設計實現(xiàn)土木工程結構無線AE測試系統(tǒng)方案

　　關鍵詞:結構健康檢測;無線傳感;OPCM;AE

　　1 系統(tǒng)的檢測原理

　　無線AE測試系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)基于無線傳感技術與Labview技術。主要由無線AE檢測節(jié)點(簡稱節(jié)點),無線AE檢測基站(簡稱基站)與PC機組成,如圖1所示。無線AE測試系統(tǒng)采用模塊化設計以便在未來替換和更新時達到最大的適應性,降低系統(tǒng)開發(fā)成本,能使結構健康監(jiān)測系統(tǒng)方便升級以至完善。系統(tǒng)按功能劃分模塊又可以分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大部分。

　　2 無線AE測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊

　　無線AE 測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由無線AE檢測節(jié)點和無線AE檢測基站組成�；�站起著節(jié)點與PC機間的橋梁作用,它負責接收節(jié)點無線傳送的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過基站的通信接口傳送給計算機進行分析和永久性存儲。

　　2.1 無線AE檢測節(jié)點設計

　　無線AE 檢測節(jié)點是整個設計中的亮點,模塊化設計使節(jié)點更新方便,降低系統(tǒng)未來升級的成本。其硬件結構圖如圖2所示,包括傳感器單元、處理器單元、無線通信單元及電源供應四大部分。

　　2.1.1 傳感器單元

　　傳感器單元包括OPCM傳感元件與前置放大電路。OPCM(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,簡稱OPCM)傳感元件除了具有普通壓電復合材料柔韌性好、強度高、極限應變大、重量輕等優(yōu)點外,還具有平面橫觀各向異性的特點,可以區(qū)分平面結構中的各個應力波分量,從而使其應用于AE檢測中比普通的壓電傳感元件更有效。OPCM輸入阻抗高,電荷信號微弱,須通過前置放大器放大信號,將其高輸出阻抗轉換為低阻抗輸出。系統(tǒng)選用高輸入阻抗的運算放大器實現(xiàn)阻抗變換和放大處理。通過性能試驗證明,傳感元件輸出信號經(jīng)過前置電路調(diào)理后幅值明顯放大,且放大倍數(shù)與理論吻合,信號頻率成分保持不變。

　　2.1.2 處理器單元

　　處理器單元是傳感器節(jié)點的主單元,包括數(shù)據(jù)采集,處理元件,是系統(tǒng)中最為重要的模塊,在設計階段可由計算機直接編程,投入使用后也可通過基站進行程序的升級。微處理器選用Microchip公司的PIC18F4620。該單片機是面向高端應用的增強型16bit指令字長的單片機,具有豐富的擴展接口:通用I/O,4種不同功能的計數(shù)器,捕捉/比較/PWM模塊,同步串口,CAN模塊,電壓比較器,10bit ADC。將它作為無線傳感器的處理單元,可對傳感器板輸出的模擬或數(shù)字信號進行采集和預處理。

　　2.1.3 無線通信單元

　　無線通信單元用來將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過無線通信的方式傳輸?shù)接嬎銠C,這里采用CC2420為核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能,是一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司SmartRF 03技術,以0.18um CMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

　　2.1.4 無線AE測試節(jié)點的制成

　　設計時將傳感器單元、處理器單元與無線通信單元經(jīng)過連接器連接,由電源供應能量,組成無線AE測試節(jié)點。最終制成的節(jié)點外形只有36×20mm,功耗低至30mW。如圖3所示為制成的傳感器單元、處理器單元和整個節(jié)點。信號從傳感器板匯集并轉換為電信號,然后再傳送給處理器單元,處理器單元將電信號轉化為數(shù)字信號,然后進行數(shù)據(jù)處理傳給基站,由基站來決定如何開始相應的動作。

　　2.2 采集模塊軟件原理與設計

　　無線AE測試節(jié)點的軟件設計采用C語言編程。主應用程序負責對整個無線傳感器的控制和操作。由于采用ZigBee技術的節(jié)點設備工作周期較短、收發(fā)信息功率低,并且當節(jié)點不傳送數(shù)據(jù)時處于休眠狀態(tài),當需要接收數(shù)據(jù)時由協(xié)調(diào)器設備負責喚醒,因此基于ZigBee無線通信協(xié)議設計無線傳感器軟件,可以極大地降低功耗。

　　依據(jù)ZigBee協(xié)議棧構架內(nèi)容,無線傳感器軟件程序不僅需要必須包含一組ZigBee協(xié)議棧源文件,還要有一個控制單片機和無線通信單元運行的主應用程序。主應用程序負責對無線傳感器的控制和操作。在工作狀態(tài)時,壓電陶瓷的變化信號通過前置調(diào)理放大電路后變成標準的模擬電壓信號,通過微處理單元本身帶有的A/D通道,將模擬信號采集進來并轉換成10位數(shù)字信號并存儲在微處理器的數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi),經(jīng)過循環(huán)采集和AD轉換后將所有數(shù)據(jù)打包,通過無線通信單元發(fā)送給基站。程序流程圖如圖4所示。

　　3 無線AE測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理模塊

　　有了負責數(shù)據(jù)采集和通信的數(shù)據(jù)采集模塊,系統(tǒng)還需要有一個人機交互的系統(tǒng)軟件平臺,用來與無線傳感器節(jié)點進行實時通信,接收來自基站的數(shù)據(jù),存儲到計算機中,并對原始數(shù)據(jù)進行分析和處理,實現(xiàn)損傷檢測,報警等功能。使結構健康監(jiān)測系統(tǒng)更完善,使用更方便。