（控制科学与工程专业论文）大型网架结构健康监测系统的设计.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 随着经济的发展，需要进行结构健康监测的结构越来越多，各种各样的公 益性网架结构的发展尤为突出。在这种背景下，一个智能化实时精确的监测系 统的设计是非常有必要的。 目前国内外应用在大型网架结构上的监测系统很多，但是其中也有很多设 计存在较大的局限性，比如采集速度慢，采集精度较差，假设成本较高等。本 文采用较先进的无线传感网络技术，相对于传统有线采集系统，节约成本的同 时也能避免很多不必要的干扰达到更加精确的采集效果，同时友好的人机界面 和优化的程序设计。使得系统能够达到低功耗，高采集速度和高精度采集。 而达到这一目标，本文完成了以下几方面的工作： 介绍网架健康监测系统的国内外现状，并总结了现在研究的进展及不足， 针对本文的目标，介绍了本论文的主要工作和成果。 ( 1 ) 确认系统的硬件整体框架，选择所需器件，保证硬件系统工作时低功耗和 高精度。 ( 2 ) 设计有处理数据能力的无线传感节点，同时设计分布式采集数据的传感网 络对多通道数据进行实时采集处理。 ( 3 ) 设计功能强大，界面友好的人机窗口，可以将历史数据存储、制成报表和 打印。也可以对实时数据进行分析、报警。 关键词：无线传感网络，健康监测，数据采集 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h en e e df o rs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n go f s t m c t l l r e sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r , t h ed e v e l o p m e n to fav a r i e t yo fp u b l i c i n t e r e s te s p e c i a l l yo fg r a d ss t r u c t u r ea p p e a rm o r ei m p o r t a n t i nt h i sc o n t e x t ，a n i n t e l l i g e n tr e a l - t i m ea c c u r a t em o n i t o r i n gs y s t e m i sn e c e s s a r y n o w a d a y s m a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll a r g e s c a l e 鲥d ss t r u c t u r eu s e di n t h em o n i t o r i n gf r a m e w o r k ，h o w e v e r , t h e r ea r em a n yo ft h e mt h e r ei sab i g l i m i t a t i o n o ft h ed e s i g n ，f o re x a m p l e ，t h es l o w l ya c q u i s i t i o ns p e e d ，t h el e s sp r e c i s i o nc o l l e c t i n g a n dt h eh i g h e l a s s u m e dc o s t s i nt h i sp a p e r , m o r ea d v a n c e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g yh a sb e e na d o p t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc a b l ec o l l e c t i o ns y s t e m s ，i t c o s ts a v i n g sa n da l s oc a na v o i du n n e c e s s a r yi n t e r f e r e n c et oc o l l e c tm o r ea c c u r a t e r e s u l t s ，w h i l ef r i e n d l yi n t e r f a c ea n do p t i m i z e dp r o g r a m m i n g a l l o w st h es y s t e mt o a c h i e v el o wp o w e r , h i g ha c q u i s i t i o ns p e e da n dh i g hp r e c i s i o na c q u i s i t i o n t oa c h i e v et h eg o a la b o v e ，t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ：ii n t r o d u c e t h eg r i dm o n i t o r i n gs y s t e mo fg r i d ss t r u c t u r e sd o m e s t i ca n df o r e i g nh e a l t hs t a t u s ， a n ds u m m a r i z et h er e s e a r c hp r o g r e s sn o wa n dt h ew e a k n e s s f o rt h eg o a l so f t h i s p a p e r ，ii n t r o d u c et h e m a i nw o r ko fa n dr e s u l t s f i r s t l y , t oc o n f i r mt h eo v e r a l lf r a m e w o r k o fs y s t e mh a r d w a r e ，c h o o s et h ed e v i c e s t oe n s u r el o wp o w e ra n dp r e c i s i o nw o r ko f h a r d w a r es y s t e m s s e c o n d l y , d e s i g nd a t ap r o c e s s i n gw i r e l e s ss e n s o rn o d e sw i t hc a p a c i t yo fd e s i g n s e n s o rn e t w o r kc o l l e c t i n gd a t a ，w h i l et h ed e s i g no fd i s t r i b u t e dd a t ac o l l e c t i o no f m u l t i c h a n n e ls e n s o rn e t w o r k ，r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g f i n a l l y , w i t hap o w e r f u la n du s e r - f r i e n d l ym a n m a c h i n ew i n d o w , y o uc a n s t o r e h i s t o r i c a ld a t a ，m a d es t a t e m e n t sa n dp r i n t ，a n da l s oc a na n a l y z et h er e a l t i m ed a t a a n da l a r n l k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n i i 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，除了文中特别加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他教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：垫丝至型 学位论文使用授权书 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 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雠) 弛翮蝴铆醐训。1 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 本文介绍的是以武汉游泳馆网架结构为背景，开发第2 代结构健康监测系 统。介绍了系统软硬件的设计，分析了健康监测的预警原则。列举了部分监测 数据和处理结果，指出了健康监测在实际应用中遇到的问题和解决方法 1 1 网架结构健康监测系统研究的目的和意义 目前，大跨度空间结构是发展最快的结构类型，衡量一个国家建筑科技水 平的重要标志之一，便是以大跨度建筑作为其核心的空间结构技术发展情况【l 】。 其中，网架结构上一种新型的大跨度空间结构，近年来国内外许多大跨度的公 共建筑或者工业建筑均普遍的采用这一新型的空间结构来覆盖巨大空间【2 】。然 而，由于自身所承受的长期荷载以及自然条件下各种外部荷载的冲击，结构不 可避免的出现构件疲劳以及损伤情况，最终导致结构局部甚至整体的破坏【2 】。因 此，对大跨度空间网架结构采取有效的手段进行监测以及评定其安全状况变得 越来越重要，为保证网架结构的安全，建立网架结构监测系统将是十分必要的。 及时有效的检测结构健康状态成为主导结构健康与寿命的关键应用设置的健康 监测和预警系统，能够及时修复和控制损伤，评估其安全性并预测结构的运营 效果，避免结构造成更大损坏1 3 】。这对保障人民的生命财产安全有着深远并且重 大的意义【4 】【5 1 。 近年来，结构的健康监测技术已经越来越受到人们的重视并日趋成熟，这 方面早期的研究主要是在航空航天器和一些机械结构上，而随着房屋建筑、交 通设施事故的发生越来越频繁，土木工程的结构健康监测开始受到了人们的重 视。用一定的检测手段来判断结构缺陷并对损伤进行定位成为了国内外学术界 关注的焦点，这一块也被划分为研究活跃的领域【6 】【7 1 。结构健康监测技术发展至 今，大致经历了三个阶段：第一阶段主要是依照结构监测领域专家的感官和专 业经验，通过调查比对，对诊断信息作出简单的数据处理；第二阶段主要是以 传感器技术以及动态测试技术为桥梁，在信号处理与建模的基础之上，广泛运 用到工程中来；第三个阶段主要是以知识处理为核心，结合数据处理、信号处 理与知识处理的智能发展阶段叫旧】。 武汉理工人学硕士学位论文 对于空间网架结构的现场测试和检测，结构健康监测系统给传统的数据采 集和记录设备带来的严峻的挑战，结构健康监钡j j ( s t r u e t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ， 简称s h m ) 是指通过利用现场的无损传感技术，利用对结构系统的分析，来检 测结构系统损伤和退化。利用它长期的检测结果分析结构性能，并能及时的发 现损伤并做出相应的维护决策。由于目前对土木结构的整体上的损伤识别技术 尚未成熟，局部检测成为主流的方法。由局部来反映整体，从结构中提取反映 结构特性的参数信号，转化成电流或电压信号，通过健康监测系统表达出结构 内在的问题。在结构检测主要测试的物理量中主要包括以下几个方面：索力检 测、几何监测、应力应变检测、振动监测、荷载监测、工作环境监测、构件耐 久性监测等。这里，应变信号显得尤为重要，土木工程健康监测最为重要的参 数之一便是应变。及时掌握这些数据的变化情况为结构的运营管理和养护维修 提供了可靠的研究依据【1 0 】【1 1 】【1 2 】。 无线网络传感系统没有不限的束缚，这样就使得可检测的范围得到扩展。在大 范围的空间结构中采用无线监测系统，在监测的过程中也不会影响到其他工种 的作业。具有测点布置范围广、成本低、可以长时间在线监控等优点，这些优 点都特别适用于大型结构的健康监测。对于大跨度桥梁、电视塔、空间网架等 结构来说，传统的布线监测很难进行全局监测，且干扰了建筑的正常使用，无 线传感解决了这一问题，它的大范围布设，可以从整体上监测结构的健康状况， 保证了建筑的正常使用及运营【1 3 】f 1 4 】。随着无线传感网络技术的不断发展，在经 济与建筑等各个领域的应用也逐渐深入，应用无线传感网络技术，实现结构健 康的实时监测并作出快速评价，是结构健康监测的最终目标。因此，无线网络 传感系统必将成为监测系统中最新型最科学的方式之一，同时引导了监控系统 新的发展方向n 鄙n 引。 1 2 网架结构健康监测系统研究的国内外现状 目前，无线监测系统还处于开发和试验的阶段，最近一年来，国内外的专家 学者对其进行了卓有成效的研究。纵观无线监测系统的研究历史，例如1 9 9 8 年 s t r a s e r 和k i r e r a i dj i a n 研发了第一个结构无线健康监测系统，备受各方关注 以来，随后的w a n gl y n c h 和l a w 也研发了一种无线监测系统，其无线传感节点具 有较低的能耗、强大的计算功能以及多任务能力的优点，引起了各国专家的瞩 2 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 目，一直以来，无线监测系统的研究都是各国专家关注的焦点7 儿1 8 1 。 人们从未停止对无线监测系统的开发与探索，1 9 7 8 年，美国军方提出无线 传感网络的构想，并由美国国防部高级研究所计划署资助卡耐基梅隆大学 进行分布式传感器网络的研究，从此，无线传感器网络的雏形诞生，而类似的 项目很快便在全美高校间展开研究。由此而产生的著名项目有：u c l a 的w i n s 项 目、u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 项目，以及多所机构联合攻关的s d n s l t 计划等一 系列与之有关的项目n 卵口伽。当然，研究成果最终转向为民用服务，例如人体生 理数据监测、药品管理之类的医疗应用、森林火险以及洪涝灾害的环境应用、 商务、家庭和公共环境下都采用了此等技术瞳妇恤1 。 1 9 9 6 年k e n n e t hm a s e r 等实现了将无线传感技术应用于大型桥梁的监测，在 其后的一年他本人又对其应用进行的发展，使之系统化和理论化；1 9 9 8 年，马 里兰大学d a r r y l l j p i n e s 和p h i l i p a l o v e l l 提出了广泛应用于土木工程健康 监测中远程健康监测的构想，并勾勒出理论框架；2 0 0 0 年，j e r o m ee l y n c h 等在 美国拉斯维拉斯所举行的“m c e e r 高科技防震减灾”会议上详细介绍了无线传感 在土木工程健康监测领域的运用；2 0 0 1 年，日本k e i s o k u 研究咨询公司通过对日 本部分大跨度结构上的无线监测系统实际应用研究后，详细介绍了无线监测的 现状，并对未来趋势做出展望；2 0 0 2 年5 月，在纽约的结构健康工程研讨会上， 无线系统监测被认定为未来发展的方向。追寻历史发展的脚步可知，各国已将 无线传感技术应用到各个领域，并从未停止研究弦3 2 们昭5 l 。 列举一些典型的例子说明：2 0 0 2 年1 0 月，美国英特尔公司，发布了“基于 微型传感器网络的新型计算发展规划 ，从而开启了英特尔公司致力于微型传 感器网络在各个领域的研究，包括预防医学、森林灭火、环境监测、海底板块 调查以及行星探查等部分不同的领域。美国的c r o s s b o w 公司和d u s t 公司等也开始 致力于无线传感网络的研究和开发，其中c r o s s b o w 公司已经推出了他们的m i c a 系列传感器网络产品，到现在为止，c r o s s b o w 公司已经有了m i c a ，m i c a 2 ， m i c a 2 d o t _ 三种产品【2 6 】【2 7 】【2 8 】。 从以上事实可以看出，全球范围内，目前对无线传感技术的应用，以北美 的状况尤为突出，在环境监控、自动化、灾害预警方面已开始起到一定的作用， 这种新的技术已被社会广泛接受，并以惊人的速度在市场上扩张。其中，大型 结构健康检测方面的无线网络传输技术尤为重要，无线传感器网络，即 w s n ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 是一种由传感器节点构成的网络，它能够实时地 武汉理t 大学硕士学位论文 对传感器节点所在的部署区监测、感知和采集，再对这些信息处理后，以无线 的方式发送出去，最终通过无线网络发送给其观察者。这一技术的革新将给大 型结构监测系统带来技术上历史性的革新啪3 。 国外目前多致力于智能型传感器和无线通信技术相结合的无线传感技术， 而我国学者提出的利用公共无线网络的无线传感技术，将为无线网络代替或部 分代替传统的有线网络提供巨大的帮助。例如同济大学赵鸣等，在采用4 3 3 m h z 收发芯片的同时，开展了基于g p r s 无线传输的无线测试节点的研究。只要在移 动通讯网络覆盖的范围内，利用此无线传输技术，就能够实现多通道测量，其 技术性能随着公共无线网络的不断升而同步提升口2 儿矧m 1 。 虽然我国技术人员在无线监测领域不懈努力，但在结构无线监测系统方面仍 属于薄弱环节，可以说尚在起步阶段。这方面主要有哈尔滨工业大学、同济大 学、中科院和厦门大学等科研院校从事有关的开发研制工作。例如欧进萍、喻 言、李宏伟等自行研发的无线传感器，在深圳地王大厦进行现场试验。目前， 国内外对无线监测系统的研究主要有四个方面：l 、对无线通信协议算法的研究。 2 、对无线传感器节点的硬件开发，侧重于智能无线传感器的开发。3 、对无线 监测系统软件的开发。4 、现场实测试验研究。由此可以看出，无线监测系统尚 处于研究开发及试验阶段，各方面未趋于成熟并且有待完善m 1 。 我国在无线监测方面的研究，主要集中在环境污染监测、水利水文监测、 热网监测、石油管线监测、远程电力抄表系统等数据的远程传输等各个领域。 而采用的方法主要是静态数据的传输，在这方面的主要成果有：山东省位山灌 区在水利信息化建设中就实现了无线数据传输；北京航天万新科技有限公司开 发的“石油管线无线监测系统；濮阳方华实业有限公司开发的“h 6 油井无线 监测系统”；中国电子科技集团公司第五十研究所研制的“热网实时监测与计 量管理系统 ；而由电子科技大学中山学院机械系的卢满怀提出的一种实现无 线监测系统数据高速传输的方案，详细介绍了基于g p r s 的污水处理无线监测系 统的结构、特点及实现方法等等m ，。 现在国内可以生产商业用途的无线数传模块也有很多，例如深圳奇点科技 的g p r s 无线数传系列，就是基于g p r s 的无线数传产品，它充分利用了g p r s 公网 的优势。还有山东力创科技有限公司开发的g p r sd t u 无线数传模块等均采用了 g p r s 的方式，实现了全国范围的无缝接入。这些无线数传模块，都只能传输静 态的数据信号，根本不适合直接用于结构的健康监测。2 0 0 4 年，无线传感网络 4 武汉理工人学硕士学位论文 的具有研究性质的工作逐渐开始，在2 0 0 5 年迅速发展。这方面的例子有孙利民 等在无线传感网络一书中详细介绍了对无线传感网络的看法和研究成果； 哈尔滨工业大学以欧进萍为代表的课题组，对无线传感网络的研究也逐渐展开； 2 0 0 5 年，李宏伟等发表论文，详细介绍了哈尔滨工业大学课题组，采用引进的 u cb e r k e l e y 生产的无线传感单元进行的一个框架结构的振动测试实验。在理论 里面李宏伟详细介绍了u cb e r k e l e y 的无线传感单元的软硬件环境和该传感单元 的工作效果。可以看出，国内学者关于无线传感单元以及无线传感网络的研究 都还处于学习与初步研究阶段。在世界范围内，无线传感网络的理想构架被公 认为，是“低成本布设”、“低功耗运行、“高效率监测 的标准儿制。 我们从目前发展的技术水平上来看，的确还存在以下不足之处：首先，无 线传感网络的瓶颈主要是无线带宽问题。由于其本身的限制，在高速采集和传 输方面它较小的带宽无疑成为无线传感技术发展最大的障碍与制约，与传统的 有限传输方式相比，在传输带宽方面受到了限制。主要表现在：1 、网络容错的 能力低下。在监测现场，受到气候、人为等复因素的影响，时常会造成传感器 网络节点的失效以及网络的拥堵，其自适应能力有待进一步提高。海量数据的 处理问题随着传感器网络的不断扩大，传感器单元的数目就会成几何级数上升， 海量的数据就会随之而来，这些数据的存储和处理不容忽视。2 、信号的噪声干 扰。无线传输方式的噪声干扰是一个十分显著的问题。目前针对这一问题有一 些解决方法，例如调频、无线信号数字化等，在无线传感技术的进一步应用中， 噪声的处理问题仍然是一个值得研究和探讨的问题。3 、网络布设的拓扑结构。 更加优化的拓扑结构，使得传感器网络的信号传输流量逐渐较小，这样便节省 通讯费用，同时也减小网络的能源消耗。4 、传感器单元的耐久性。无线传感器 网络的寿命与传感器单元自身的耐久性息息相关n 司瞳3 l 。 1 3 论文的主要工作 随着经济的发展，需要进行结构健康监测的结构越来越多，各种各样的公 益性网架结构的发展尤为突出。在这种背景下，一个智能化实时精确的监测系 统的设计是非常有必要的。本文是以武汉游泳馆大型v 字顶架为针对对象设计的 一种无线传感网络监测系统，文章分为五章，各章主要内容如下： 第1 章，阐述的是该课题研究的时代背景，我们研究的目的和意义所在，之 武汉理工大学硕士学位论文 后我们介绍了现在国内外类似的结构健康监测系统的发展状况，以及一些大型 网架结构上应用的系统。最后，对现行各种监测系统进行了简短的总结，指出 无线传感网络监测系统中存在的一些问题。 第2 章，对整个系统的总体组成和设计方案做了阐述其中对选择的器件的 基本特性作了介绍也指出了在这个系统中相应器件的作用。 第3 章，讲的是监测系统的硬件电路设计。首先介绍的是总体的设计方案， 之后分为数据采集和处理部分、数据通信部分及自组无线网络部分来分别说明。 包括处理芯片的选择，滤波电路等的设计，m c u 与射频芯片之间的连接，最后传 感单元组网的方式等等。 第4 章，介绍的是软件系统的实现。本系统的软件部分主要集中在上下传感 节点之间的通信，以及自组网后的通信协议，确保做到实时、稳定、纠错能力 强同时功耗较低。最后是人机界面部分，这是一个功能强大，界面友好的人机 界面，能让工作人员简单操作，同时可以调用历史数据，完成表格和打印等工 作。 第5 章，介绍了一下系统由于现代工艺和现在相关技术发展局限性在工作中 无法避免的一些问题，以及我们在这方面上作的一些改善性工作和对网架结构 健康监测系统未来技术上的展望。 由于本系统针对的对象是武汉游泳馆顶架结构，在原有的健康监测系统上 开发的第2 代系统，我们设计的系统在应用中做到了优化，相对于原来的系统， 功耗更低，各个节点可以转为使用电池工作；分步式的组网，同时让各个节点 拥有运算功能，大大的降低了数据给带宽带来的压力，同时在干扰方面也起到 了优化作用，另外各个智能节点组网能够让每个节点相对独立，不论是维修还 是今后的扩展上都能非常的方便。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章网架结构健康监测系统的结构与方案设计 2 1 网架结构健康监测系统的结构 任何一个结构健康监测系统中都可以根据功能将其分为数个部分，这些部 分在工作中自成模块，功能各不相同但又相互联系，循序渐进共同完成健康监 测任务。其中传感器部分可以通过选择的传感器采集到外界所需的信号进行转 换预处理；信息的处理部分在之前的基础上能把数据进一步的存储和处理；之 后信息必须通过协议从下位机传送到上位机，这属于信息的通信和传输部分， 可将采集处理后的信息上传到监控中心，当然中间采取的方式可以不同，包括 局域网，因特网等等；最后获得数据之后，我们需要对数据进行分析比较，通 过高性能的分析软件来判断是否发生损伤，损伤的位置和程度。如果健康程度 低于设定值会采取报警的措施1 。 所以，传统的结构健康监测系统结构图如图2 1 所示。 环 传状 境 卜 感 i ： 态 信 ，。 器系统平台 r 显 建 息设 信号采集一 不 筑 备 l ， 与 有限 报 结 与k 局域网 j 元模 警接 、 弋 7 叫 构 口 型修 、 局部 正 r 整体 j 数据处理 凶特网 参数 信号采集与信息通信信息分析和 传感器系统处理系统系统监控系统 图2 1 结构健康监测系统结构图 由结构图中可以看出传统的结构健康监测系统可以分为四个部分： 传感器系统：包括应变盒、信号放大处理部分将需要测量的物理量转变为 合适的电信号。 信息采集与处理系统：包括将模拟电信号通过a d 转换器转换成数字信号 后由m c u 将信号经行处理和存储。这时在下位机部分所做的工作已经完成，等 7 武汉理工人学硕士学位论文 待的是上位机的信号，然后通过协议将存储的信号发送到上位机，完成信号的 交换。 信息通信与传输系统：包括通过信号的调制方式进行分布式的点对点或点 对多点的无线网络传输，再将采集并处理过的数据传输到监控中心。 信息分析和监控系统：在获得数据之后，我们会对数据进行分析比较，通 过高性能的分析软件或是计算机来对监测对象的状态经行评估，判断是否发生 损伤，损伤的位置和程度。如果健康程度低于设定值会采取报警的措施。 2 2 网架结构健康监测系统的设计 在本设计结构健康监测系统中主要有以下要求： ( 1 ) 需要实时有序的采集超过6 4 路的电阻式应变传感器的电压信号，进过 信号变送之后能很准确的显示在人机界面上。通过提取特征量使采集数据融合 的方法务求信号的精确度。 ( 2 ) 组成无线传感器网络，避免有线的复杂连线，同时使每个传感单元都有 处理数据的能力，节约带宽，使数据流畅稳定的传输。 ( 3 ) 压力监测数据采集器具有完善的通讯接口，通过r s 2 3 2 串行实现数据 远程传输；通过现场r s 2 3 2 串口实现历史数据的提取，保证了在上位机故障时， 也能得到工程的有关监测数据。 ( 4 ) 传感器每采集3 次数据在m c u 中求取平均值后进行数据的存储，同时 准备上传数据。上位机接收下位机上传数据的频率是每两分钟一次。 ( 5 ) 装置精巧可依赖程度低，适用性强的同时扩展方便，维护简单。 根据系统的要求，整个系统的设计如下： 传感器系统：包括应变盒、信号放大处理部分将需要测量的物理量转变为 合适的电信号。 信息采集与处理系统：包括将模拟电信号通过a d 转换器转换成数字信号 后由m c u 将信号经行处理和存储。这时在下位机部分所做的工作已经完成，等 待的是上位机的信号，然后通过协议将存储的信号发送到上位机，完成信号的 交换。 信息通信与传输系统：包括通过信号的调制方式进行分布式的点对点或点 对多点的无线网络传输，再将采集并处理过的数据传输到监控中心。 武汉理工人学硕士学位论文 信息分析和监控系统：在获得数据之后，我们会对数据进行分析比较，通 过高性能的分析软件或是计算机来对监测对象的状态经行评估，判断是否发生 损伤，损伤的位置和程度。如果健康程度低于设定值会采取报警的措施。 在此设计下，系统的工作过程为，首先在建筑多处主要受力点处贴上所选 的电阻应变片，该应变片与另外3 个等值电阻组成半桥式电路通过检测应变片 的形变输出电压信号。该信号经过调制电路的放大整流为a d 芯片能够处理的 大小进入a d c 中处理为数字信号，采集3 次算出平均值后送入单片机。选用的 无线传送芯片为n r f 9 e 5 ，采用f s k 调制技术，内附曼彻斯特解码，不需要制定 传送协议。当单片机把数字信号传送过来的时候，数字o ，1 分别被调制成2 个 不同频率的高频信号，由发送端的天线发送出去，再由接收端天线接收后解调 成数字信号，这样就完成了数字信号的无线传输送入单片机中，经过组网多层 传递最后由上层节点m c u 通过r s 2 3 2 协议与p c 机通讯。 由于采用集成度很强的n r f 9 e 5 芯片为传送处理芯片，它采用n o r d i c 公司 的v l s is h o c kb u r s t 技术，可以自由选择g s m 工频频段随时随地的进行 数据的监测，实现适当范围的物理量数据采集与无线数据传输；软件部分为基 于c 语言的下位节点软件部分和下位节点与上位节点通信软件部分。其为了降 低功耗，实现更长久更稳定的工作状态，在整个传感网络中我们采取分布式提 取数据的方法，同时依靠上位节点发送指令激活下位节点发送数据，这样一来， 我们可以按照我们的需要，在一个较为宽松的频率下进行工作，采集处理同时 也能大大的降低功耗，节约成本。 2 3 本章小结 鉴于武汉游泳馆自身的v 字型屋顶网架结构，我们在监测系统的设计上也 就有了特殊的要求。在整个监测系统中，传感器可以说是最重要的部件之一。 没有传感器准确的采集到所需参数，之后的系统即使再精妙也是无济于事，不 能达到设计的初衷。然而要想保证传感器的灵敏度，我们就需要对传感器的原 理有足够的认识，并了解到影响到传感器灵敏度的原因之后再想办法尽量的减 少误差解决问题。 所以通过选择桥式连接方式，我们得出了采集到的应力与输出数值的关系， 而且我们相信数值的精确性是能够保障的，这对后面系统对数据的处理起到十 9 武汉理工大学硕士学位论文 分重要的作用。 同时，因为系统针对v 型网架的结构，有线传感器在其上安装的时候走线 将会非常的复杂，不但对安装的要求非常的高，同时在维护的时候非常麻烦， 也会对数据采集的精度造成影响。鉴此，我们在设计的时候，选择的是无线传 感网络，轻易的避免了以上繁琐的缺点，同时也使得网络的扩展变的异常的方 便。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章网架结构健康监测系统硬件电路的设计 3 1 结构健康监测系统硬件总体方案设计 在结构健康监测系统中，硬件电路的设计决定了系统“躯干 的属性，我 们希望能够设计一个强壮，灵活，需要能量少，工作时间长的完美“躯干 。同 时它能给我们无限的可能性，包括未来的扩展，维护，更新换代，都能提供方 便。这也是我们设计的硬件部分的初衷。 在整个硬件设计中，可以把系统细分为以下部分，分别为传感器模块、信 号调理模块、信号采集和处理模块、通道选择部分和通讯接口部分。其中信号 采集和处理模块又可分为a d 采集模块，m c u 模块。如图3 。l 所示。 m p _ 。cc u机 图3 - 1 硬件部分设计方案 ( 1 ) 传感器模块：用电阻应变片组成的桥式应变盒将待测的形变物理量转 化为微弱的电信号。 ( 2 ) 信号调理模块：完成弱电信号的滤波和放大以及信号范围到a d 所要 求输入范围的转换。 ( 3 ) 信号采集及处理模块：利用高集成的芯片n r f 9 e 5 将采集到的适当大 小的电信号转化成数字信号进行存储，并编码成高频信号无线发送出去。 ( 4 ) 通道选择部分：依靠射频芯片内部集成的协议，通过软件可以完成上 位机对多个通道的选择，实现依次的采集数据。 ( 5 ) 通讯接口模块：完成r s 2 3 2 通讯接口 武汉理：大学硕士学位论文 3 2 传感器模块的设计 3 2 1 传感器组成 传感器是一种能够感受到外界的被测量，并根据一定的规律将其转化成上 位装置可处理的信号( 一般为电信号) 的器件。在工程技术领域，它与系统就 相当于人体的各个感觉器官，必须具备一定的特点：( 1 ) 能够感受到被测量， 并灵敏的感受到被测量的变化( 2 ) 输出的是某种物理量，它可以是光、电量等 主要用于上位装置处理实现数据传输转换的目的，一般输出的为电信号。( 3 ) 输出量与输入量之间有对应关系且有一定的精度。 根据我国的制定的国家标准“传感器通用术语”中对传感器的组成是这样 定义的：“传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和可产生信号输出的转换 元件以及的电子线路所组成”，传感器组成如图3 2 所示n 鄙。 图3 2 传感器的组成 其中( 1 ) 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，它可以将被 测量的物理量变成有用的对应物理量，并使得输出与被测量之间有一定的关系 ( 2 ) 传感元件的主要作用是接收到敏感元件的输出部分，并将接收到的测量信 号转化成适合传输的电信号。所以它能将有用的物理量转化成有用的电信号。 ( 3 ) 电子线路常常是用来对微弱的输入电信号进行放大、运算调制等使得信号 大小合适，精度较高。 随着半导体器件和集成技术在传感器中的应用，传感器的转换电路可能安 装在传感器的壳体内或是与敏感元件一起集成在一块芯片中，这样的传感器集 成度高、使用方便迅捷、操作计算简单，是未来发展的趋势之一。 3 2 2 电阻应变式传感器 传感器可以从其工作原理上分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传 感器、压电式传感器等等。在大型结构监测系统中，特别是本文所选背景武 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 汉游泳馆网架监测系统中选用的是电阻应变式传感器n 3 1 。 金属应变片式电阻传感器是用金属丝或者金属箔做敏感元件制作成的片状 传感器。金属应变片贴在弹性元件或被测物体上，当受力元件或者被测物体发 生了弹性形变之后，应变片上的阻值也相应发生变化n 引。 通常使用较多的电阻应变片有两种类型，一种是丝式应变计，另一种是箔 式应变计n 驯。 用电阻丝在一定的应力作用下均匀的按栅状排列在底基和覆盖层之间，应 变计的收尾用铜丝引出。应变片的底基是用来作栅丝的依托层，同时又具有电 绝缘作用的材料。底基中最好的材料是聚酰亚胺，它具有良好的绝缘电阻和温 度变化特性，而且还有蠕变小、线性、延时误差小、长时间使用零点稳定性好、 灵敏度高等特点n 引。 传统丝式应变计如图3 3 所示。 电 阻 丝 线 图3 3 丝式应变计 箔式应变片将金属电阻材料通过特殊的碾压而得到厚度为0 0 0 3 0 0 0 5 m m 的极薄的膜，加上绝缘底基以后，再通过光刻工艺将电阻薄刻成所需的栅状电 阻丝，然后再将这个箔栅加上覆盖层和引出线就构成了箔式应变片。因为这种 应变片中的电阻材料被制作成了箔，所以它与被粘贴的元件的表面的接触面积 比丝式应变片大的多，这样的应变片就能更好的跟随应变零件的变化。由于接 触面积大，它的散热条件比丝式的应变片好很多，所以可以通过较大的电流。 由于这些条件，使得箔式应变片具有较好的灵敏度。另外因为这种应变片可以 采用光刻工艺制作，因此有利于大批量生产，是目前的主流电阻式应变片n 明。 传统箔式应变片如图3 4 所示。 1 3 武汉理上人学硕士学位论文 图3 - 4 箔式应变片 3 2 3 电阻应变式传感器的特性 应变片的参数是对应变片性能的主要体现，在实际应用中需要考虑到，应 变片的性能参数主要有：应变极限、灵敏系数、横向效应、温度补偿等等。 ( 1 ) 应变片的应变极限 应变片的应变极限是由应变特性曲线的非线性决定的。如下图所示，特性 曲线随真实应变n 的增加而出现弯曲，指示应变偏离要求的直线特性( 虚线所 示) 而产生非线性误差，当这种非线性误差达到规定值时所对应的真实应变， 即为应变片的应变极限。 m 图3 5 应变片的应变极限 图3 5 中m 是指经过校准后的应变读数，又叫指示应变，它是与应变片的 相对应的。n 是指的应变片的真实应变，是应变片的实际应变值。 影响应变片极限大小p 的主要因素是基底材料和粘合剂的性能，在结构的 真实应变增大时，它传递形变的能力逐渐下降，使得指示应变不再随真实应变 1 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 成线性变化。 ( 2 ) 应变片的灵敏系数 应变灵敏系数其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。它的数学表 达式为： 尼：a r r( 3 1 ) 缸| l 或 等：k 8 ( 其中e - - - - 叫) ( 3 2 一) 绒 i = 【具叫l ) l j 。， 瓜 应变灵敏系数受两个因素的影响，一个是受力后由于材料的电阻率变化引 起的。另一个是受力后由于材料的几何尺寸变化引起的。对于金属材料来说前 者比后者小的多，可以忽略不计。 金属线材的电阻变化和它受到的应力是线性关系的，我们可以设材料的灵 敏系数为l 【0 ，当材料被制作成应变片之后，由于横向效应的影响，应变片的灵敏 系数k 是恒小于l 【o 的n4 1 。 ( 3 ) 应变片的横向效应 应变片的敏感栅除了纵向部分以外，还有将各个纵向部分相连的圆弧形的 横栅，它对垂直于轴线方向的横向应变敏感。当电阻应变片粘在一维拉力状态 下的试件上，应变片的纵向丝珊因发生纵向拉力而发生应变，使其电阻值增加， 而问题在于应变片的横栅，由于横向拉伸，使得横栅在横向方向上发生应变的 同时也是其在纵向上产生压缩应变，于是电阻值减小。这就使得横栅的变化和 纵向栅的变化不一致，将纵向栅的变化抵消了一部分。虽然整个敏感栅的电阻 式增加，但是因为各个横栅电阻值减小的影响，所以应变片的灵敏系数k 要比 同样长度无横栅影响的要小从而降低了整个应变片的灵敏度。这就是应变片的 横向效应。 而要尽量的降低横向效应，应变片的敏感珊纵栅要窄，基长要长；同时横 栅要宽要短。实验表明，当应变片基长小于l o m m 时，灵敏系数下降的很快， 大于1 5 r a m 时，横向效应也趋近于稳定，引起的误差很小n 4 1 。 由于箔式应变片的弯折处很宽，所以和金属丝状的应变片相比，它的应变 效应要小。 ( 4 ) 应变片的温度补偿 我们对应变片的期望是应变片电阻的变化只随着应变而变化。但是事实上 在测量的过程中，温度的变化对电阻的影响不可忽视，其影响的数量级与应变 武汉理工大学硕士学位论文 引起的相同。所以不采取措施克服温度的影响，测量精度将无法得到保证。 针对这一点，我们往往会采用很多措施来消除或者减少其中的影响。其中 主要的方法是桥路补偿和应变片自补偿两种。 由于本系统中的补偿方法是桥路补偿所以就着重介绍。桥路补偿法是最常 用的也是最好的补偿方法。也被称为补偿片法。它的原理如图3 6 ，电桥的输出 电压与桥臂电阻的关系为： u o = a ( r i r 4 一r 3 r 2 ) ( 3 - 3 ) a 图3 - 6 相对桥臂测量 它是选2 个完全相同的应变片r l 、r 3 ，其中r l 为测量应变片用于贴在需要 测量应变的试件上，r 3 为补偿片贴在与事件完全相同材质的补偿块上，试件与 补偿块处在相同的温度场下。在平衡电桥中r l ，r 3 作为相邻桥臂，当温度发生变 化时，工作应变片与补偿应变片温度的变化是相同的，由于应变片的材料和所 贴物件的材料相同，所以在温度影响下r l ，r 3 的电阻变化也是相同的，当应变发 生时，因为补偿片r 3 感受不到，所以电桥将产生相应的输出电压，而这个电压 我们可以认为是跟温度的影响无关的。 3 2 4 电阻应变式传感器在本系统中的应用 对于应变片组成的桥式电路我们可以根据需要选择1 4 桥、半桥和全桥接 法。如下图测量电路，我们以1 4 桥电路为例将原理说明一下： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 7 应变片四分之一桥测量电路 图3 7 中：r g 为测量片电阻，r 为固定电阻，k f 为低漂移差动放大器增 益，因为有， v i = o 2 5 e g 胎 ( 3 - 4 ) 即 v o = k f k = 0 2 5 k f e g k 6 ( 3 - 5 ) 所以 s=兰堡(3-6) e g k k ， 式中，k 为直流电桥的输出电压，e 。为桥压( v ) ，k 为应变计灵敏度系数， 占为输入应变量( s ) ，为低漂移仪表放大器的输出电压( , u v ) ，酢为放大器 的增益。 当e 。= 2 v ，k = 2 时 占= v o x ，( s ) ( 3 7 ) 对于1 2 桥电路 对于全桥电路 占： 三堡 e g k k f 占： 匕 e g k k f 这样，测量结果由软件加以修正即可。 1 7 ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 武汉理1 学硕上学位睑文 最终本系统选用半桥连接方式 压缩或弯曲应变，环境温度变化大 计电阻和泊松比。 如图3 - 8 这样的连接适用于测量简单拉伸 输入系数为灵敏度系数，导线电阻应变 k 考谚 一一 图3 - 8 关键杆件上的应变传感器的安装 3 3 数据采集与处理系统设计 通过传感器采集到的各种物理量因为受到自然因素、本身的特点或者是传 感器的各种条件的限制的影响，所咀转换成的信号( 一般为电信号) 往往并不 能直接提供给下一阶段的系统直接接收，在这中间的过程中就要求把传感器得 到的电信号进一步的变换处理。信号变送系统就是为了把从传感器中输出的量 转化成统一标准的信号。由应变片感受被测压力f ，经电桥电路转换成直流毫伏 信号后经运算放大直流支压，之后将放大后的电压放入低通滤波电路中经行滤 波隔离。使得处理后的数值在a d 芯片基准电压的范围内。 武汉理工大学硕士学位论文 信号采集与处理系统原理方块图如图3 - 9 所示。 图3 - 9 信号采集与处理系统原理方块图 3 3 1 滤波放大部分 由于信号变送系统传出的信号是毫伏级的，同时采集的频率不是很高，所以可以采 用有源低通滤波电路把信号滤波放大。 在本系统使用的二阶压控电压源低通滤波电路( v c v s ) 如图3 1 0 所示。 v l 一一1 图3 - 1 0 二阶压控电压源低通滤波电路 1 9 武汉理工大学硕十学位论文 源滤波电路一般由r c 网络和集成运放组成，由集成运算放大器和