jié)點(diǎn)和無線AE檢測基站組成?；酒鹬?jié)點(diǎn)與PC機(jī)間的橋梁作用,它負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)無線傳送的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過基站的通信接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和永久性存儲。 　　2.1 無線AE檢測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 　　無線AE 檢測節(jié)點(diǎn)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的亮點(diǎn),模塊化設(shè)計(jì)使節(jié)點(diǎn)更新方便,降低系統(tǒng)未來升級的成本。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,包括傳感器單元、處理器單元、無線通信單元及電源供應(yīng)四大部分。 　　2.1.1 傳感器單元 　　傳感器單元包括OPCM傳感元件與前置放大電路。OPCM(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,簡稱OPCM)傳感元件除了具有普通壓電復(fù)合材料柔韌性好、強(qiáng)度高、極限應(yīng)變大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)外,還具有平面橫觀各向異性的特點(diǎn),可以區(qū)分平面結(jié)構(gòu)中的各個(gè)應(yīng)力波分量,從而使其應(yīng)用于AE檢測中比普通的壓電傳感元件更有效。OPCM輸入阻抗高,電荷信號微弱,須通過前置放大器放大信號,將其高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。系統(tǒng)選用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換和放大處理。通過性能試驗(yàn)證明,傳感元件輸出信號經(jīng)過前置電路調(diào)理后幅值明顯放大,且放大倍數(shù)與理論吻合,信號頻率成分保持不變。 　　2.1.2 處理器單元 　　處理器單元是傳感器節(jié)點(diǎn)的主單元,包括數(shù)據(jù)采集,處理元件,是系統(tǒng)中最為重要的模塊,在設(shè)計(jì)階段可由計(jì)算機(jī)直接編程,投入使用后也可通過基站進(jìn)行程序的升級。微處理器選用Microchip公司的PIC18F4620。該單片機(jī)是面向高端應(yīng)用的增強(qiáng)型16bit指令字長的單片機(jī),具有豐富的擴(kuò)展接口:通用I/O,4種不同功能的計(jì)數(shù)器,捕捉/比較/PWM模塊,同步串口,CAN模塊,電壓比較器,10bit ADC。將它作為無線傳感器的處理單元,可對傳感器板輸出的模擬或數(shù)字信號進(jìn)行采集和預(yù)處理。 　　2.1.3 無線通信單元 　　無線通信單元用來將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過無線通信的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī),這里采用CC2420為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能,是一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司SmartRF 03技術(shù),以0.18um CMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 　　2.1.4 無線AE測試節(jié)點(diǎn)的制成 　　設(shè)計(jì)時(shí)將傳感器單元、處理器單元與無線通信單元經(jīng)過連接器連接,由電源供應(yīng)能量,組成無線AE測試節(jié)點(diǎn)。最終制成的節(jié)點(diǎn)外形只有36×20mm,功耗低至30mW。如圖3所示為制成的傳感器單元、處理器單元和整個(gè)節(jié)點(diǎn)。信號從傳感器板匯集并轉(zhuǎn)換為電信號,然后再傳送給處理器單元,處理器單元將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理傳給基站,由基站來決定如何開始相應(yīng)的動作。 　　2.2 采集模塊軟件原理與設(shè)計(jì) 　　無線AE測試節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程。主應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對整個(gè)無線傳感器的控制和操作。由于采用ZigBee技術(shù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功率低,并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài),當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒,因此基于ZigBee無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)無線傳感器軟件,可以極大地降低功耗。 　　依據(jù)ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架內(nèi)容,無線傳感器軟件程序不僅需要必須包含一組ZigBee協(xié)議棧源文件,還要有一個(gè)控制單片機(jī)和無線通信單元運(yùn)行的主應(yīng)用程序。主應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對無線傳感器的控制和操作。在工作狀態(tài)時(shí),壓電陶瓷的變化信號通過前置調(diào)理放大電路后變成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號,通過微處理單元本身帶有的A/D通道,將模擬信號采集進(jìn)來并轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字信號并存儲在微處理器的數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi),經(jīng)過循環(huán)采集和AD轉(zhuǎn)換后將所有數(shù)據(jù)打包,通過無線通信單元發(fā)送給基站。程序流程圖如圖4所示。 　　3 無線AE測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理模塊 　　有了負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和通信的數(shù)據(jù)采集模塊,系統(tǒng)還需要有一個(gè)人機(jī)交互的系統(tǒng)軟件平臺,用來與無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,接收來自基站的數(shù)據(jù),存儲到計(jì)算機(jī)中,并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)損傷檢測,報(bào)警等功能。使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)更完善,使用更方便。