基于智能无线传感网络的结构强度测试系统及其可视化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，包括监控终端、布置在待测试结构中的强度测试传感器阵列，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线传感网络传输，依次经无线路由节点、无线基站节点传输至监控终端。同时涉及该系统进行通信和数据采集、可视化的方法。克服了现有结构强度试验系统引线复杂、附加重量大，智能化、网络化程度不高等问题，能够有效地减少静力／疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度，实现结构试验数据的实时、同步的采集、传输、显示和存储，并具有智能化、高效率和低费用的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结构强度测试系统，尤其涉及一种基于智能无线传感网络技 术的结构强度多点测试系统，同时涉及对该系统进行可视化的方法。二、
技术介绍
结构强度试验是研究工程结构强度的重要手段。结构的静力/疲劳实验通过 有计划地对结构受载后的性能进行观测和对测量参数如压力、位移、振幅、振频、 疲劳寿命等进行分析，对结构的工作性能和承载能力做出正确的评价和估计，并 为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。以飞机结构为例，机身结构疲劳、 腐蚀和磨损是引起飞机事故的三种主要模式。据国外资料统计，飞机由结构引发 的故障，80%以上是由疲劳失效引起的。因此，结构强度试验对于提高工程结构 的安全性、延长结构寿命、降低结构维护费用具有重要的意义。目前针对航空结构和其他大型工程结构的静力/疲劳实验普遍存在测量点 多、规模大等特点，如一次全机结构静力/疲劳试验往往需要几百甚至几千个测 试点和传感器布置，因此造成了引线复杂、测试设备附加重量大等问题；此外， 试验系统整体的智能化、网络化程度不高，使得静力疲劳试验的测试及其维护效 率不高，测量精度有待改进，费用有待降低，因此迫切需要降低附加重量、提高 系统运行速度及精度的有效方法。智能无线传感网络是由大量依据特定的通讯协议，可进行相互通信的智能无 线传感器节点组成的网络。这些智能传感器节点包含了传感、计算和通信模块， 能够互相协同自组织形成网络，并且通过特定的网络技术将采集的信息进行处理 与融合后发送给用户。智能无线传感网络技术的发展主要得益于当前的微机械系 统、无线通信技术和数字电子技术的发展。这些技术的进展使得低成本、低功耗、 多功能、小尺寸的传感器节点的开发及其网络协议的实现成为可能。智能无线传感网络为实现高效率、高精度、低重量、智能化的结构静力/疲 劳试验系统提供了很好的手段。采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量， 从而大大降低由于增加测试系统所导致的结构重量的增加；无线传感器可方便地 安装于结构形状比较复杂，不fi!于引线的部位；由于无线传感器网络节点具有局 域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减 少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统， 变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高试验测试系统的运行速度及决 策的可靠性和灵活性。目前没有能够满足结构强度试验测试系统实时、同步和多测试点智能监测要 求的无线传感网络技术的相关专利。本专利技术将智能无线传感网络用于大型工程结构的静力/疲劳试验，克服了目前试验测试系统引线复杂、附加重量大，智能化、 网络化程度不高等问题，提供了一种基于智能无线传感网络的结构强度多点测试 系统，能够有效地减少静力/疲劳试验系统中的引线数量、提高测试精度，实现 结构试验数据的实时、同步的采集、传输、显示和存储，具有智能化、高效率和 低费用的特点，可同时监测多达65535个网络节点。三、
技术实现思路
1、 技术问题本专利技术要解决的问题是提供一种基于智能无线传感网络的结 构强度多点测试系统，该系统不需要事先布置网络基础设施，满足多点、实时和 同步的测试要求，测试过程完全由用户控制，并同步配合结构加载系统使用。同 时提供该测试系统在应用中进行可视化的方法。2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本专利技术的基于智能无线传感网络的结构强度多点测试系统包括监控终端和布置在待测试结构中的强度测试传感 器阵列，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线 传感终端节点采集传感器阵列经外界结构强度试验加载系统驱动而产生的结构 响应信号并依次经无线路由节点和无线基站节点传输至监控终端。所述的无线传感终端节点包括无线应变、位移传感终端节点和无线加速度传 感终端节点。无线传感终端节点与充当协调器的无线路由节点以星型拓扑结构组成同步 簇，同步簇与无线路由节点、无线基站节点和监控终端构成低延时星簇型无线试验网络；采用基于时隙的免冲突载波多路接入方式的网络通信协议，通过信标方 式和保证时隙完成低延时星簇型无线试验网络中星型簇的时间同步。无线传感终端节点、无线路由节点、无线基站节点和监控终端共同组成的低 延时星簇型无线试验网络即Low-latency Cluster-star Wireless Testing Network,简 称为LCWTN;监控终端与结构强度试验加载系统同步并由结构强度试验加载系 统启动；无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响 应输出并通过无线网络传输至监控终端；实践中，待测试结构体积很大，需要被划分为至少两个测试结构单元，每个 测试结构单元对应的一组无线传感终端节点和单一的协调器节点以星型拓扑结构组成一个同步簇，所有的监测结构对应的网络簇、无线路由节点、无线基站节 点和监控终端构成低延时星簇型试验网络；其中，传感器阵列由设置在待监测结构中的温度、加速度、应力、应变和位 移等传感器组成；所述的无线应变传感终端节点包括低功耗应变、位移信号调零放大模块、多路信号扫査与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元，低功耗 应变、位移信号调零放大模块、多路信号扫査与ADC模块、微处理单元、无线 通信单元和电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯；无线应变、位移传感终端节点属于低速传感器，应变、位移信号调零放大模 块部分通过精密电源供电的桥路将应变和位移转换为电压信号输出，经过桥路调 零放大输出到多路扫査与ADC模块；所述的无线加速度传感终端节点包括低功耗加速度信号电荷放大模块、多路 信号扫査与ADC模块、微处理单元、无线通信单元和电源管理单元，低功耗加 速度信号电荷放大模块、多路信号扫査与ADC模块、微处理单元、无线通信单 元和电源管理单元通过内部总线相互连接进行通讯。无线加速度传感终端节点属于高速传感器，对加速度信号的处理采用高速电 荷放大器。高精度加速度传感器基于压电效应， 一般工作在高频状态(几百千赫 兹以上)，因此其信号调理部分主要由微型高速电荷放大器组成，将加速度传感 器的电荷输出转化为电压量；在其高频工作状态下，由于电磁耦合效益，容易造 成微型加速度节点上密集布置的电路之间发生相互干扰耦合，造成监测信号的畸 变，因此本专利技术采用高速放大器芯片和多层板抗干扰设计，使得高速加速度传感 节点的频带达到为1.6KHz—5.3MHz。各无线传感终端节点中，微处理单元由单一的微控制器、存储器及其外围电 路模块组成，用于分时处理操作请求和通信协议，微控制器、存储器及其外围电 路模块均采用现有的低功耗集成芯片设计。无线通信单元由低功耗无线收发模块 组成，根据系统任务状态实现全功能、简化功能和低功耗模式的快速转换，本发 明采用Zigbee技术，基于标准的IEEE 802.15.4协议设计无线通信模块，采用现 有的支持Zigbee标准的芯片设计。此外，各无线终端传感节点由电池供电，由 电源管理模块负责监测电池电压和低功耗模式管理等，采用现有的低功耗电源管 理模块芯片设计。无线路由节点包括无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元和无线路由 电源管理单元，无线路由微处理单元、无线路由无线通信单元通过无线路由内部 总线相互连接进行通讯。无线路由节点实现传感数据融本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能无线传感网络的结构强度测试系统，包括监控终端、布置在待测试结构中的强度测试传感器阵列，其特征在于，还包括无线传感终端节点、无线路由节点和无线基站节点，其中，无线传感终端节点采集每个加载级别下的强度测试传感器阵列的结构响应输出并通过无线传感网络传输，依次经无线路由节点、无线基站节点传输至监控终端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，吴键，尚盈，丁建伟，李耀曾，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]