基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，步骤如下：一，搭建各传感器的结构健康监测硬件平台；二，搭建各传感器的结构健康监测软件平台；三，对各传感器的信号分类采集；四，将光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器中心频率传输到软件平台上；五，对各传感器数据进行归一化处理；六，对归一化处理后的各传感器数据，确定权重α、β和γ；七，进行划分成五个层次以确定告警的级别；通过以上步骤，实现了基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统，具备对结构进行告警的功能，告警系统结合三种传感器，相比于单一和任意两种传感器精度更高，结果更加准确，适用于对精度要求高的结构的告警。

The realization method of alarm system based on optical fiber, smart coating and piezoelectric sensor

The invention provides a method based on optical fiber, coating and intelligent piezoelectric sensor alarm system realization method comprises the steps as follows: first, build the sensor structural health monitoring hardware platform; two, build the sensor structure health monitoring software platform; three, signal classification of all sensors; four, the optical fiber sensor is measuring grid center wavelength, sensor information and intelligent coating resistance value of piezoelectric transducer center frequency transmission to the software platform; five, the sensor data are normalized; six, the sensor data normalized, determine the weight of alpha, beta and gamma; seven, divided into five levels to determine warning level; through the above steps, the alarm system, intelligent optical fiber coating and piezoelectric sensor based on the structure of the function with alarm, The alarm system combines three kinds of sensors. Compared with single and arbitrary two kinds of sensors, the accuracy is higher, the result is more accurate, and it is suitable for the alarm with high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法
本专利技术提供一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，能够对光纤、智能涂层和压电传感器的信号进行采集、传输、处理，并在此基础上对三种传感器的数据进行融合，通过对融合后的数据分析实现对结构的告警,属于结构健康监测

技术介绍
随着各领域对产品、设备可靠性的重视，结构健康监测的发展极为迅速。智能涂层传感器可实现对结构的监测，目前已在多个领域进行了使用，但其虚警率较高的问题限制了它的推广应用。压电传感器利用某些电介质受力后产生的压电效应制成，在结构健康监测领域中，压电传感器以其频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点得到了广泛的应用。光纤传感器可对关键部位进行实时的区域应力应变与损伤监测，并且具有质量轻，抗腐蚀性和抗干扰性好，可实现单根光纤上的多点监测，监测精度高等优点。在结构健康监测系统中，需要在结构出现裂纹时进行告警，但现有技术多基于单一的智能涂层传感器，虚警率较高，难以准确的实现对结构的告警。基于以上现状和问题，本专利技术通过光纤、智能涂层和压电传感器对结构进行综合监测，以充分发挥各自优势，对复杂结构损伤进行有效告警，提出一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法。
技术实现思路
(一)本专利技术的目的是：本专利技术的目的是实现基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，能够对光纤、智能涂层和压电传感器的信号进行采集、传输、处理，在此基础上通过数据融合，实现对结构的告警。(二)其具体技术方案如下：本专利技术一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，通过以下步骤来实现：步骤一，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台，确定硬件平台所使用的开发板、编程语言和处理器，对各传感器数据进行采集；步骤二，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测软件平台，基于微软C/C++编译器(即MicroSoftVisualC/C++，以下简称VC)和微软基础类库(即MicrosoftFoundationClasses，简称MFC)建立对话框工程；步骤三，利用光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台对各传感器的信号分类采集；创建时钟TIME_F、TIME_T和TIME_D，时钟TIME_F用来控制光纤传感器的数据采集，时钟TIME_T用来控制智能涂层传感器的数据采集，时钟TIME_D用来控制压电传感器的数据采集；步骤四，将硬件平台作为客户端，软件平台作为服务器端，通过网络通信协议(即TCP/IP协议)进行连接；在服务器和客户端建立连接之后，将光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率传输到软件平台上；步骤五，对光纤、智能涂层和压电传感器数据进行归一化处理：即将有量纲的传感器数据，经过变换，化为无量纲的数据，使其成为标量，从而将传感器数值的绝对值变成某种相对值关系，简化计算，缩小量值；步骤六，将告警的指标设为ξ，光纤传感器归一化后的数据设为X1，光纤传感器的数据权重设为α，智能涂层传感器归一化后的数据设为X2，智能涂层传感器的数据权重设为β，压电传感器归一化后的数据设为X3，压电传感器的数据权重设为γ，则ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3对归一化处理后的光纤、智能涂层和压电传感器数据，确定权重α、β和γ，本专利技术中利用熵权-层次分析法确定权重，熵权-层次分析法将熵权和层次分析两种方法得到的指标权重通过改进的最小偏差法集成而得到的一组新的指标权重，相当于综合了主、客观指标权重，使所得到的权重更加有参考性和代表性；步骤七，将光纤、智能涂层和压电传感器的数据和权重代入公式：ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3得到告警指标值ξ，并对其进行划分成五个层次以确定告警的级别，其中一级告警为最严重的警告，表明裂纹有很大概率已经产生；五级为最轻微的告警，表面监测的结构状态健康，并在软件平台中对当前结构各位置的告警情况进行显示。其中，在步骤一中所述的“搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台，确定硬件平台所使用的开发板、编程语言和处理器，对各传感器数据进行采集”，其作法如下：是指使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用基于现场可编程门阵列(即Field－ProgrammableGateArray,以下简称FPGA)和ARM(即AcornRISCMachine)处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado2015.4”的开发软件进行开发；具体作法为：在计算机上安装Vivado软件，使用verilog语言，新建名为“FAC”的工程，利用FPGA和ARM结合的硬件平台和采集芯片AD9244，对传感器的信号进行采集。其中，在步骤二中所述的“搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测软件平台，基于微软C/C++编译器6.0版本(即VC++6.0)和微软基础类库MicrosoftFoundationClasses(简称MFC)建立对话框工程”；其作法如下：在计算机上安装VC++6.0，新建名为“FAC”的工程，使用MFC设计开发软件平台；使用MFC设计开发软件平台的具体作法如下：打开创建的“Fiber”的工程，选择MFC库，定义变量和函数，利用并行结构完成软件平台的搭建。其中，在步骤三中所述的“利用光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台对各传感器的信号分类采集，创建时钟TIME_F、TIME_T和TIME_D，时钟TIME_F用来控制光纤传感器的数据采集，时钟TIME_T用来控制智能涂层传感器的数据采集，时钟TIME_D用来控制压电传感器的数据采集”，其作法如下：利用设置的TIME_F、TIME_T和TIME_D，每隔一定时间(时钟周期)对光纤、智能涂层和压电传感器的数据，利用采集芯片AD9244重复采集，使三种传感器数据的采集相互独立；具体作法如下：将时钟TIME_F设置为5毫秒，将时钟TIME_T的设置为10毫秒，将时钟TIME_D设置为15毫秒，则每隔5毫秒对光纤传感器的数据进行采集，每隔10毫秒对智能涂层传感器的数据进行采集，每隔15毫秒对压电传感器的数据进行采集，利用采集芯片AD9244重复采集的过程，且三种传感器的数据采集相互独立。其中，在步骤四中所述的“将光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率传输到软件平台上”，是指硬件平台作为客户端，软件平台作为服务器端，在开启服务器之后创建端口(即Socket),与客服端连接成功之后，将处理好的光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率，通过TCP/IP协议网络通信，传输到软件平台上；其作法如下：软件平台开启服务器，在开启服务器之后创建Socket，与硬件平台进行连接，若连接失败则重新开启服务器，若连接成功，硬件平台发送光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率，同时软件平台进行接收。其中，在步骤五中所述的“对光纤、智能涂层和压电传感器数据进行归一化处理：即将有量纲的传感器数据，经过变换，化为无量纲的数据，使其成为标量，从而将传感器数值的绝对值变成某种相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，其特征在于：通过以下步骤来实现：步骤一，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台，确定硬件平台所使用的开发板、编程语言和处理器，对各传感器数据进行采集；步骤二，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测软件平台，基于微软C/C++编译器即VC和微软基础类库即MFC建立对话框工程；步骤三，利用光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台对各传感器的信号分类采集；创建时钟TIME_F、TIME_T和TIME_D，时钟TIME_F用来控制光纤传感器的数据采集，时钟TIME_T用来控制智能涂层传感器的数据采集，时钟TIME_D用来控制压电传感器的数据采集；步骤四，将硬件平台作为客户端，软件平台作为服务器端，通过网络通信协议即TCP/IP协议进行连接；在服务器和客户端建立连接之后，将光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率传输到软件平台上；步骤五，对光纤、智能涂层和压电传感器数据进行归一化处理：即将有量纲的传感器数据，经过变换，化为无量纲的数据，使其成为标量，从而将传感器数值的绝对值变成一相对值关系，简化计算，缩小量值；步骤六，将告警的指标设为ξ，光纤传感器归一化后的数据设为X1，光纤传感器的数据权重设为α，智能涂层传感器归一化后的数据设为X2，智能涂层传感器的数据权重设为β，压电传感器归一化后的数据设为X3，压电传感器的数据权重设为γ，则ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3对归一化处理后的光纤、智能涂层和压电传感器数据，确定权重α、β和γ，本专利技术中利用熵权‑层次分析法确定权重，熵权‑层次分析法将熵权和层次分析两种方法得到的指标权重通过改进的最小偏差法集成而得到的一组新的指标权重，相当于综合了主、客观指标权重，使所得到的权重更加有参考性和代表性；步骤七，将光纤、智能涂层和压电传感器的数据和权重代入公式：ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3得到告警指标值ξ，并对其进行划分成五个层次以确定告警的级别，其中一级告警为最严重的警告，表明裂纹有很大概率已经产生；五级为最轻微的告警，表面监测的结构状态健康，并在软件平台中对当前结构各位置的告警情况进行显示；通过以上步骤，本专利技术实现了基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统，具备对结构进行告警的功能，告警系统结合三种传感器，相比于单一和任意两种传感器精度更高，结果更加准确，适用于对精度要求高的结构的告警。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，其特征在于：通过以下步骤来实现：步骤一，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台，确定硬件平台所使用的开发板、编程语言和处理器，对各传感器数据进行采集；步骤二，搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测软件平台，基于微软C/C++编译器即VC和微软基础类库即MFC建立对话框工程；步骤三，利用光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台对各传感器的信号分类采集；创建时钟TIME_F、TIME_T和TIME_D，时钟TIME_F用来控制光纤传感器的数据采集，时钟TIME_T用来控制智能涂层传感器的数据采集，时钟TIME_D用来控制压电传感器的数据采集；步骤四，将硬件平台作为客户端，软件平台作为服务器端，通过网络通信协议即TCP/IP协议进行连接；在服务器和客户端建立连接之后，将光纤传感器被测栅点的中心波长、智能涂层传感器电阻值信息和压电传感器的中心频率传输到软件平台上；步骤五，对光纤、智能涂层和压电传感器数据进行归一化处理：即将有量纲的传感器数据，经过变换，化为无量纲的数据，使其成为标量，从而将传感器数值的绝对值变成一相对值关系，简化计算，缩小量值；步骤六，将告警的指标设为ξ，光纤传感器归一化后的数据设为X1，光纤传感器的数据权重设为α，智能涂层传感器归一化后的数据设为X2，智能涂层传感器的数据权重设为β，压电传感器归一化后的数据设为X3，压电传感器的数据权重设为γ，则ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3对归一化处理后的光纤、智能涂层和压电传感器数据，确定权重α、β和γ，本发明中利用熵权-层次分析法确定权重，熵权-层次分析法将熵权和层次分析两种方法得到的指标权重通过改进的最小偏差法集成而得到的一组新的指标权重，相当于综合了主、客观指标权重，使所得到的权重更加有参考性和代表性；步骤七，将光纤、智能涂层和压电传感器的数据和权重代入公式：ξ＝α·X1+β·X2+γ·X3得到告警指标值ξ，并对其进行划分成五个层次以确定告警的级别，其中一级告警为最严重的警告，表明裂纹有很大概率已经产生；五级为最轻微的告警，表面监测的结构状态健康，并在软件平台中对当前结构各位置的告警情况进行显示；通过以上步骤，本发明实现了基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统，具备对结构进行告警的功能，告警系统结合三种传感器，相比于单一和任意两种传感器精度更高，结果更加准确，适用于对精度要求高的结构的告警。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，其特征在于：在步骤一中所述的“搭建光纤、智能涂层和压电传感器的结构健康监测硬件平台，确定硬件平台所使用的开发板、编程语言和处理器，对各传感器数据进行采集”，其作法如下：是指使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702，该集成开发板采用基于现场可编程门阵列即FPGA和ARM处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado2015.4”的开发软件进行开发；具体作法为：在计算机上安装Vivado软件，使用verilog语言，新建名为“FAC”的工程，利用FPGA和ARM结合的硬件平台和采集芯片AD9244，对传感器的信号进行采集。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤、智能涂层和压电传感器的告警系统的实现方法，其特征在于：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫方，李英武，高晓岩，任飞飞，刘雪蓉，张景玉，王翔宇，张萌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11