（无线电物理专业论文）低功耗无线应变传感器的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发 展，结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器 由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健 康监测系统的研究热点。 本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术知识上，针对传 统应变采集设备体积较大、布线长、要求使用导线精度高等问题，设计了用于 局部性态监测的低功耗无线应变传感器。文章主要内容如下： ( 1 ) 信号的调理与采集：使用传统应变片作为结构应变测量的敏感元件，通 过放大滤波电路后，使用微控制器内部的模数转换器( a d c ) 进行电压数据的转 换。 ( 2 ) 射频通信模块的设计：选用单片射频收发芯片n r f 9 0 5 ，设计信号传输 电路并独立完成软件的编写与调试，实现数据的可靠收发。 ( 3 ) 天线设计：分析了小环天线的一般性能，用谐振分析法设计了天线，用 变压器匹配法为天线和射频芯片设计了匹配网络，并使用3 d 电磁仿真软件h f s s 验证了方案的可行性。 ( 4 ) 低功耗设计：从硬件和软件两个方面对系统功耗进行了分析，通过中断 唤醒，实现工作模式的切换，达到低功耗设计。 ( 5 ) 应变测量上位机程序开发：通过v c 的m s c o m m 控件对单片机发射的串口 数据进行接收和显示。 整个系统的基本目的在于监测信号并对信号进行分析，因此，得到准确的 信号是系统正常工作的基础，本文详细介绍了传感器采集的前端放大滤波电路 以及利用m s p 4 3 0 片内的a d c 进行数据采集的方法。作为一个射频产品，无线通 信的可靠性非常重要，本文详细分析了高可靠性的射频芯片n r f 9 0 5 的硬件原理、 配置方法、工作方式、射频接收和发送的工作流程，在制作电路板和天线设计 中应该注意的一些问题，以及无线通信距离的计算方法。 本文讲述的系统具有一般性，其在结构健康监测的实际使用中效果良好， 此外，本系统可经过稍微修改，应用于无线水表、无线电表、无线安防系统、 武汉理1 = 大学硕士学位论文 无线开锁、家庭自动化和玩具等诸多领域。 最后对全文做了总结，并指出以后系统的发展前景和方向。 关键词：应变传感器；无线通信；低功耗；小环天线； i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er e c o g n i t i o no fs t r u c t u r a ls a f e t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n ga n d i n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m ) h a sa l r e a d yb e c o m ea l l i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni n c i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s a n dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ki s b e i n gd e v e l o p e d a sar e s e a r c h h o t s p o to fs h mw i t h s u c h t h e c h a r a c t e r i s t i c sa sm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，l o wm a i n t e n a n c ec o s ta n das m a l l q u a n t i t yo fi n s t a l l a t i o nt i m e i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fs e n s i n g ，i n f o r m a t i o nd i s p o s a la n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ev o l u m eo ft r a d i t i o n a l a c q u i s i t i o n e q u i p m e n ti sb i g 、w i r i n g l o n ga n dt h a tt h el e a dw i t hh i g h - p r e c i s i o ni sn e e d e d ，t h e p r o j e c t a n d d e s i g n i n go fl o wp o w e rw i r e l e s s s t r a i ns e n s o r a p p l i e d f o rl o c a l m o n i t o r i n gi sp r e s e n t e d f o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e r ： ( 1 ) s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n ds a m p l i n g ：t h es t r u c t u r e ss t r a i ni ss a m p l e db yu s i n g t h et r a d i t i o n a ls t r a i nr e s i s t a n c ea ss e n s i t i v ec o m p o n e n t t h ev o l t a g es i g n a li ss a m p l e d b yu s i n gt h ei nc h i pa n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) o fm s p 4 3 0a f t e rc a r r y i n g t h r o u g ha m p l i f y i n g f i l t e r i n gc i r c u i t ( 2 ) d e s i g no ft h er a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o np a r t ：s e n d i n ga n dr e c e i v i n g t h ed a t ab yu s i n gn r f 9 0 5 d e s i g ns i g n a lt r a n s m i s s i o nc i r c u i ta n df i n i s ht h es o f t w a r e p r o g r a mt or e a l i z a t i o ns i g n a lt r a n s m i s s i o n ( 3 ) d e s i g no fa n t e n n a ：t h eg e n e r a lp e r f o r m a n c eo fs m a l ll o o pa n t e n n a si s a n a l y z e da n das m a l ll o o pa n t e n n af o rw i r e l e s ss t r a i ns e n s o ri sd e s i g n e du s i n g r e s o n a n c ea n a l y s i sm e t h o d t h et r a n s f o r m e rm a t c h i n gm e t h o di su s e dt od e s i g nt h e m a t c h i n gn e t w o r kf o ra n t e n n aa n dr f i c a tl a s tt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sa n t e n n ai s p r o v e dt h r o u g h3 de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s s ( 4 ) d e s i g no fl o wp o w e r ：r e a l i z a t i o no fl o wp o w e rc o n s u m p t i o nb o t hi n h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c h a n g et h em o d eb yi n t e r r u p tt or e a i l z a t i o nl o wp o w e r p r o j e c t ( 5 ) d e s i g no fs t r a i nm e a s u r e m e n tp r o g r a m ：u s ev c sm s c o m mc o n t r o lt o i i i 武汉理工大学硕士学位论文 r e a l i z et h ed a t ar e c e i v e i n ga n ds h o w i n g t h es y s t e mt h ep a p e rg i v e nc a nn o to n l yb eu s e di ns h m ，b u ta l s ob eu s e di n o t h e rf i e l du n i v e r s a l l y , s u c ha sw i r e l e s sw a t e rm e t e r , w i r e l e s sa m m e t e r , w i r e l e s sa l a r m ， w i r e l e s sk e y , h o m ea u t o m a t i o n ，a n dt o y ac o n c l u s i o no ft h ep a p e ri sm a d ei nt h ee n d w ea l s op o i n t so u tt h ef l a wo ft h e s y s t e m ，t h e np r e s e n t st h eo r i e n t a t i o no fs u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：s t r a i ns e n s o r ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；l o wp o w e r ；s m a l ll o o p a n t e n n a i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特，l l j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：衾 垒 日期： 壅基，篁! 笸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国现代化建设的深入与发展，建筑行业也呈现出多种趋势：建筑更加 追求艺术美，形体趋向于复杂而多变；建筑的用途越来越多样化；人们对建筑的使 用安全性和舒适性提出了更高的要求；具有一定历史意义的优美的古建筑及近现 代建筑逐步受到人们重视并得到更加妥善的保护。以上各种趋势无一不对建筑 结构的安全性评估提出了更高的要求，人们迫切需要一种能够长期在线监测结 构健康程度并做出安全预警的建筑结构健康监测系统，该系统可以保证人们对 建筑结构在施工和使用阶段的健康程度有一个实时的了解。国内外大量的专家 学者将研究重点转移到结构的健康监测领域，在近几年内，提出了各种监测理 论和监测方法，并研发了各种用于监测的设备仪器，大大推动了结构健康监测 的发展，使得结构健康监测从理论走向实践，又根据大量的实验数据反证了理 论的正确性，建筑结构的健康监测的理论与实践的发展正方兴未艾。 1 1 结构健康监测 结构健康监测系统( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ，简称s l i m s ) 指一种 当结构的性态发生明显改变或者结构本身发生损坏时能根据要求提供相关信息 的系统。 结构的健康监测技术就是要发展一种最小人工干预的结构健康在线实时连 续监测、检查与损伤探测的系统，能够通过数据处理中心，自动地报告结构状 态。它与传统的无损检测技术( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，简称n d i ) 不同，通常 n d i 技术运用直接测量的方法确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断 结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而s h m 技术是根据结构在同一 位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要， 识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。 结构健康监测技术主要应用在一些造价昂贵、对可靠性要求很高的结构， 如空间飞行器、桥梁、大坝、隧道、海洋平台、核电站等结构，在提高可靠性、 降低维护费用、灾害预报等方面有着重要的意义【l 】。 作为一门新兴交叉学科，土木工程结构健康监测技术涉及到建筑、结构、 武汉理工大学硕士学位论文 计算机、通信、传感器、材料等众多学科，它利用各类传感器对结构的特征信 息进行采集，然后用事先设计好的算法对采集数据进行处理，来预测结构的各 种响应以及限定一些不利于结构正常运行的响应，从而形成一种适合结构安全 运行和评定的监测系统。图1 1 给出的是结构健康监测与安全评定流程。 环境 件捌 结 纷 数萌 采袋损伤诊断 貉乖i和 构 器 耪缆藓法安令讶定 图1 1 结构健康监测系统图 1 1 1 结构健康监测系统的组成 输! i 3 方案 1 1 1 1 智能传感元件的开发 土木工程的健康监测就是利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入结构 中或粘贴于结构表面，对最能反映土木工程安全状况的参数进行监测，评价结 构的安全性、耐久性，为维修、报废、报警决策提供可靠的依据。土木工程结 构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必须满足耐久性、稳定性、与 结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实际的需要。智能传感材料的出现、 微电子技术以及微机电加工技术的兴起，为土木工程的长期智能监测打下了坚 实的基础。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是近年来发展迅速的 一门高新科学技术，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执 行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或 系统。m e m s 具有微型化、集成化、耗能低、能进入一般机械无法进入的微小 空间进行工作等优点。利用m e m s 芯片，对土木结构的一些特定参量进行监测， 无需经过复杂的信号处理，而直接输出数字信号或者标准的模拟信号，不仅可 以减少处理装置的费用，也可以使监测设备的小型化、智能化成为可能【2 】。 在土木工程结构监测中，智能传感器的集成已成为一个新的研究方向。根 据所监测结构的不同参数( 如环境要素、整体性态参数、局部性态参数) ，选择合 2 武汉理工大学硕士学位论文 适的智能传感元件，对传感元件进行采集和特征提取，实现传感器的智能化、 小型化、集成化。 1 1 1 2 数据的采集及处理 数据采集及其处理不仅涉及到传感单元信号的转换问题，同时也包括数据采 集和特征提取软件的开发。结构的特征数据是对采集信号分析获得的，因此信 号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的转换、采集和放 大、传感器的类型、数据的获取、存储等。此外，还应考虑采集数据的时间间 隔( 即采样频率) 、数据的标准化问题、测量过程的不确定性以及数据的净化问题。 对于智能算法，主要是利用传统的高阶谱分析、时频分析等方法以及近年出现 数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技术、模糊技术等处理方法，来提 取监测对象的特征数据，便于结构损伤识别处理。随着传感器技术的发展以及 结构健康监测的需要，在一个结构监测系统中不仅同一类型的传感器数量越来 越多，而且基于不同机理的传感器也用的较多，这给数据采集以及特征信号提 取带来了一定的困难，而近年来发展起来的、最初在航天领域应用的多传感器 信息融合技术为这一困难提供了解决办法，该技术不仅能够更好地处理在不同 时空的同一类型传感器的数据，也能对多源不同传感器的信息或不确定性信息 进行综合处理，从而获得一些能够准确反映结构特征的数据，为进一步推算出 结构性态提供了保证【2 1 。 由于智能传感器的本身存储数据的限制，近年来对嵌入在智能传感器中微 处理器的采集处理算法也成为数据处理一个主要研究内容。此外，针对高速采 集大容量数据，管理数据库以及网络技术的开发和应用亦是数据采集和智能处 理的一个研究方向。 1 1 2 结构健康监测系统的发展和应用 土木工程结构的事故以及所产生的后果，已经促使人们越来越重视结构健康 监测技术的研究，世界许多国家和地区都在结构上安装了健康监测系统，以监 测结构施工和服役运营期间的安全性，对结构的安全性进行评定，对危及结构 安全的损伤及时发出警报，并根据监测结果制定维修决策，以保证结构在建造 和服役期间全寿命的安全性。如英国八十年代后期开始研制和安装大型桥梁的 监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案，比较典型的是英 国在总长5 5 2 m 的f o y l e 桥上一布设各种传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载 武汉理工大学硕+ 学位论文 作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，该系统是最早安装的较为完整的健康 监测系统之一；美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验 证设计假定、监视施工质量和服役状态；佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上几安装了5 0 0 多个传感器，美国l o s a l a m o s 国家实验室对位于新墨西哥r i o g r a n d e 河上的i 4 0 桥和a l a m o s 峡谷桥采用整体损伤识别方法，对上述两个桥梁 的损伤进行监测与评定，并发展了许多损伤识别方法；丹麦曾对总长1 7 2 6 m 的 f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测，旨在检查关键的设计参数， 监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控维护系统所必需的桥梁健康记录， 另外他们在主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥上已开始尝试把极端记录与正常 记录分开处理的技术以期减小数据存量；挪威在主跨5 3 0 米的s k a m s u n d e t 斜拉桥 上所安装的全自动数据采集系统己能对风、加速度、倾斜度、应变、温度、位 移进行自动监测p 】。 在我国，土木工程研究的专家学者也意识到结构健康监测的重要性，自2 0 世纪9 0 年代以来，我国也开展了该方面的研究和应用：我国香港青马大桥为监测 桥梁在施工和服役期间的安全性，在桥梁上安装了8 0 0 多个各种类型传感器， 桥梁建成后，又安装了一套g p s 系统，目前，每3 0 天采集一次数据，并对数据 进行分析处理，根据该监测系统的监测结果，可以及时在台风到来时，对桥梁 的运营给出合理和安全的部署；香港也在汲水门斜拉桥上安装了2 7 0 多个各种 类型的传感器和数据采集与管理设备组成的监测系统，来监测桥梁的运营状况 及健康状态，对该系统所采集到的数据进行分析即可评价大桥的动力特性；除 此之外，我国内陆的虎门桥也布设了应变片和g p s 系统，以对桥的应力和振动 进行监测。 尽管结构健康监测已经有了初步应用，但目前还面临很多问题：整个世界范 围内没有形成一个为大家认可的结构健康监测标准；各种土木工程在结构复杂程 度上都有所不同，针对不同结构的健康监测系统有所不同；土木工程结构健康监 测理论支持不够，缺乏统一的理论基础来指导结构健康监测系统的整个建立过 程：土木工程结构跨度大、分布广、服役周期长，这使传统的传感元件在稳定性 和耐久性受到了挑战；目前新型开发使用的光纤传感器，性能较稳定，但由于其 成本较高、解调设备价格不菲，这或多或少阻碍了其应用的进程；适合结构健康 监测的无线传感器的集成及组网问题；而对于采集到的结构数据的综合处理、安 全评定的理论还不够完善等1 4 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本论文的目的是利用传感器技术、通信技术、计算机技术，针对传统有线 应变采集设备体积较大，布线长，安装不方便等弊端，设计并实现一种用于局 部结构健康检测的无线应变传感装置。 1 2 无线应变传感器及无线传输技术 1 2 1 无线应变传感器 1 2 1 1 与有线传感器的区别 传感器作为结构健康监测系统的一个组成部分，其采集数据的准确才能确 保数据处理以及最终安全评定的结果正确性。通常，传感器数据的采集和传输 还是以有线为主。有线传感器及其网络由于发展历史悠久，其各项技术比较成 熟，具有如下特点：感应信号准确，对于所监测的结构参量，与其对应的基于有 线传输的传感器准确性较好，能够很好地反映监测参量的变化情况；价格便宜， 有线传感单元发展时间较长，技术较成熟，对于传感单元的加工制作成本相对 较低，故其市场价格不贵；传输介质多，可以将传感信号以双绞线、同轴电缆、 光纤、电力线等媒介进行传输；采集软件种类多，各类有线采集的工控软件较多， 如l a b v i e w , i n t o u c h 等；产品系列化，各类产品较多，并且形成了系列化的产品。 但是，随着实际结构的面积、跨度越来越大，有线传感器在完成监测任务 中，就要布置大量的线缆来传输信号，这无形中在线缆材料与人工方面增加了 费用；同时对于大型结构监测线缆越多，产生故障的可能性越多，检测和排除线 缆故障也比较困难；而线缆越多，日常维护工作也比较繁重。甚至在一些大型的 复杂结构上，布设线缆是不被允许的。大型结构施工、维护以及结构健康监测 都在呼唤新型的采集传输技术。从图1 2 可以看出无线传感器的优势。 图1 2 有线与无线传感器网络应用示意图 武汉理工大学硕士学位论文 无线传感器及其网络技术就是在这一背景下产生的，并随着传感技术、无 线通信技术以及m e m s 技术的发展而不断完善。无线传感器网络技术可以克服 有线传感技术的不足，具有如下特点：其传感单元采用了先进的m e m s 技术进行 封装，具有体积小、低功耗、可靠性高等特点，适合集成；无线传感器具有智能 处理单元，可以对采集信号进行预处理，对特征信号进行初步提取，这样可以 分散中央处理器处理数据的压力；无线传感单元的无线收发模块通常工作在 i s m ( i 业、科学、医疗) 通信频段上，无需单独申请频点，通信上不受电信部门 限制；无线传感器体积小，可以方便地安放在被测结构上；无线传感器依据设定的 通信协议，可以实现自组织网络，形成一个高效实时的结构健康监测系统：无线 传感器节点具有节能的特剧5 | 。 1 2 1 2 无线应变传感器组成 无线应变传感器的基本组成包括能量单元、检测单元、处理器单元、存储 器单元、数据发送接收的传输单元。无线应变传感器中，检测单元是重要的组 成部分，主要由传感单元a k d 转换电路及其附属电路构成，用来检测对象各种 变化并将输出传输至微处理单元，微处理单元来实现对传感器信号采集、预处 理，同时可与无线模块进行数据交换，实现数据传输；无线模块用于将传感器数 据以无线通信方式传输，无线传感器能量供应理论上可以采用太阳能电池解决 能源问题，但考虑到造价问题，本系统采用微型纽扣电池作为系统的供电模块。 1 2 2 无线数据传输技术 1 2 2 1 射频技术 射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 技术是一种无线通信技术，其利用电磁波为 载波来传输信息。r f 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的 w l a n 用不同频率。其产品既可工作在1 8 1 9 g h z 的特许频带，也可以在低功 率的情况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ，工业科学医学) 频段。在中 等衰减的建筑物中，r f 信号一般可穿透一至三堵墙。它可用于室外、开放或封 闭的室内办公环境。目前使用的射频芯片大多工作在4 3 3 8 6 8 1 9 1 5 2 4 0 0 m h z 频 段，2 4 g h z 的高频段使服务器与终端之间的通讯速率可达1 2 m b p s ，而且这个频 段由于干扰小，在绝大部分国家都不受无线管制【6 】。 1 2 2 2 蓝牙技术 所谓蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，实际上是一种短距离、低成本的无线连接技术， 6 武汉理t 大学硕士学位论文 是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。于1 9 9 8 年5 月，由瑞典 e r i c s s o n 、芬兰n o k i a 、日本t o s h i b a 、美国m m 和i n t e l 公司等五家著名厂商在 联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出。这五家厂商还成立了蓝牙特 别兴趣组( b l u e t o o t hs i c ) ，尽力使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。 蓝牙技术的通讯频率被定在2 4 5 g h zi s m 频带上，其作用半径在发射功率 为1 毫瓦的时候为1 0 m ，通信协议和堆栈复杂，开发难度较高。 蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。它的硬件市场非常广阔， 涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备( 如计算机、移动电话、小型个人数字 助理( p d a 等) 。该技术并不想成为另一种无线局域网( wl a n ) 技术，显然后者在 市场上已经出现了很多成品。虽然w l a n 通过一个公用的主干可以有效地连接 庞大的人群，但蓝牙技术面向的却是移动设备间的小范围连接，因而本质上说 它是一种代替电缆的技术【7 】。 1 2 2 3h o m e r f 技术 h o m e r f ( 家用射频) 是由h o m e r f 工作组开发的，适合家庭区域范围内，在 p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。作为无线技术方 案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔记 本电脑和i n t e r n e t 应用提供了漫游功能。 在美国联邦通信委员会( c f c c ) j e 式批准h o m e r f 标准之前，h o m e r f 工作 组己为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信并制订出一个规范，这就是共 享无线访问协议( s w a p ) 。s w a p 规范问世以后，除了扩展高性能、多波段无绳 电话技术以外，还极大地促进了低成本无线数据网络技术的发展。但是，h o m e r f 占据了与8 0 2 1 1 b 和b l u e t o o t h 相同的2 4 g 频率段，并且在功能上过于局限家庭 应用，再考虑到8 0 2 1 1 b 在办公领域已取得的地位，恐怕在今后难以有较大的作 为。 1 2 2 4 红外技术 红外技术( i n f i - a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 简称k d a ) 是一种短距离红外线通讯技 术，适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。红外通讯标准是目前通讯 行业普遍支持的近距离无线数据的传输规范。尽管通信距离只有几米，红外光 却是有许多优势的通讯媒介。它的小型化和低成本，很适合应用在手机、电子 商务、数字照相机等便携式产品中。相对简单的红外连接使它能适应不同的操 作系统和大范围的传输速率。红外连接比有线连接更安全可靠，它避免了因线 缆和连接器磨损和断裂造成的检修。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 无线传感器在结构健康监测领域的发展和现状 1 9 9 6 年，美国学者s 仃a s e r 、k i r e m i d j i a n 提出运用无线技术替代结构监测有 线系统的思想，开辟了无线传感技术在结构监测领域中应用，并研制了一套实 时的损伤识别结构健康监测系统：以上述学者的工作为基础，l y n c h 等运用标准 的集成电路开发了一个无线传感器的模型：整个传感器节点包括一个八位微处理 器，检测单元采用微加速度芯片构成，并且所集成的无线传感器在实验室中得 到了验证。 m a s e r l 9 9 7 年设计了监测桥梁环境和性能的桥梁无线估测系统 ( w g b e m s ) ：w i r e l e s sg l o b a lb r i d g ee v a l u m i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ，这个系统 中传感器节点由电池单元、微处理单元、小型的异频雷达收发机、感应单元组 成，系统所包含的一个区域控制器放置在桥岸边，其他传感器节点放置在桥梁 上，传感器节点可以进行数据采集、滤波、识别、量化等【8 】。 b r o o k s 等在1 9 9 9 年提出了将一些计算处理能力移植到传感器板上，他们也 称其为第四代传感器，这一代传感器具有如下特征：双向命令和数字通信、完 全数字传输、局部数据处理；预编程运算法则、用户定义算法、自我查询、补偿 算法、在线存储、可扩展传感器对象模型掣9 1 。 m i t c h e l l 等于1 9 9 9 年开发了结构智能监测无线采集系统，他开发的系统利 用一个多路复用变换器来采集各路传感单元数据，并将这些数据借助单一无线 通道发射出去。该通信通道工作在9 0 0 m h z 频段，速率达5 0 k b p s 。在此基础上， m i t c h e l l 还进行了向i n t e m e t 网络方面的扩展【1 0 】。 l i u 等在2 0 0 1 年开发了带有5 个基站的无线传感系统，每个基站包括一个 加速度计，运用1 6 位a d 装置和微处理器进行数据采集【1 1 1 。 由美国先进国防研究项目局( d a r p a d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 所资助的在加利福尼亚大学实施的“s m a r td u s t 0 2 1 计划，旨在建立一个 无线传感器开发的软硬件平台，进而开发出一系列低价格、小尺寸、高可靠性 的无线传感器及其网络，这进一步推动了无线传感器的应用发展。并且，该项 目开发的产品( 如图1 3 ) 目前已成为世界许多大学等研究机构使用的实验室设 备。 武汉理i ：人学硕t 学f 口论文 露 图1 3s m a r t d u s t 计划的无线传感器节点图 国内的一些科研单位和大学，如哈尔滨工业大学、清华大学、航天部、巾 科院等已经初步”展了在传感器及传感器网络方面以及用于结构健康监测的无 线传感器研制方面的研究工作。在这方丽我例办处于初步阶段，目前幽内一些 研究机构主要是购买崮外些无线产：品，进行次开发，来建立相应的无线传 感系统，如哈尔滨工业大学“欧进萍教授课题纽”集成了包含十个竹点的海洋 平台结构监测的无线传感阐络系统。总体来说，结构健康监测属于上小 程的 一个新的研究方向，而将无线怡感器网络应片i 于结构健康监测更是发展的热点。 但由于无线传感技术属于新兴学科，需要更多学科的配合爿能得到尽快发 展，这也或多或少减缓了无线传感网络在结构健康监测领域的发展步伐。一方 面：国内外的很多研究机构均处于对无线传感器“软研究阶段”，即对无线通信协 议算法等进行仿真研究，进而在虚拟无线传感器网络中得到一个预期目标，在 某种程度上不能够结合实际应用考虑解决实际问题：另一方面，一些进行无线传 感器网络软硬件丌发的机构还缺乏结构健康领域行业专家的指导其开发的产 品通用性不强，仅适合某一工程应用。 而结构监测领域的发展迫切要求开发具有自主知识产权的无线传感监测系 统，由于传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时 开展无线传感器及其网络方面的研究对整个国家的社会、经济将有重大的战 略意义。 14 本文主要工作 结构健康监测部是以传感器准确采集传输数据为n 口提和基础，各种结构健 康监测的数据采集主要采用的是传统“有线”传感器来实现，尽管这种采集方 式具有采集信号准确、抗干扰性好、产品系列化的特点，但是利用“有线”传 感器组成的监测网络靠线量大、安装和维护贽用高、可靠性差，甚至在。然结 武汉理工大学硕+ 学位论文 构中无法实现布线。因此，为了克服传统有线监测的不足，本文提出一种新型 的无线应变传感器，在实际中具有重要意义。论文主要工作体现在以下几方面： ( 1 ) 传感器的调理电路。电桥电路及温度补偿，巴特沃斯二阶滤波器以 及放大电路的设计。 ( 2 ) 设计了无线通信电路，包括射频芯片的选型、电路的设计、无线收 发程序的编写和调试以及p c b 的布局。 ( 3 )通过小环天线的等效电路，对环型天线的输入阻抗进行匹配，并利 用h f s s 软件进行天线的仿真，设计了一种满足实际工程要求的小环天线。 ( 4 ) 从硬件和软件考虑应变传感器的功耗，提出了一种中断唤醒式的能 耗管理方案，实现低功耗设计。 ( 5 )设计了用于监测应变数据的p c 机程序，通过v c 的m s c o m m 串口 控件编写并调试应用程序，实现应变数据的终端显示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章传感器的信号调理与采集 2 1 传感器技术 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) 是将各种非电量( 包括物理量、化学量、生物等) 按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量( 一般为电量) 的装置，一般由 敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源，用方块 图表示如图2 1 。 图2 1 传感器的组成方块图 随着科学技术的迅速发展和自动化程度的提高，作为获取外界信息重要工 具的传感器越来越受到人们的重视，对其性能的要求也越来越高。从信息技术 的角度看，传感器技术、通讯技术和计算机技术分别相当于人的“感官、“神 经 和大脑。因此传感器技术是信息技术的重要基础。传感器技术包括传感器 材料，传感器、传感器附属电路、传感器与计算机的接口电路、传感器应用等 五个部分。传感器技术是- i - j 知识密集型的边缘科学，它涉及电子学和电子学 以外的生物、医学、物理、化学、金属学、机械等几乎所有科学技术，所以， 它是电子学的延伸，是新一代的电子学，亦称传感器电子学【l 3 1 。 2 2 应变测量原理与传统采集系统 电阻应变片是结构局部应变测量最常用、效果好的传感元件。粘贴在结构 表面或者埋入结构中，性能较稳定，可以组成各种形状和面积的阵列，防电磁 干扰，耐久性较好，并且电阻应变片面积很小，不影响埋置材料的性能，具有 武汉理工大学硕士学位论文 制作容易、价格低廉、耐高温、抗冲击和弯曲强度高等优点，适合在土木结构 监测中应用。 2 2 1 电阻应变计的工作原理 电阻应变计是由敏感栅、基底、粘结剂、盖层、引线组成。其工作原理是将 电阻应变计安装( 如粘贴) 在被测构件表面上，构件受力而变形时，电阻应变计的 敏感栅随之产生相同应变，其电阻值发生变化，用仪器测量此电阻变化即可测 量出构件表面沿敏感栅轴线方向的应变。因此电阻应变计的主要性能与敏感栅 有关，取敏感栅材料金属细丝，研究其把应变转换成电阻变化的关系。 金属细丝的电阻r 与丝的长度l 成正比，而与其截面积a 成反比，按物理 学有下列公式【1 4 】： r ：d 三 7 彳 ( 2 1 ) 式中，p 是金属的电阻率，当细丝因受拉力而伸长时，其电阻发生变化，此变化 可由对上式的微分求得： 一d r ：生牟丝一坐 r p 上a ( 2 2 ) 幽 以 细丝伸长由泊松效应( 1 a 为泊松比) 引起截面变化： 彳 。三，代入( 2 ) 有 警2 警+ c + 2 p ，譬 。2 舢 d od v 据高压下金属丝性能研究发现有：吉2 肌可式中，v 为金属细丝的初始体积 v = a l ，m 为比例系数，在一定应变范围内，对特定材料和加工方法，m 是常熟， 由细丝轴向应变，= 丝l ，等= ( 1 - 2 # ) - 警得： 百d r = 1 + 2 p + 朋( 1 2 俳= k ( 2 4 ) k = 1 + 2 p + m ( 1 2 p ) ( 2 5 ) 在一定应变范围内p ，m 是常数，因此k 也是常数，即电阻相对变化与应变成 比例，k 称为金属丝的灵敏系数。所以一旦测出电阻的变化规律也就可以知道应 蛮对应关系。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 应变信号的传统采集与传输方法 对于应变信号的采集传输，通常采用图2 2 的系统：电阻应变片在应变作用下 的电阻变化，通过导线传输到应变采集仪中，应变采集仪利用其内部的桥式电 路将上述电阻变化转换成弱电压信号，该电压信号经过放大、滤波处理后，再 由采集仪有线传输到计算机中作进一步分析处理。该系统中，应变采集仪体积 较大不适合放到所监测的部位上，通常应变片与应变采集仪之间距离达到十几 米甚至上百米，而应变片在应变后电阻阻值变化微小，这就要求图2 2 中的导线 本身电阻在系统运行中近似不变，也就是说，该系统对导线的性能提出了较高 要求从而增加了成本，同时过长的导线对微弱的电阻变化传输使信号可靠性大 大降低，这些都给该系统可靠采集应变信号带来了一定的困难；另一方面，即使 该系统中应变采集仪能够放到监测部位附近，但这又导致应变采集仪与监测中 心的计算机距离过长，给传输带来了不便【l5 1 。 感变采集仅 图2 - 2 传统应变采集传输系统 2 3 前端处理电路的设计 前端处理电路预留了与应变片相连的端子，主要实现对应变片电阻信号的 电压转换、信号放大滤波处理等功能。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 系统整体组成 图2 3 无线传感器系统整体组成 系统的整体组成如图2 3 所示。 2 3 2 放大电路的设计 前端处理电路中的放大电路，实现对电阻应变片的电桥输出进行放大处理。 v c c 图2 4 前端处理电路原理图 由于放大电路是对微小信号的放大调节，因此采用仪表放大器。仪表放大 器具有高输入阻抗、低失调电压和温度漂移系数、稳定的放大倍数以及低输出 阻抗等特性。本研究中所选用的高性能仪表放大器a d 6 2 3 除具备上述特点外， 还有如下特征： ( 1 ) 具有优良的直流特性； ( 2 ) 具有优良的共模抑制比c m r r ，且它随增益增加而增加，使误差最b ； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 其输入共模范围很宽，允许比地电位低1 5 0 m v 的共模电压，单电源供电 ( + 3 肛1 2 v ) 能达到最佳性能，但双电源供电( 2 5 6 o v ) 也能提供优良的性能； ( 4 ) 可以利用电阻调整放大增益，其范围为1 1 0 0 0 ，且外围器件少； ( 5 ) 低功耗( 电源工作的电流5 7 5l aa ) ，宽电源范围和电源限输出特性非常适合 电池供电的应用场合，且小封装； ( 6 ) 可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度优良、温度稳定性高、 体积小、可靠性高，这些为实现电路的准确放大和集成提供了可能。 p o ss u p p l y 7 4 艟g s u p p l y 图2 5a d 6 2 3 结构图 o u t e r e f 5 实际上，a d 6 2 3 是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器， 其基本电路结构如图2 5 所示。a d 6 2 3 与传统三运放结构仪表放大器( 如a d 6 2 0 ) 的不同之处是在两个输入放大器之前分别加一个p n p 晶体管作为电压缓冲器， 以便向两个输入放大器提供共模信号，并且符合电源限输入运放电路结构的要 求，输出放大器用来将差动电压转换成单端电压，它还对前面两个输入放大器 输出的共模信号起到抑制作用6 。 利用公式2 - 6 可以根据放大倍数选择增益电阻r 0 ，本系统采用的放大增益 g 为5 0 0 ，则r 0 选用2 0 0 欧姆的精密电阻，此时利用1 4 桥电路进行测量的应 变范围为士5 0 0 0u 毛，完全能够满足土木结构局部监测的要求，图2 4 中c o 为 电源端滤波电容。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 3 滤波电路设计 r = 而l o o k q ( 2 6 ) 滤波电路设计对于滤波电路，采用经典的二阶巴特沃斯低通滤波电路实现， 由图2 4 中r i ，r 2 ，c i ，c 2 以及放大器共同构成的。依据滤波带宽以及电子市场 实际所具有的电阻电容元件进行设计。由于土木结构局部应变信号属于低频信 号，选择2 0 h z 左右的带宽就可以满足要求；放大器选择小封装、单电源供电、低 功耗的l m 3 5 8 ，根据二阶巴特沃斯电路参数公式，选择各元件参数为：r l = 1 0 0 k f 2 r 2 = 9 1 k f 2 ，c i = 0 1 u f , c 2 = 0 0 4 7 u e 计算所得3 d b ( 且oq = o 7 0 7 ) 截止频率约为2 5 h z 。 仪表放大电路输出v o 经滤波电路处理后，幅值保持，高于2 5