摘要:在吸取國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以計(jì)算機(jī)為主體,利用虛擬儀器技術(shù),以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),通過(guò)開(kāi)發(fā)不同的測(cè)試分析軟件模塊,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)通信,信號(hào)處理分析,聲發(fā)射檢測(cè),損傷定位和報(bào)警處理等功能

　　關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)健康檢測(cè);無(wú)線傳感;OPCM;AE　　1系統(tǒng)的檢測(cè)原理　　無(wú)線AE測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線傳感技術(shù)與Labview技術(shù)。主要由無(wú)線AE檢測(cè)節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)),無(wú)線AE檢測(cè)基站(簡(jiǎn)稱基站)與PC機(jī)組成,如圖1所示。無(wú)線AE測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)以便在未來(lái)替換和更新時(shí)達(dá)到最大的適應(yīng)性,降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本,能使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方便升級(jí)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?！　?無(wú)線AE測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊　　無(wú)線AE測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由無(wú)線AE檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線AE檢測(cè)基站組成?；酒鹬?jié)點(diǎn)與PC機(jī)間的橋梁作用,它負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳送的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過(guò)基站的通信接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和永久性存儲(chǔ)。　　2.1無(wú)線AE檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)　　無(wú)線AE檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)設(shè)計(jì)中的亮點(diǎn),模塊化設(shè)計(jì)使節(jié)點(diǎn)更新方便,降低系統(tǒng)未來(lái)升級(jí)的成本。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,包括傳感器單元、處理器單元、無(wú)線通信單元及電源供應(yīng)四大部分?！　?.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(OrthotropicPiezoelectricCompositeMaterials,簡(jiǎn)稱OPCM)傳感元件除了具有普通壓電復(fù)合材料柔韌性好、強(qiáng)度高、應(yīng)變大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)外,還具有平面橫觀各向異性的特點(diǎn),可以區(qū)分平面結(jié)構(gòu)中的各個(gè)應(yīng)力波分量,從而使其應(yīng)用于AE檢測(cè)中比普通的壓電傳感元件更有效。OPCM輸入阻抗高,電荷信號(hào)微弱,須通過(guò)前置放大器放大信號(hào),將其高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。系統(tǒng)選用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)阻抗變換和放大處理。通過(guò)性能試驗(yàn)證明,傳感元件輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(diǎn)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(shè)計(jì)階段可由計(jì)算機(jī)直接編程,投入使用后也可通過(guò)基站進(jìn)行程序的升級(jí)。微處理器選用Microchip公司的PIC18F4620。該單片機(jī)是面向高端應(yīng)用的增強(qiáng)型16bit指令字長(zhǎng)的單片機(jī),具有豐富的擴(kuò)展接口:通用IO,4種不同功能的計(jì)數(shù)器,捕捉比較PWM模塊,同步串口,CAN模塊,電壓比較器,10bitADC。將它作為無(wú)線傳感器的處理單元,可對(duì)傳感器板輸出的模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和預(yù)處理?！　?.1.3無(wú)線通信單元　　無(wú)線通信單元用來(lái)將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī),這里采用CC2420為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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SmartRF03技術(shù),以0.18umCMOS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(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)?！　?.1.4無(wú)線AE測(cè)試節(jié)點(diǎn)的制成　　設(shè)計(jì)時(shí)將傳感器單元、處理器單元與無(wú)線通信單元經(jīng)過(guò)連接器連接,由電源供應(yīng)能量,組成無(wú)線AE測(cè)試節(jié)點(diǎn)。最終制成的節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)。信號(hào)從傳感器板匯集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后再傳送給處理器單元,處理器單元將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理傳給基站,由基站來(lái)決定如何開(kāi)始相應(yīng)的動(dòng)作?！　?.2采集模塊軟件原理與設(shè)計(jì)　　無(wú)線AE測(cè)試節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程。主應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器的控制和操作。由于采用ZigBee技術(shù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功率低,并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài),當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒,因此基于ZigBee無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器軟件,可以極大地降低功耗。　　依據(jù)ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架內(nèi)容,無(wú)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(gè)控制單片機(jī)和無(wú)線通信單元運(yùn)行的主應(yīng)用程序。主應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線傳感器的控制和操作。在工作狀態(tài)時(shí),壓電陶瓷的變化信號(hào)通過(guò)前置調(diào)理放大電路后變成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓信號(hào),通過(guò)微處理單元本身帶有的AD通道,將模擬信號(hào)采集進(jìn)來(lái)并轉(zhuǎn)換成10位數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元內(nèi),經(jīng)過(guò)循環(huán)采集和AD轉(zhuǎn)換后將所有數(shù)據(jù)打包,通過(guò)無(wú)線通信單元發(fā)送給基站。程序流程圖如圖4所示?！　?無(wú)線AE測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理模塊　　有了負(fù)責(zé)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(gè)人機(jī)交互的系統(tǒng)軟件平臺(tái),用來(lái)與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,接收來(lái)自基站的數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中,并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè),報(bào)警等功能。使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更完善,使用更方便。