基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有技術(shù)未能夠?qū)崿F(xiàn)完全無源，抗干擾能力差且成本高昂等技術(shù)問題。本發(fā)明主要包括感知模塊和通信模塊；用于雷達(dá)測量的感知模塊由雷達(dá)脈沖發(fā)生器、脈沖存儲電容、開關(guān)電路、無源傳感器組和計時模塊組成。本發(fā)明用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測。
【專利說明】
基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)定義為對工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測和特性描述。這是一個近20年來新興的概念。其主要專注的領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施的健康狀況，包括建筑物、橋梁、隧道以及航空工業(yè)。此外在水下管道系統(tǒng)(油管、光纖等)、高速公路、機(jī)械、醫(yī)療和電路板方面也有相關(guān)應(yīng)用。
[0003]2007年，美國，1-35公路橋梁由于超負(fù)荷而坍塌;2009年，德國，城市歷史檔案館由于地基形變坍塌;這兩個案例都是由于缺乏結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測而導(dǎo)致的基礎(chǔ)設(shè)施坍塌。其中的建筑物和橋梁分別由于地基形變和過度形變而導(dǎo)致的坍塌。美國克里夫蘭的一架已經(jīng)使用了 50年的舊高速公路橋梁。該座橋梁在2009年被診斷出主鋼筋損壞以及過度形變。之后，在2014年這座橋梁被拆除并重建。
[0004]傳感器典型的感知參數(shù)(測量參數(shù))有應(yīng)變、壓力、溫度、傾斜率、濕度、腐蝕、振動、壓強(qiáng)和水平程度。這些參數(shù)通過各式傳感器采集得來，包括:風(fēng)速計、加速度計、動態(tài)和靜態(tài)應(yīng)變片、位移傳感器、溫度傳感器、全球定位系統(tǒng)、水平傳感器、動態(tài)稱重設(shè)備、氣壓計、雨量計、濕度計、腐蝕傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和電磁傳感器。
[0005]目前，由于高昂的成本開銷，結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)僅僅應(yīng)用在一些至關(guān)重要的大型橋梁和重要的摩天大樓上。在眾多橋梁中以香港昂船洲大橋為例，這座大橋上安裝有風(fēng)力和結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，是世界上最昂貴的數(shù)字化橋梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔為例。香港昂船洲大橋上總共安裝有1723個監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)。其中有82%(1416個)的傳感器是應(yīng)變片和溫度傳感器。另一方面，安裝在哈利法塔上428個應(yīng)變片。對于此類至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)體來說，安裝全面健康監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的高成本是可以接受的；而對于其它大部分橋梁和建筑物，時常首先選擇定制的系統(tǒng)。這種定制的系統(tǒng)僅監(jiān)測部分結(jié)構(gòu)體參數(shù)，從而降低了成本。中國的一部分橋梁使用改造的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，使其能夠在技術(shù)上使用混合拓?fù)?，比如，通?光纖，有線，或無線；能源:電力線，電池，或能量采集；傳感器類型:主動式，或被動式(無源)。
[0006]美國橋梁健康診斷的案例。結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測的重要性可以通過下面這個例子體現(xiàn)出來。從1990年開始，美國各地交通管理局要求以半年為周期目視檢查全部576,000個高速橋梁。這樣的檢測能夠發(fā)現(xiàn)橋梁的毫米級形變，從而召回維修部分結(jié)構(gòu)體已老化的橋梁。這樣的統(tǒng)計顯示:
[0007]1990年初期:美國將近35%的橋梁(236,000座)在結(jié)構(gòu)上或功能上有缺陷；
[0008]2006年:超過149，000座橋梁在結(jié)構(gòu)上有缺陷；
[0009]2012年:差不多25%的橋梁有缺陷。
[0010]值得強(qiáng)調(diào)的是，在監(jiān)測系統(tǒng)中感知的主要工作量集中在應(yīng)變測量和溫度測量上。橋梁損毀的主要原因是超載(常由重型卡車導(dǎo)致)，強(qiáng)風(fēng)和地震。這需要周期性的監(jiān)測由這些原因所導(dǎo)致的橋梁形變。高速公路橋梁的案例中，對橋梁形變程度測量的重要性是顯而易見的一一僅通過目視應(yīng)變檢查就能預(yù)測橋梁損害的程度。應(yīng)變測量在評估建筑物沉降和傾斜狀況方面也是至關(guān)重要的，尤其在施工階段。
[0011]如果結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測在結(jié)構(gòu)診斷中是極其重要的，并且在當(dāng)前市場中也是現(xiàn)成的，那么問題是為什么周圍重要的基礎(chǔ)設(shè)施中并沒有這樣的系統(tǒng)?在這里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系統(tǒng)的高功耗和高維護(hù)的開銷，尤其是在電池供電或太陽能供電的案例系統(tǒng)中。系統(tǒng)精度漂移(尤其受溫度的影響)依然是一個無法忽略的因素。
[0012]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，感知參數(shù)的數(shù)量等等。每個傳感器成本(costper sensor)是評估一個監(jiān)測系統(tǒng)成本的很好的判斷依據(jù)。圖1所示為4座橋梁的成本對比，在這些橋梁里使用了光纖和無線監(jiān)測技術(shù)。昂貴的成本是全自動結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)只安裝在少量重要橋梁的原因。中國橋梁估計成本大概在一到兩百萬美元。在安裝有自動化監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁里，每個傳感器的成本大概在5000美元左右。
[0013]功耗(電池壽命)限制隨著近年來嵌入式無線傳感系統(tǒng)的發(fā)展，似乎實(shí)現(xiàn)一個高信價比的無線結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)無疑是近在眼前的。協(xié)同能源采集技術(shù)(太陽能或振動能量)能實(shí)現(xiàn)全自動解決方案。為了更好的去權(quán)衡成本與系統(tǒng)之間的關(guān)系，研究了一些當(dāng)前已部署的無線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。
[0014]以韓國的珍島大橋(344米長)為例，在這座大橋上安裝有113個節(jié)點(diǎn)(除開基站和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))，其中105個節(jié)點(diǎn)使用電池供電，額外8個節(jié)點(diǎn)使用太陽能充電電池供電。這些傳感節(jié)點(diǎn)用來測量橋梁加速度、應(yīng)變、溫濕度和風(fēng)速。每個傳感器的成本是500美元。該系統(tǒng)中主要的限制為兩方面:I)通信時間。由于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)沖突，從46個傳感器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)需要近30分鐘。2)電池壽命。節(jié)點(diǎn)裝備有大容量20 ,OOOmAh電池。若節(jié)點(diǎn)每天只采集數(shù)據(jù)4次，電池容量將在兩個月后減少至75%。電池容量發(fā)展的潛在原因遵守Eveready定律。相比于微處理機(jī)技術(shù)，電池容量的發(fā)展是非常緩慢的。當(dāng)前工業(yè)電池典型能量密度為150-200Wh/kg，1000次循環(huán)充電次數(shù)。這意味著任何裝備有可充電電池的無源系統(tǒng)將承擔(dān)高昂的維護(hù)經(jīng)費(fèi)(一般而言需每幾個月維護(hù)一次)。另外，由于傳感和通信的高功耗需求，完全無源的能量采集解決方案是沒有可行性的。
[0015]溫度導(dǎo)致的誤差溫度導(dǎo)致的誤差或許是作為隱藏的參數(shù)沒有被結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)制造商公開。由于結(jié)構(gòu)體的整體體積與溫度呈正相關(guān)，溫度的改變將導(dǎo)致明顯的誤差。其原因有多種，其中典型的有兩類:溫度影響傳感器(如應(yīng)變片)本身;溫度影響采樣設(shè)備(如數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。溫度導(dǎo)致的誤差程度常常達(dá)到由負(fù)載施加的正常應(yīng)變的六倍。為了解決這樣的問題，現(xiàn)有的系統(tǒng)使用溫度校準(zhǔn)在做測量補(bǔ)償。然而事實(shí)證明即便使用了溫度校準(zhǔn)，應(yīng)變測量錯誤率依然居高不下，其誤差值常波動在幾百微米到毫米之間。
[0016]另一個重要的方面是當(dāng)系統(tǒng)安裝、修復(fù)、維護(hù)或者升級過程系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。雖然這不是一個經(jīng)費(fèi)上的問題，但這些系統(tǒng)診斷和操作都需要專業(yè)的技術(shù)人員才能進(jìn)行，否則系統(tǒng)的最佳狀態(tài)得不到保障。
[0017]從實(shí)際情況上看，射頻干擾以及電磁干擾是另一種影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的因素。舉個例子，如果將監(jiān)測系統(tǒng)修建在靠近輸電干線和GSM信號塔旁，系統(tǒng)將嚴(yán)重受到這些噪聲源的影響。一般情況下，監(jiān)測系統(tǒng)在此類環(huán)境下工作狀態(tài)得不到任何保障。相比之下，基于光纖的系統(tǒng)有著更好的可靠性，而基于ADC的系統(tǒng)卻會受到很大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，解決現(xiàn)有技術(shù)未能夠?qū)崿F(xiàn)完全無源，抗干擾能力差且成本高昂等技術(shù)問題。
[0019]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0020]基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括偶極子天線，用于通信和能量吸收，匹配接收射頻信號;通信控制模塊，接收偶極子天線匹配輸出的射頻信號;微帶天線，用于能量吸收，匹配接收射頻信號；第一能量采集模塊，用于作為驅(qū)動電源，接收微帶天線匹配輸出的射頻信號；傳感器組，用于采集結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化信息；外接傳感器模塊，接收第一能量采集模塊輸出的直流電壓，輸出雷達(dá)脈沖信號至傳感器組并接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號;其中，所述的通信控制模塊，控制所述外接傳感器模塊選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號并接收所述外接傳感器模塊輸出的反饋信號；其中，所述的偶極子天線還彈射由所述通信控制模塊調(diào)制的反向散射射頻信號。通信控制模塊顧名思義:有通信和控制兩個功能;通信是指模塊與閱讀器之間的通信;控制是指模塊與傳感器之間的數(shù)據(jù)交換。本質(zhì)上地，反向散射通信時，偶極子天線是選擇性反彈閱讀器發(fā)射的信號一一這類似于打乒乓球，對方發(fā)球后選擇是否把球打回去，球的自旋變化比作射頻信號攜帶信息變化。
[0021 ]上述方案中，所述的外接傳感器模塊，包括主控模塊，用于提供控制、通信和處理，由通信控制模塊控制;雷達(dá)脈沖發(fā)生器，用于提供傳感器組信號源，接收主控模塊輸出的第一控制信號;雷達(dá)脈沖存儲電容，接收并存儲雷達(dá)脈沖發(fā)生器輸出的雷達(dá)脈沖信號;開關(guān)電路，接收主控模塊輸出的選擇信號并選擇地釋放雷達(dá)脈沖存儲電容的雷達(dá)脈沖信號至傳感器組;計時模塊，用于測量雷達(dá)脈沖飛行時間，接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號；高頻時鐘晶振，用于提供采樣基準(zhǔn)，輸出高頻計時基準(zhǔn)時鐘至計時模塊;系統(tǒng)時鐘晶振，用于提供工作基準(zhǔn)，輸出工作基準(zhǔn)時鐘至主控模塊;通信模塊，接收通信控制模塊輸出的第二控制信號或輸出反饋信號至通信控制模塊。
[0022]上述方案中，所述的傳感器組，選用無源傳感器組，無源傳感器組其中包括溫度傳感器和應(yīng)力傳感器，采集結(jié)構(gòu)體的溫度變化信息和被動地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的應(yīng)力變化信息;所述的外接傳感器模塊，還包括溫度補(bǔ)償模塊，溫度補(bǔ)償模塊接收主控模塊輸出的簡易雷達(dá)脈沖信號并且其還輸出補(bǔ)償脈沖信號至計時模塊。
[0023]上述方案中，所述的通信控制模塊，包括阻抗匹配模塊，匹配射頻信號頻率，最小化能量散失(最大化信號接收)；第二能量采集模塊，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號并轉(zhuǎn)化成直流電壓;能量管理模塊，接收第二能量采集模塊轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓并對這些電壓進(jìn)行存儲和穩(wěn)壓輸出；時鐘晶振，用于提供基準(zhǔn)時鐘，由能量管理模塊供電;EPC協(xié)議執(zhí)行模塊，由能量管理模塊供電;解調(diào)器，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號并解調(diào)輸出的數(shù)字基帶信號至EPC協(xié)議執(zhí)行模塊;調(diào)制器，接收EPC協(xié)議執(zhí)行模塊輸出的基帶信息，根據(jù)基帶信息切換偶極子天線工作狀態(tài)，從而將基帶信息調(diào)制加載于反向散射射頻信號。。
[0024]上述方案中，所述的第一能量采集模塊或第二能量采集模塊，包括射頻-直流轉(zhuǎn)換器和電荷栗，電荷栗提升射頻-直流轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓的電壓值；
[0025]所述的能量管理模塊，包括存儲電容、檢測存儲電容電壓的電壓管理器和穩(wěn)定存儲電容電壓輸出的升壓斬波電路。
[0026]上述方案中，還包括能量管理模塊，包括存儲電容、檢測存儲電容電壓的電壓管理器和穩(wěn)定存儲電容電壓輸出的升壓斬波電路，存儲電容接收第一能量采集模塊的直流電壓。
[0027]基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測方法，包括如下步驟
[0028]步驟1、獲取射頻信號；
[0029]步驟2、轉(zhuǎn)換射頻信號為直流電壓，觸發(fā)一通信控制模塊和一外接傳感器模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，再根據(jù)射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號，記錄發(fā)射時間，其中，直流電壓中還包含了從外界閱讀器發(fā)來射頻信號中的控制信息；
[0030]步驟3、利用一傳感器組接收雷達(dá)脈沖信號，傳感器組被動地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的雷達(dá)脈沖信號并獲得結(jié)構(gòu)體應(yīng)力變化信息；
[0031]步驟4、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應(yīng)力變化信息的電脈沖，記錄接收時間并計算出時間差，獲得應(yīng)力測量數(shù)據(jù)；
[0032]步驟5、根據(jù)應(yīng)力測量數(shù)據(jù)和時間差，計算獲得結(jié)構(gòu)體的形變數(shù)據(jù)；
[0033]步驟6、利用幅移鍵控調(diào)制方法，將結(jié)構(gòu)體形變數(shù)據(jù)的基帶信息加載于反向散射的所述射頻信號，彈射具有結(jié)構(gòu)體形變數(shù)據(jù)的射頻信號，閱讀器收到具有結(jié)構(gòu)體形變數(shù)據(jù)的射頻信號。。
[0034]上述方法中，所述的步驟I，包括如下步驟
[0035]步驟1.1、依次通過偶極子天線、阻抗匹配模塊對射頻信號進(jìn)行匹配接收，獲得第一射頻信號；
[0036]步驟1.2、通過微帶天線對射頻信號進(jìn)行匹配接收，獲得第二射頻信號。
[0037]上述方法中，所述的步驟2，包括如下步驟
[0038]步驟2.1、將第一射頻信號、第二射頻信號分別依次對應(yīng)通過兩組不同的能量采集模塊和能量管理模塊，獲得第一直流電壓和第二直流電壓；
[0039]步驟2.2、由第一直流電壓、第二直流電壓分別對應(yīng)觸發(fā)一通信控制模塊、一外接傳感器模塊進(jìn)入工作狀態(tài)；
[0040]步驟2.2.1、根據(jù)第一射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊中的主控模塊，發(fā)出第一控制信號至外接傳感器模塊中的一雷達(dá)脈沖發(fā)生器和發(fā)出選擇信號至外接傳感器模塊中的一開關(guān)電路；
[0041 ]步驟2.2.2、再利用主控模塊對開關(guān)電路進(jìn)行控制并使雷達(dá)脈沖發(fā)生器選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號，同時主控模塊記錄發(fā)射時間。
[0042]上述方法中，所述的步驟3，傳感器組還采集結(jié)構(gòu)體溫度變化信息；
[0043]所述的步驟4，包括如下步驟
[0044]步驟4.1、由主控模塊內(nèi)部產(chǎn)生簡易雷達(dá)脈沖信號，該信號分別通過一溫敏電阻與一標(biāo)準(zhǔn)電阻后，由放大器接收并輸出補(bǔ)償脈沖信號，再由計時模塊對補(bǔ)償脈沖信號進(jìn)行測量，獲得測量數(shù)據(jù)；
[0045]步驟4.2、根據(jù)測量數(shù)據(jù)，由主控模塊計算獲得溫度比率；
[0046]步驟4.3、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應(yīng)力變化信息的電脈沖并記錄接收時間，獲得應(yīng)力測量原始數(shù)據(jù)；
[0047]步驟4.4、根據(jù)溫度比率，主控模塊對應(yīng)力測量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償并計算出時間差，獲得應(yīng)力測量數(shù)據(jù)。
[0048]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0049](I)實(shí)現(xiàn)了完全無源的結(jié)構(gòu)體監(jiān)測系統(tǒng)；
[0050](2)系統(tǒng)使用超高頻射頻遠(yuǎn)場通信，通信和數(shù)據(jù)采集距離大大提升；
[0051](3)系統(tǒng)采集到的應(yīng)力信息直接為數(shù)字信號，這樣避免了在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時由于環(huán)境干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真；
[0052](4)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅可以通信還可以接收傳感器采集數(shù)據(jù)；
[0053](5)使用雙天線雙能量采集模塊，一個天線用于通信，另一個天線只用于傳感器供會K;
[0054](6)在對應(yīng)力數(shù)據(jù)采集方面，現(xiàn)有技術(shù)使用傳統(tǒng)方法(ADC+惠斯通電橋)，而使用雷達(dá)測量電阻值(應(yīng)力和溫度)方法;兩種方法原理不同，前者為測量電壓，后者為測量時間，后者抗數(shù)據(jù)干擾、精確度高且計算速度快；
[0055](7)無源系統(tǒng)從射頻無線電波中獲取能量，由于射頻是由人手持式閱讀器發(fā)出，故其頻率和能量是可以確定的，具有更好的應(yīng)用范圍和前景。
【附圖說明】
[0056]圖1為四座橋梁的光纖和無線監(jiān)測系統(tǒng)的成本對比表格示意圖；
[0057]圖2為各類監(jiān)測系統(tǒng)對比表格示意圖；
[0058]圖3為本發(fā)明的單個橋梁或建筑物成本表格示意圖；
[0059]圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0060]圖5為本發(fā)明的能量模塊示意圖；
[0061 ]圖6為本發(fā)明的外接傳感器模塊原理圖；
[0062]圖7為本發(fā)明的溫度補(bǔ)償模塊示意圖；
[0063]圖8為本發(fā)明的通信控制模塊示意圖；
[0064]圖9為本發(fā)明的安裝位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0065]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0066]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0067]實(shí)施例1
[0068]同典型的監(jiān)測系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)還可這樣劃分，由四個模塊組成:感知模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。感知模塊為外接傳感器模塊和傳感器組;其中數(shù)據(jù)庫模塊同其他系統(tǒng)一樣負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。數(shù)據(jù)分析模塊用來從時域或頻域的角度分析采集到的感知參數(shù)。系統(tǒng)的主要創(chuàng)新在感知模塊和通信模塊上。感知模塊可以埋在混凝土內(nèi)I米，而模塊的傳感器可在此基礎(chǔ)上再深埋2米。傳感器采集到的精確數(shù)據(jù)可以用手持式閱讀器通過無線通信方式讀取，通信距離為I米。閱讀器可以根據(jù)傳感器類型、橋梁或建筑物名稱、GPS定位(如果需要的話)將數(shù)據(jù)封裝好，然后通過蜂窩網(wǎng)(CDMA或GSM)將數(shù)據(jù)包上傳到數(shù)據(jù)庫模塊。接下來數(shù)據(jù)會被分類存儲，以便更進(jìn)一步的分析處理。
[0069]通信模塊由一個定制的手持式閱讀器組成。閱讀器能夠與掩埋在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部I米的感知模塊通信。安裝有大容量電池的閱讀器能穩(wěn)定讀取傳感器的數(shù)據(jù)并將其傳送給數(shù)據(jù)庫模塊;用戶能夠操作閱讀器上的人機(jī)交互界面查看數(shù)據(jù)和控制傳感器模塊。通信模塊是全自動工作的，即它能夠?qū)?shù)據(jù)通過CDMA或GSM直接傳送給服務(wù)器(數(shù)據(jù)庫模塊和數(shù)據(jù)分析模塊)而不需要其它額外的基站支持。
[0070]感知模塊由完全無源的無線電雷達(dá)模塊、能量采集模塊、處理器構(gòu)成。能量采集模塊為整個電路提供能量;處理器從傳感器讀取數(shù)據(jù)并同手持式閱讀器通信。感知模塊和閱讀器之間的無線通信是通過一塊無線電芯片實(shí)現(xiàn)的。用作測量應(yīng)變、溫濕度的低功耗雷達(dá)電路是專利的創(chuàng)新點(diǎn)。本系統(tǒng)中一個突出的特點(diǎn)在于它的即安裝即用(PI ug and PI ay)特性，也就是在系統(tǒng)安裝、升級或者換新之后不需要校準(zhǔn)。并且，由于雷達(dá)的原理，溫度將不會影響傳感器測量。這種基于飛行時間(time-of-flight)的雷達(dá)測量方法是系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)。其原理是雷達(dá)單元發(fā)送一個脈沖，這個脈沖通過連接線經(jīng)過應(yīng)變片傳感器然后又返回到雷達(dá)單元。發(fā)送與接收脈沖之間有段延時，而這個延時與應(yīng)變片的形變有函數(shù)關(guān)系。這段時延能夠通過高精度的計時器(精度高達(dá)15皮秒)測得。這樣就可以得到應(yīng)變片的物理長度。此外雷達(dá)測量的方式使得系統(tǒng)對手機(jī)基站產(chǎn)生的射頻噪聲和電力線的干擾有很強(qiáng)的抗干擾能力。
[0071]實(shí)施例2
[0072]無線測量范圍=I米；
[0073 ] 傳感器連接線長度，應(yīng)變片為2-3米，溫度傳感器為1-2米，濕度傳感器為1-2米；
[0074]傳感器參數(shù)，應(yīng)變片測量范圍為1000_5000με，應(yīng)變片精度為ΙΟμε，溫度測量范圍為-40到+125°C，溫度精度為±0.5°C- ±0.3°C (每次測量將在片內(nèi)采樣250次取平均值)，濕度測量范圍為0_100%RH，濕度精度為±3%RH溫度漂移為Δ ε〈100μπι(-20到+100°C)，校準(zhǔn)無(不需要)，誤報率為0% (250次片內(nèi)采樣避免了系統(tǒng)誤報)，受射頻/電磁影響無。
[0075]整體采樣延遲由于系統(tǒng)是完全無源的，每次工作系統(tǒng)需要花費(fèi)一定時間采集能量。并且為了達(dá)到高精度數(shù)據(jù)采集，每次測量將在片內(nèi)采樣250次取平均值的操作也花費(fèi)一定時間。此外還需要一些時間留給系統(tǒng)各個模塊之間通信(傳感器、處理器、雷達(dá)模塊之間
[0076]以下列舉出不同感知參數(shù)對一次完整采樣所需要的時間，應(yīng)變?yōu)?.2秒，應(yīng)變+溫度為6.2秒，應(yīng)變+溫度+濕度為11秒；圖2和圖3，如需降低價格，可以用性價比更高的電纜代替，只會犧牲很小的測量精度。
[0077]如圖4，無源系統(tǒng)分為主要分為三個部分:通信控制部分、能量采集部分和外接傳感器模塊。通信控制部分主要負(fù)責(zé)同閱讀器通信，采集閱讀器發(fā)來電磁波的能量，接收來著閱讀器的控制命令并能將從傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。外接傳感器模塊隨系統(tǒng)應(yīng)用而變化，通常為各種傳感器模塊或微處理器單元等?？紤]到許多應(yīng)用場景使用的傳感器功耗較高，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳感器的正常工作，使用額外的能量采集部分為外圍傳感器模塊提供電源。
[0078]通信控制部分由偶極子天線、射頻前端、能量管理、時鐘發(fā)生器、EPC協(xié)議模塊、存儲模塊、外圍設(shè)備接口組成。偶極子天線接收從閱讀器發(fā)來的射頻信號。射頻前端負(fù)責(zé)將射頻信號轉(zhuǎn)化成直流電壓。能量管理模塊將從射頻前端得到的直流電壓存儲起來，當(dāng)累積的能量足夠時，釋放給時鐘發(fā)生器和EPC協(xié)議模塊。EPC協(xié)議模塊解析處閱讀器發(fā)送過來的信息，并根據(jù)具體應(yīng)用訪問存儲模塊和外圍設(shè)備接口。當(dāng)從外接傳感器模塊采集到對應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，外接設(shè)備接口將數(shù)據(jù)發(fā)給EPC協(xié)議模塊，之后協(xié)議模塊經(jīng)過編碼調(diào)制發(fā)給射頻前端，最后通過射頻前端控制天線以反向散射的形式將數(shù)據(jù)發(fā)回給閱讀器。
[0079]能量采集部分由微帶天線、射頻-直流轉(zhuǎn)換器、電壓管理器、穩(wěn)壓器組成。由于能量采集部分不需要與閱讀器通信，微帶天線相比偶極子天線能夠接受更多的射頻能量，通過射頻-直流轉(zhuǎn)換器之后存儲在電壓管理器中。當(dāng)積累的電壓足夠時，電壓管理器打開電閘，電壓通過穩(wěn)壓器后輸出供給外接傳感器模塊。
[0080]本系統(tǒng)中存在兩個能量采集模塊。一個是在通信和控制模塊中的能量采集模塊，另一個是本節(jié)介紹的獨(dú)立的能量采集模塊。
[0081]如圖5所示，當(dāng)射頻信號到達(dá)設(shè)備時同時也會被能量采集模塊的微帶天線吸收。微帶天線相比于偶極子天線(使用在通信和控制模塊中)具有更好的能量吸收能力，但相應(yīng)反向散射通信能力較差，故使用微帶天線的能量采集模塊僅用來為高功耗傳感器提供額外的充足電源。射頻信號經(jīng)過微帶天線被RF-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的能量采集模塊轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后被電荷栗升壓并充能存儲電容。電壓管理器監(jiān)測存儲電容里的電壓。當(dāng)電容儲能充足時，電壓管理器通過INT引腳告知MCU(微控制器)或處理器能量采集模塊的狀態(tài)。此外，若存儲電容根據(jù)應(yīng)用選擇了超級電容，可通過外圍電路置RESET引腳切換模塊充能模式來減少超級電容的充能時間。當(dāng)存儲電容充能足夠時，電容放電流向升壓斬波電路。升壓斬波電路將來至電容的電壓升壓并穩(wěn)壓之后輸出在Vout引腳為傳感器供電。Vout的電壓是可定制的，由VSET引腳輸入電壓控制。
[0082]如圖6所示，該模塊用于結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測。整個模塊通過主控電路控制。雷達(dá)測量的核心由雷達(dá)脈沖發(fā)生器、脈沖存儲電容、開關(guān)電路、無源傳感器組和計時模塊組成。主控控制雷達(dá)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，產(chǎn)生的脈沖被存儲在脈沖存儲電容之中。當(dāng)積累的脈沖足夠時，主控控制開關(guān)電路釋放脈沖。釋放的脈沖信號通過傳感器之后攜帶著傳感器的信息，并由高精度計時模塊測量。在獲得傳感器信息之后，計時模塊將傳感器信息發(fā)送給主控。模塊使用兩個時鐘晶振。其中系統(tǒng)時鐘晶振為主控提供工作節(jié)拍，而獨(dú)立的高頻時鐘晶振為計時模塊提供測量節(jié)拍。此外，通信模塊負(fù)責(zé)與外部電路(如MCU、處理器等)通信，將測量數(shù)據(jù)上傳或接收控制命令。
[0083]對于溫度變化導(dǎo)致傳感器測量的誤差，可以使用溫度補(bǔ)償來減少。如圖7所示，溫度補(bǔ)償模塊內(nèi)部有溫敏電阻、高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻和放大器。溫敏電阻的電阻值會隨著溫度呈現(xiàn)線性變化，而高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻受溫度影響極小。溫度補(bǔ)償測量過程與傳感器測量過程類似。與傳感器測量過程不同的是:溫度補(bǔ)償是由主控電路內(nèi)部產(chǎn)生簡易雷達(dá)脈沖，該脈沖分別經(jīng)過溫敏電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻后經(jīng)放大器放大后成為補(bǔ)償脈沖信號，由計時模塊測量，并將測量結(jié)果發(fā)送給主控。之后主控經(jīng)過計算得到溫度比率，作為溫度補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。
[0084]如圖8所示，當(dāng)射頻信號到達(dá)設(shè)備時被通信和控制模塊的偶極子天線吸收之后到達(dá)阻抗匹配模塊。阻抗匹配模塊能盡量減少射頻信號的反射，從而增加模塊接收射頻信號的能力。之后射頻信號分為兩路分別達(dá)到能量采集模塊和解調(diào)器。能量采集模塊負(fù)責(zé)將射頻信號轉(zhuǎn)化為直流電壓并傳送給能量管理模塊。能量管理模塊將直流電壓存儲在其內(nèi)部的電容中。當(dāng)電容中電能積累到一定程度時，電容放電。能量管理模塊內(nèi)部的穩(wěn)壓器將放電電壓調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的電壓輸出并供給于時鐘晶振和EPC協(xié)議執(zhí)行模塊工作。時鐘晶振為EPC協(xié)議執(zhí)行模塊提供必要的工作時鐘信號。EPC協(xié)議執(zhí)行模塊工作后接收從解調(diào)器傳來的數(shù)字基帶信號。此外，EPC協(xié)議執(zhí)行模塊還可以從/向存儲模塊讀取/寫入數(shù)據(jù)，并通過外圍設(shè)備接口與傳感器通信。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備向閱讀器傳輸數(shù)據(jù)時，EPC協(xié)議執(zhí)行模塊將數(shù)據(jù)發(fā)給調(diào)制器，調(diào)制器控制天線電路使天線切換在兩個不同的阻抗?fàn)顟B(tài)，從而將基帶信息搭載到反向散射回閱讀器的連續(xù)射頻信號波上。
[0085]如圖9所示，通信模塊由一個定制的手持式閱讀器組成。閱讀器能夠與掩埋在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部I米的感知模塊通信。安裝有大容量電池的閱讀器能穩(wěn)定讀取傳感器的數(shù)據(jù)并將其傳送給數(shù)據(jù)庫模塊；用戶能夠操作閱讀器上的人機(jī)交互界面查看數(shù)據(jù)和控制傳感器模塊。通信模塊是全自動工作的，即它能夠?qū)?shù)據(jù)通過CDMA或GSM直接傳送給服務(wù)器(數(shù)據(jù)庫模塊和數(shù)據(jù)分析模塊)而不需要其它額外的基站支持。
[0086]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括 偶極子天線，用于通信和能量吸收，匹配接收射頻信號； 通信控制模塊，接收偶極子天線匹配輸出的射頻信號； 微帶天線，用于能量吸收，匹配接收射頻信號； 第一能量采集模塊，用于作為驅(qū)動電源，接收微帶天線匹配輸出的射頻信號； 傳感器組，用于采集結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化信息； 外接傳感器模塊，接收第一能量采集模塊輸出的直流電壓，輸出雷達(dá)脈沖信號至傳感器組并接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號； 其中，所述的通信控制模塊，控制所述外接傳感器模塊選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號并接收所述外接傳感器模塊輸出的反饋信號； 其中，所述的偶極子天線還彈射由所述通信控制模塊調(diào)制的反向散射射頻信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的外接傳感器模塊，包括 主控模塊，用于提供控制、通信和處理，由通信控制模塊控制； 雷達(dá)脈沖發(fā)生器，用于提供傳感器組信號源，接收主控模塊輸出的第一控制信號； 雷達(dá)脈沖存儲電容，接收并存儲雷達(dá)脈沖發(fā)生器輸出的雷達(dá)脈沖信號； 開關(guān)電路，接收主控模塊輸出的選擇信號并選擇地釋放雷達(dá)脈沖存儲電容的雷達(dá)脈沖信號至傳感器組； 計時模塊，用于測量雷達(dá)脈沖飛行時間，接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號； 高頻時鐘晶振，用于提供采樣基準(zhǔn)，輸出高頻計時基準(zhǔn)時鐘至計時模塊； 系統(tǒng)時鐘晶振，用于提供工作基準(zhǔn)，輸出工作基準(zhǔn)時鐘至主控模塊； 通信模塊，接收通信控制模塊輸出的第二控制信號或輸出反饋信號至通信控制模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述的傳感器組，選用無源傳感器組，無源傳感器組其中包括溫度傳感器和應(yīng)力傳感器，采集結(jié)構(gòu)體的溫度變化信息和被動地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的應(yīng)力變化信息； 所述的外接傳感器模塊，還包括溫度補(bǔ)償模塊，溫度補(bǔ)償模塊接收主控模塊輸出的簡易雷達(dá)脈沖信號并且其還輸出補(bǔ)償脈沖信號至計時模塊。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信控制模塊，包括 阻抗匹配模塊，匹配射頻信號頻率； 第二能量采集模塊，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號； 能量管理模塊，接收第二能量采集模塊轉(zhuǎn)換輸出的直流電壓； 時鐘晶振，用于提供基準(zhǔn)時鐘，由能量管理模塊供電； EPC協(xié)議執(zhí)行模塊，由能量管理模塊供電； 解調(diào)器，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號并解調(diào)輸出的數(shù)字基帶信號至EPC協(xié)議執(zhí)行模塊； 調(diào)制器，接收EPC協(xié)議執(zhí)行模塊輸出的基帶信息，根據(jù)基帶信息切換偶極子天線工作狀態(tài)，從而將基帶信息調(diào)制加載于反向散射射頻信號。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一能量采集模塊或第二能量采集模塊，包括射頻-直流轉(zhuǎn)換器和電荷栗，電荷栗提升射頻-直流轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓的電壓值； 所述的能量管理模塊，包括存儲電容、檢測存儲電容電壓的電壓管理器和穩(wěn)定存儲電容電壓輸出的升壓斬波電路。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，還包括能量管理模塊，包括存儲電容、檢測存儲電容電壓的電壓管理器和穩(wěn)定存儲電容電壓輸出的升壓斬波電路，存儲電容接收第一能量采集模塊的直流電壓。7.基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1、獲取射頻信號； 步驟2、轉(zhuǎn)換射頻信號為直流電壓，觸發(fā)一通信控制模塊和一外接傳感器模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，再根據(jù)射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號，記錄發(fā)射時間； 步驟3、利用一傳感器組接收雷達(dá)脈沖信號，傳感器組被動地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的雷達(dá)脈沖信號并獲得結(jié)構(gòu)體應(yīng)力變化信息； 步驟4、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應(yīng)力變化信息的電脈沖，記錄接收時間并計算出時間差，獲得應(yīng)力測量數(shù)據(jù)； 步驟5、根據(jù)應(yīng)力測量數(shù)據(jù)和時間差，計算獲得結(jié)構(gòu)體的形變數(shù)據(jù)； 步驟6、利用幅移鍵控調(diào)制方法，將結(jié)構(gòu)體形變數(shù)據(jù)的基帶信息加載于反向散射的所述射頻信號，彈射具有結(jié)構(gòu)體形變數(shù)據(jù)的射頻信號。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測方法，其特征在于，所述的步驟I，包括如下步驟 步驟1.1、依次通過偶極子天線、阻抗匹配模塊對射頻信號進(jìn)行匹配接收，獲得第一射頻信號； 步驟1.2、通過微帶天線對射頻信號進(jìn)行匹配接收，獲得第二射頻信號。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測方法，其特征在于，所述的步驟2，包括如下步驟 步驟2.1、將第一射頻信號、第二射頻信號分別依次對應(yīng)通過兩組不同的能量采集模塊和能量管理模塊，獲得第一直流電壓和第二直流電壓； 步驟2.2、由第一直流電壓、第二直流電壓分別對應(yīng)觸發(fā)一通信控制模塊、一外接傳感器模塊進(jìn)入工作狀態(tài)； 步驟2.2.1、根據(jù)第一射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊中的主控模塊，發(fā)出第一控制信號至外接傳感器模塊中的一雷達(dá)脈沖發(fā)生器和發(fā)出選擇信號至外接傳感器模塊中的一開關(guān)電路； 步驟2.2.2、再利用主控模塊對開關(guān)電路進(jìn)行控制并使雷達(dá)脈沖發(fā)生器選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號，同時主控模塊記錄發(fā)射時間。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于能量采集的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測方法，其特征在于， 所述的步驟3，傳感器組還采集結(jié)構(gòu)體溫度變化信息； 所述的步驟4，包括如下步驟 步驟4.1、由主控模塊內(nèi)部產(chǎn)生簡易雷達(dá)脈沖信號，該信號分別通過一溫敏電阻與一標(biāo)準(zhǔn)電阻后，由放大器接收并輸出補(bǔ)償脈沖信號，再由計時模塊對補(bǔ)償脈沖信號進(jìn)行測量，獲得測量數(shù)據(jù)； 步驟4.2、根據(jù)測量數(shù)據(jù)，由主控模塊計算獲得溫度比率； 步驟4.3、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應(yīng)力變化信息的電脈沖并記錄接收時間，獲得應(yīng)力測量原始數(shù)據(jù)； 步驟4.4、根據(jù)溫度比率，主控模塊對應(yīng)力測量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償并計算出時間差，獲得應(yīng)力測量數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H02J50/20GK106017574SQ201610590977
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發(fā)明人】魯力, 李松璠
【申請人】成都布阿澤科技有限公司