基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法技术方案

基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法，本发明专利技术涉及结构体健康监测技术领域，解决现有技术未能够实现完全无源，抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。本发明专利技术主要包括感知模块和通信模块；用于雷达测量的感知模块由雷达脉冲发生器、脉冲存储电容、开关电路、无源传感器组和计时模块组成。本发明专利技术用于桥梁、建筑等结构体健康监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构体健康监测
，具体涉及基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法。
技术介绍
结构体健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)定义为对工程结构的损伤监测和特性描述。这是一个近20年来新兴的概念。其主要专注的领域是基础设施的健康状况，包括建筑物、桥梁、隧道以及航空工业。此外在水下管道系统(油管、光纤等)、高速公路、机械、医疗和电路板方面也有相关应用。2007年，美国，I-35公路桥梁由于超负荷而坍塌；2009年，德国，城市历史档案馆由于地基形变坍塌；这两个案例都是由于缺乏结构体健康监测而导致的基础设施坍塌。其中的建筑物和桥梁分别由于地基形变和过度形变而导致的坍塌。美国克里夫兰的一架已经使用了50年的旧高速公路桥梁。该座桥梁在2009年被诊断出主钢筋损坏以及过度形变。之后，在2014年这座桥梁被拆除并重建。传感器典型的感知参数(测量参数)有应变、压力、温度、倾斜率、湿度、腐蚀、振动、压强和水平程度。这些参数通过各式传感器采集得来，包括：风速计、加速度计、动态和静态应变片、位移传感器、温度传感器、全球定位系统、水平传感器、动态称重设备、气压计、雨量计、湿度计、腐蚀传感器、数字摄像机和电磁传感器。目前，由于高昂的成本开销，结构体健康监测系统仅仅应用在一些至关重要的大型桥梁和重要的摩天大楼上。在众多桥梁中以香港昂船洲大桥为例，这座大桥上安装有风力和结构体健康监测系统，是世界上最昂贵的数字化桥梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔为例。香港昂船洲大桥上总共安装有1723个监测传感器节点。其中有82％(1416个)的传感器是应变片和温度传感器。另一方面，安装在哈利法塔上428个应变片。对于此类至关重要的结构体来说，安装全面健康监测系统所带来的高成本是可以接受的；而对于其它大部分桥梁和建筑物，时常首先选择定制的系统。这种定制的系统仅监测部分结构体参数，从而降低了成本。中国的一部分桥梁使用改造的结构体健康监测系统，使其能够在技术上使用混合拓扑，比如，通信：光纤，有线，或无线；能源：电力线，电池，
或能量采集；传感器类型：主动式，或被动式(无源)。美国桥梁健康诊断的案例。结构体健康监测的重要性可以通过下面这个例子体现出来。从1990年开始，美国各地交通管理局要求以半年为周期目视检查全部576,000个高速桥梁。这样的检测能够发现桥梁的毫米级形变，从而召回维修部分结构体已老化的桥梁。这样的统计显示：1990年初期：美国将近35％的桥梁(236,000座)在结构上或功能上有缺陷；2006年：超过149,000座桥梁在结构上有缺陷；2012年：差不多25％的桥梁有缺陷。值得强调的是，在监测系统中感知的主要工作量集中在应变测量和温度测量上。桥梁损毁的主要原因是超载(常由重型卡车导致)，强风和地震。这需要周期性的监测由这些原因所导致的桥梁形变。高速公路桥梁的案例中，对桥梁形变程度测量的重要性是显而易见的——仅通过目视应变检查就能预测桥梁损害的程度。应变测量在评估建筑物沉降和倾斜状况方面也是至关重要的，尤其在施工阶段。如果结构体健康监测在结构诊断中是极其重要的，并且在当前市场中也是现成的，那么问题是为什么周围重要的基础设施中并没有这样的系统？在这里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系统的高功耗和高维护的开销，尤其是在电池供电或太阳能供电的案例系统中。系统精度漂移(尤其受温度的影响)依然是一个无法忽略的因素。拓扑结构，感知参数的数量等等。每个传感器成本(cost per sensor)是评估一个监测系统成本的很好的判断依据。图1所示为4座桥梁的成本对比，在这些桥梁里使用了光纤和无线监测技术。昂贵的成本是全自动结构体健康监测系统只安装在少量重要桥梁的原因。中国桥梁估计成本大概在一到两百万美元。在安装有自动化监测系统的桥梁里，每个传感器的成本大概在5000美元左右。功耗(电池寿命)限制随着近年来嵌入式无线传感系统的发展，似乎实现一个高信价比的无线结构体健康监测系统无疑是近在眼前的。协同能源采集技术(太阳能或振动能量)能实现全自动解决方案。为了更好的去权衡成本与系统之间的关系，研究了一些当前已部署的无线监测系统的发展状况。以韩国的珍岛大桥(344米长)为例，在这座大桥上安装有113个节点(除
开基站和网关节点)，其中105个节点使用电池供电，额外8个节点使用太阳能充电电池供电。这些传感节点用来测量桥梁加速度、应变、温湿度和风速。每个传感器的成本是500美元。该系统中主要的限制为两方面：1)通信时间。由于节点网络冲突，从46个传感器节点获取数据需要近30分钟。2)电池寿命。节点装备有大容量20,000mAh电池。若节点每天只采集数据4次，电池容量将在两个月后减少至75％。电池容量发展的潜在原因遵守Eveready定律。相比于微处理机技术，电池容量的发展是非常缓慢的。当前工业电池典型能量密度为150-200Wh/kg，1000次循环充电次数。这意味着任何装备有可充电电池的无源系统将承担高昂的维护经费(一般而言需每几个月维护一次)。另外，由于传感和通信的高功耗需求，完全无源的能量采集解决方案是没有可行性的。温度导致的误差温度导致的误差或许是作为隐藏的参数没有被结构体健康监测系统制造商公开。由于结构体的整体体积与温度呈正相关，温度的改变将导致明显的误差。其原因有多种，其中典型的有两类：温度影响传感器(如应变片)本身；温度影响采样设备(如数模转换器)。温度导致的误差程度常常达到由负载施加的正常应变的六倍。为了解决这样的问题，现有的系统使用温度校准在做测量补偿。然而事实证明即便使用了温度校准，应变测量错误率依然居高不下，其误差值常波动在几百微米到毫米之间。另一个重要的方面是当系统安装、修复、维护或者升级过程系统的校准工作。虽然这不是一个经费上的问题，但这些系统诊断和操作都需要专业的技术人员才能进行，否则系统的最佳状态得不到保障。从实际情况上看，射频干扰以及电磁干扰是另一种影响系统工作状态的因素。举个例子，如果将监测系统修建在靠近输电干线和GSM信号塔旁，系统将严重受到这些噪声源的影响。一般情况下，监测系统在此类环境下工作状态得不到任何保障。相比之下，基于光纤的系统有着更好的可靠性，而基于ADC的系统却会受到很大的影响。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术目的在于提供基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法，解决现有技术未能够实现完全无源，抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于能量采集的结构体健康监测系统,包括偶极子天线，用于通信和能量吸收，匹配接收射频信号；通信控制模块，接收偶极子天线匹配输出的射频信号；微带天线，用于能量吸收，匹配接收射频信号；第一能量采集模块，用于作为驱动电源，接收微带天线匹配输出的射频信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；外接传感器模块，接收第一能量采集模块输出的直流电压，输出雷达脉冲信号至传感器组并接收传感器组输出的应力传感信号；其中，所述的通信控制模块，控制所述外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号并接收所述外接传感器模块输出的反馈信号；其中，所述的偶极子天线还弹射由所述通本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于能量采集的结构体健康监测系统,其特征在于，包括偶极子天线，用于通信和能量吸收，匹配接收射频信号；通信控制模块，接收偶极子天线匹配输出的射频信号；微带天线，用于能量吸收，匹配接收射频信号；第一能量采集模块，用于作为驱动电源，接收微带天线匹配输出的射频信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；外接传感器模块，接收第一能量采集模块输出的直流电压，输出雷达脉冲信号至传感器组并接收传感器组输出的应力传感信号；其中，所述的通信控制模块，控制所述外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号并接收所述外接传感器模块输出的反馈信号；其中，所述的偶极子天线还弹射由所述通信控制模块调制的反向散射射频信号。

【技术特征摘要】
1.基于能量采集的结构体健康监测系统,其特征在于，包括偶极子天线，用于通信和能量吸收，匹配接收射频信号；通信控制模块，接收偶极子天线匹配输出的射频信号；微带天线，用于能量吸收，匹配接收射频信号；第一能量采集模块，用于作为驱动电源，接收微带天线匹配输出的射频信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；外接传感器模块，接收第一能量采集模块输出的直流电压，输出雷达脉冲信号至传感器组并接收传感器组输出的应力传感信号；其中，所述的通信控制模块，控制所述外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号并接收所述外接传感器模块输出的反馈信号；其中，所述的偶极子天线还弹射由所述通信控制模块调制的反向散射射频信号。2.根据权利要求1所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的外接传感器模块，包括主控模块，用于提供控制、通信和处理，由通信控制模块控制；雷达脉冲发生器，用于提供传感器组信号源，接收主控模块输出的第一控制信号；雷达脉冲存储电容，接收并存储雷达脉冲发生器输出的雷达脉冲信号；开关电路，接收主控模块输出的选择信号并选择地释放雷达脉冲存储电容的雷达脉冲信号至传感器组；计时模块，用于测量雷达脉冲飞行时间，接收传感器组输出的应力传感信号；高频时钟晶振，用于提供采样基准，输出高频计时基准时钟至计时模块；系统时钟晶振，用于提供工作基准，输出工作基准时钟至主控模块；通信模块，接收通信控制模块输出的第二控制信号或输出反馈信号至通信控制模块。3.根据权利要求2所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的传感器组，选用无源传感器组，无源传感器组其中包括温度传感器和应力传感器，采集结构体的温度变化信息和被动地采集经结构体回响的应力变化信息；所述的外接传感器模块，还包括温度补偿模块，温度补偿模块接收主控模块输出的简易雷达脉冲信号并且其还输出补偿脉冲信号至计时模块。4.根据权利要求1所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的通信控制模块，包括阻抗匹配模块，匹配射频信号频率；第二能量采集模块，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号；能量管理模块，接收第二能量采集模块转换输出的直流电压；时钟晶振，用于提供基准时钟，由能量管理模块供电；EPC协议执行模块，由能量管理模块供电；解调器，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号并解调输出的数字基带信号至EPC协议执行模块；调制器，接收EPC协议执行模块输出的基带信息，根据基带信息切换偶极子天线工作状态，从而将基带信息调制加载于反向散射射频信号。5.根据权利要求4所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的第一能量采集模块或第二能量采集模块，包括射频-直流转换器和电荷泵，电荷泵提升射频-直流转换器输出的直流电压的电压值；所述的能量管理模块，包括存储电容、检测存储电容电压的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁力，李松璠，
申请(专利权)人：成都布阿泽科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51