专利名称：用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器的制作方法
技术领域：
用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器属于结构健康监测领域，具体涉及基于机电阻抗方法监测结构健康状况的传感器。
背景技术：
随着科学技术和工业的不断发展，人们越来越重视各种建筑结构以及机械工程结构在它们的使用寿命之内的安全性。工程结构在长期的服役过程中，环境侵蚀、材料老化和荷载效应、人为的或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累计和抵抗力衰减，从而抵抗自然灾害、正�：稍匾约盎肪匙饔玫哪芰ο陆担⒃帜研缘耐环⑹鹿�。定期监测这些结构及结构关键部位在长期负荷运作和不利荷载作用下的安全性，以及在重大自然灾害(比如地震)发生后立即评估结构的安全状况显得十分必要。实现结构的状态检测和故障诊断的快速性、准确性、实时性，也能及时发现早期故障，还能对故障进行分类和定位，从而有效地保证结构的安全性，具有十分重要的社会和经济价值。 机电阻抗法是一种新的无损检测方法，通过粘贴在结构表面的压电片来监测被测结构的健康状况变化。结构的健康状况发生变化时，其机械阻抗也发生变化。压电片粘贴于结构上，由于正负压电效应，结构的机械阻抗与压电片的电学阻抗稱合，两者稱合的机电阻抗可以通过测量粘贴于结构上的压电片得到。测量结果是机械结构的动态阻抗信息与压电片的阻抗的耦合，进而，可以通过测量两者耦合的机电阻抗，得知机械结构的健康状况。机电阻抗方法的现有研究多采用阻抗分析仪进行实验室条件下试验分析。阻抗分析仪属于大型专用仪器，适用于精确测定阻抗值，不适于安装于现场进行现场监测。此外，现有的结构健康监测系统多采用有线的传感系统，信号集中采集，集中处理。由于采用有线传感系统，传感器的数量不能太多，现场布线敷设工作量大，系统的日常维护也较不方便。相应的集中式的计算方法，需要大量的数据信息从现场到控制室的传输，大量的数据对计算机软硬件的处理都有很高的要求。国内有部分学者研制小型化阻抗测量的装置，比较代表性的有华中科技大学的黎步银研制的阻抗频谱测试系统，天津大学的李静研制的阻抗分析仪，第二炮兵学院研制的小型压电阻抗分析仪。这些装置都是由自主设计的硬件电路和上位机电脑软件组成，硬件电路以短距离的串口或者USB通信线连接至电脑，两者组成一个整体来完成阻抗值的测量，用以在没有阻抗分析仪的场合进行阻抗的测量。但是，这种装置由于是有线的连接方式，使用时必须直接和电脑连接，且连接线的长度不能超过20米，适于实验室条件下进行方法研究，对于安装于现场进行结构健康监测来说仍然是不切实际的。国外也有一些学者研制小型的阻抗感测装置，比较代表性的有美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Gyuhae Park研制的小型阻抗传感器。但是,这种小型阻抗传感器工作时,单个传感器只能对一个压电片进行测量，然而实际应用中常需要在结构的一个局部区域布置多个压电片进行监测，若采用这种传感器，将需要多个传感器安装在一个局部很小的区域，对于实际应用来说是高成本、不便于安装的。此外，传感器无线通信频段选用2. 4GHz，该频段在无线通信过程中，通信信号穿透能力弱，易受到墙体、建筑物的阻断，通信距离有限。再者，该传感器的主控部分采用传统的8位处理器，较之32位处理器，运算速度慢，功耗高。韩国成均馆大学的Seunghee Park也进行了类似的小型传感器的研制，虽然添加了多通道的压电片切换通路，但是主控部分微处理器和通信部分也存在同Gyuhae Park 一样的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种 便于现场安装使用的无线传感器，采用的具体技术方案如下用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，包括电源管理�？�、微处理器�？�、无线通信�？�、机电阻抗感测�？�、多通道切换开关，微处理器�？榉直鹆游尴咄ㄐ拍？�、机电阻抗感测模块以及多通道切换开关；微处理器模块根据无线通信模块传输的控制命令控制多通道切换开关进行通道选择；微处理器�？楦菸尴咄ㄐ拍？榇涞目刂泼羁刂苹缱杩垢胁饽？椴饬慷嗤ǖ狼谢豢亟油ㄍǖ郎系幕缱杩梗⒔饬拷峁ü尴咄ㄐ拍？榉⑺统鋈ィ坏缭垂芾砟？榉直鹆游⒋砥髂？椤⑽尴咄ㄐ拍？�、机电阻抗感测�？楹投嗤ǖ狼谢豢兀髂？榈ザ拦┑�。所述的机电阻抗感测�？榘ㄓ性淳逭竦雌鳎慰嫉缱瓒恿校脱苟嗦犯从闷饕约白杩故肿黄�。有源晶体振荡器与阻抗数字转换器连接，为阻抗数字转换器提供振荡信号；参考电阻队列通过低压多路复用器连接至阻抗数字转换器；微处理器模块与低压多路复用器连接，控制低压多路复用器的通道选择；阻抗数字转换器与多通道切换开关连接，测量多通道切换开关中接通通道上的机电阻抗。无线通信模块通信频段采用433MHz。微处理器�？椴捎�32位处理器。多通道切换开关通过压电片连接端子与压电片连接，压电片粘贴在结构表面上用于监测被测结构的阻抗变化。本实用新型克服了阻抗分析仪不适于现场监测的缺点，同时采用无线传输方式避免了现场布线敷设工作量大，系统日常维护不方便的问题，使系统的维护和重构变得简单灵活。本实用新型的微处理器�？樵怂闼俣瓤欤牡停晃尴咄ㄐ拍？橥ㄐ啪嗬朐叮┩改芰η浚灰资芮教�、建筑物的阻断；配备的多路切换开关可在一个传感器上实现多个压电片的阻抗测量。不同于传统的传感器仅仅是完成物理量间的转换，微处理器的引入使传感器能进行判断辨识、数字化测量结果，有一定的智能性。此外，利用本实用新型可以进一步组建无线传感器网络，使实现整个结构的健康状况监测成为可能。
图I本实用新型的系统框图，图2本实用新型的电气原理图，图3本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此来限定本实用新型的保护范围。[0017]利用本实用新型，以服役于现场的结构被测对象，监测结构关键部位的健康状况。本实施例中，微处理器模块分别连接无线通信模块、机电阻抗感测�？橐约岸嗤ǖ狼谢豢兀沟缙佣俗咏�8路压电片连接至多通道切换开关。各个压电片分别置于需要监测的结构关键部位，用于传感被测结构的阻抗的变化。机电阻抗方法应用的前提要求系统能够检测到结构机械阻抗阻抗的变化，并将其变换为易于测量的电学量。将压电片粘贴在需要监测的结构关键部位，由于正负压电效应，结构的机械阻抗与压电片的电阻抗发生了耦合，最终以电学阻抗的形式呈现结构的机械阻抗。在实际应用中本实用新型通过无线方式与远端主控监测室进行远程通讯。远端主控监测室通过无线通信�？橄蛭⒋砥髂？榉⑺涂刂泼睿⒋砥髂？楦菸尴咄ㄐ拍？榇涞目刂泼羁刂贫嗤ǖ狼谢豢囟愿髀费沟缙醒≡瘢晃⒋砥髂？楦菸尴咄ㄐ拍？榇涞目刂泼羁刂苹缱杩垢胁饽？椴饬慷嗤ǖ狼谢豢刂薪油ㄍǖ郎系幕缱杩梗⒔饬拷峁ü尴咄ㄐ拍？榉⑺统鋈ィ坏缭垂芾砟？榉直鹆游⒋砥髂？椤⑽尴咄ㄐ拍？�、机电阻抗感测�？楹投嗤ǖ狼谢豢兀髂？榈ザ拦┑�。 本实用新型各组成部分实现如下I、电源管理�？橐蛭低车牟煌？楣ぷ魇倍缘缭吹缪沟姆捣段Ш途纫蟛煌硗馊绻愿鞲瞿？榉掷�、单独的供电会提高系统工作的稳定性，所以设计了电源管理�？椤５缭垂芾砟？楦涸鸢炎艿牡缭吹缪棺怀刹煌牡缪怪倒└渌？椋蛊渌？榭煽康毓ぷ�。电源管理�？槎允淙氲缭吹缪菇斜浠淮恚低称渌？樘峁┪榷ǖ缪埂Ｏ低车缭词淙胛�5V，通过在电源端并联10μ f和O. 1μ f的电容实现电源的滤波和去耦，输出5V稳定电压给无线通信�？楣┑纾徊捎肁DI公司的超低噪声基准电压源ADR433，将5V输入电压变换为稳定的3V为机电阻抗感测�？楣┑纾徊捎肁SMl117将系统5V输入电压变换为
3.3V稳定电压为微处理器�？楹投嗤ǖ姥沟缙谢豢毓┑纭Ｈ返缪故涑龇至⑸杓疲ゲ桓扇牛岣呦低彻ぷ鞯奈榷ㄐ�。2、微处理器�？槲⒋砥髂？槭钦鱿低彻ぷ鞯目刂坪诵�。它连接系统其他�？椋刂贫嗦非谢豢卦谀骋皇笨萄⊥ㄒ惶跹沟缙ǖ溃慌渲没缱杩垢胁饽？榈牟饬苛砍�、频率范围和测量点数；控制机电阻抗感测�？槠鹗疾饬浚欢寥』缱杩垢胁饽？榈牟饬拷峁⒔饬拷峁氖荡胱导首杩怪担唤邮沾游尴咄ㄐ拍？榇淅吹目刂泼睿蛭尴咄ㄐ拍？榉⑺妥缓蟮淖杩怪�。鉴于传感器系统需要长期安装于现场进行监测，微处理器采用德州仪器公司的32位高性能、低功耗微处理器LM3S811。3、无线通信�？楸臼涤眯滦筒捎梦尴咄ㄐ欧绞剑尴咄ㄐ拍？樽魑衅飨低秤朐抖酥骺丶嗖馐业耐ㄐ徘怕罚涸鸾邮赵抖酥骺丶嗖馐曳⒗吹拿睿莞⒋砥髂？椋淮送猓邮瘴⒋砥髂？榉⒗吹氖荩晕尴叩男问浇荽渲猎抖说闹骺丶嗖馐�。通信的频段选用433MHz，较之2. 4GHz，在这一频段通信，通信穿透性强，不容易被墙体等阻断；通信距离远，无障碍距离可达到一千米，适用于现场环境应用。�？檠∮帽本┘位艘悼萍加邢薰镜墓ひ导墩咚傥尴咄ㄐ拍？镴H50。4、机电阻抗感测�？閇0028]该�？榘ㄓ性淳逭竦雌鳎柚狄来挝�100 Q、Ik Q、IOk Q >49. 9k Q , 100k Q、499kQ UMQ UOMQ的精密參考电阻队列，ADI公司的低压多路复用器ADG708和ADI公司的阻抗数字转换器AD5933。有源振荡器为AD5933提供振荡信号；低压多路复用器ADG708受微处理器模块的控制，选通某一參考电阻连接至AD5933，从而确定测量量程；阻抗数字转换器AD5933可以进行阻抗的测量。不同结构的机械阻抗差异较大，例如钢质结构和混凝土结构阻抗的量级差异较大。为了正确测量阻抗值，对于不同阻抗值的结构，要选用ー个阻抗值与待测结构阻抗值相近的參考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933。多路复用器ADG708用于选择參考电阻队列中的一个阻值与待测结构阻抗值相近的參考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933，适用于不同的结构监测需要，拓展了系统的应用范围。5、多通道切换开关在实际应用中，为了对结构某ー关键局部区域进行健康监测，常需要布置多个压电片才能实现该区域的健康监测。采用多路切换开关可以切换选通某一通道的压电片连接至机电阻抗感测�？椋迪忠桓龃衅鞣质钡囟远喔鲅沟缙袦y量，而不用布置多个传感器。多通道切换开关也采用ADI公司的低压多路复用器ADG708。本实用新型工作流程如下，见图3 :I、打开电源，系统初始化。智能机电阻抗传感器通电后，电源管理�？榻低呈淙氲缪棺怀鲆宦�3V电压给机电阻抗感测�？楣┑纾蛔怀鲆宦�3. 3V电压给微处理器模块和多路切换开关供电。转换出一路5V电压给无线通信�？楣┑�。通电后，机电阻抗感测模块和多路切换开关被动地等待接收微处理器�？榈目刂泼睿晃尴咄ㄐ拍？檠返氐却邮赵抖说闹骺丶嗖馐液臀⒋砥髂？榉⒗吹拿詈痛涫荩晃⒋砥髂？槭紫冉凶陨沓跏蓟缓笸ü⒚羁刂苹缱杩垢胁饽？楹投嗦非谢豢亟谐跏蓟瓜低掣鞲瞿？槎嘉ぷ髯龊米急浮�2、微处理器�？榈却邮赵抖酥骺丶嗖馐彝ü尴咄ㄐ拍？榉⒗吹拿睿绻挥薪邮盏矫睿⒋砥髟诖艘恢钡却绻抖酥骺丶嗖馐曳⒗疵睿蚪氩街�3。3、微处理器�？槎越邮盏降拿罱斜媸叮绻邮盏氖桥渲妹睿蚪信渲貌僮魍ü蚧缱杩垢胁饽？榈淖杩故肿黄鰽D5933的内部寄存器写參数，设定测量的起始频率、截至频率和測量点数，例如，设定测量的起始频率为10kHz，截至频率为90kHz，測量点数为400个，设定值会根据实际情况进行设定；控制机电阻抗感测�？榈牡脱苟嗦犯从闷鰽DG708选通參考电阻队列的一个參考电阻连接至阻抗数字转换器AD5933，用以设定测量的量程；控制多通道切換开关选通一个待测量压电片连接至转换器AD5933。如果不是配置命令则进入步骤4。4、如果接收的是测量命令，微处理器�？橄蚧缱杩垢胁饽？榈淖杩故肿黄鰽D5933发送开始测量命令，机电阻抗感测�？榈淖杩故肿黄鰽D5933接收到开始测量命令后对选通的压电片进行阻抗测量，然后进入步骤5。5、微处理器�？槎寥』缱杩垢胁饽？榈淖杩故肿黄鰽D5933的測量状态，如果测量状态指示測量完成，微处理器�？榇踊缱杩垢胁饽？榈淖杩故肿黄鰽D5933读取测量結果，并将测量结果的数值代码转换为实际阻抗值，然后将阻抗值传送至无线通信模块，无线通信模块将接收到的阻抗值无线发送至远端主控监测室，然后进入步骤2。
权利要求1.用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，包括电源管理�？�、微处理器�？椤⑽尴咄ㄐ拍？�、机电阻抗感测�？�、多通道切换开关，其特征在于微处理器�？榉直鹆游尴咄ㄐ拍？�、机电阻抗感测模块以及多通道切换开关；微处理器�？楦菸尴咄ㄐ拍？榇涞目刂泼羁刂贫嗤ǖ狼谢豢亟型ǖ姥≡瘢晃⒋砥髂？楦菸尴咄ㄐ拍？榇涞目刂泼羁刂苹缱杩垢胁饽？椴饬慷嗤ǖ狼谢豢刂薪油ㄍǖ郎系幕缱杩梗⒔饬拷峁ü尴咄ㄐ拍？榉⑺统鋈ィ坏缭垂芾砟？榉直鹆游⒋砥髂？�、无线通信�？�、机电阻抗感测�？楹投嗤ǖ狼谢豢兀髂？榉掷牍┑�。
2.如权利要求I所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于所述的机电阻抗感测�？榘ㄓ性淳逭竦雌鳎慰嫉缱瓒恿校脱苟嗦犯从闷饕约白杩故肿黄鳎挥性淳逭竦雌饔胱杩故肿黄髁樱杩故肿黄魈峁┱竦葱藕牛徊慰嫉缱瓒恿型ü脱苟嗦犯从闷髁又磷杩故肿黄鳎晃⒋砥髂？橛氲脱苟嗦犯从闷髁樱刂频脱苟嗦犯从闷鞯耐ǖ姥≡瘢蛔杩故肿黄饔攵嗤ǖ狼谢豢亓樱饬慷嗤ǖ狼谢豢刂薪油ㄍǖ郎系幕缱杩�。
3.如权利要求I所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于所述无线通信�？橥ㄐ牌刀尾捎�433MHz。
4.如权利要求I所述的用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器，其特征在于微处理器�？椴捎�32位微处理器。
专利摘要用于结构健康状况监测的智能机电阻抗传感器属于结构健康监测领域，涉及基于机电阻抗方法监测结构健康状况的传感器。由电源管理�？�、微处理器模块、无线通信�？�、机电阻抗感测�？�、多通道切换开关和压电片连接端子组成。该传感器能检测到因结构健康状况变化而引起的机械阻抗变化，并将其变换为易于测量的电阻抗。该传感器体积小、无线通信，便于安装于现场结构上。通过对机械阻抗和电阻抗耦合的机电阻抗的测量，为基于机电阻抗方法的结构健康状况监测和结构失效预测提供了必要的信息。
文档编号G01R27/02GK202512172SQ20112051638
公开日2012年10月31日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者于洪涛, 何存富, 刘增华, 吴斌 申请人:北京工业大学
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