土木工程結構的無線AE測試系統設計與實現

摘 要:介紹了無線AE測試系統的硬件組成、軟件設計和功能性實驗。系統針對目前國內用于結構健康監測的無線傳感器頻寬較低的現狀，設計制作無線AE檢測節點，采用LabVIEW作為軟件開發環境開發了系統監測評估軟件，建立擴展性高的AE測試系統，實現土木工程結構的無線測量與損傷定位。實驗結果表明本系度精度高，測試頻帶寬，信號分析與定位實時性強，具有很好的實用價值。

關鍵詞:結構健康檢測;無線傳感;OPCM;AE

中圖分類號:TU0文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029502

1 系統的檢測原理

無線AE測試系統的設計和實現基于無線傳感技術與Labview技術。主要由無線AE檢測節點(簡稱節點)，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，降低系統開發成本，能使結構健康監測系統方便升級以至完善。系統按功能劃分模塊又可以分為數據采集模塊、數據處理模塊兩大部分。

2 無線AE測試系統的數據采集模塊

無線AE 測試系統的數據采集模塊由無線AE檢測節點和無線AE檢測基站組成。基站起著節點與PC機間的橋梁作用，它負責接收節點無線傳送的數據，并將數據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檢測節點設計

無線AE 檢測節點是整個設計中的亮點，模塊化設計使節點更新方便，降低系統未來升級的成本。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、重量輕等優點外，還具有平面橫觀各向異性的特點，可以區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。系統選用高輸入阻抗的運算放大器實現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過前置電路調理后幅值明顯放大，且放大倍數與理論吻合，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點的主單元，包括數據采集，處理元件，是系統中最為重要的模塊，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據通過無線通信的方式傳輸到計算機，這里采用CC2420為核心實現數據傳輸。CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器。該器件包括眾多額外功能，是一款適用于ZigBee產品的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，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps可以實現多點對多點的快速組網。

2.1.4 無線AE測試節點的制成

設計時將傳感器單元、處理器單元與無線通信單元經過連接器連接，由電源供應能量，組成無線AE測試節點。最終制成的節點外形只有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字信號，然后進行數據處理傳給基站，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技術的節點設備工作周期較短、收發信息功率低，并且當節點不傳送數據時處于休眠狀態，當需要接收數據時由協調器設備負責喚醒，因此基于ZigBee無線通信協議設計無線傳感器軟件，可以極大地降低功耗。

依據ZigBee協議棧構架內容，無線傳感器軟件程序不僅需要必須包含一組ZigBee協議棧源文件，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。在工作狀態時，壓電陶瓷的變化信號通過前置調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位數字信號并存儲在微處理器的數據存儲單元內，經過循環采集和AD轉換后將所有數據打包，通過無線通信單元發送給基站。程序流程圖如圖4所示。

3 無線AE測試系統的數據分析與處理模塊

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

在吸取國內外相關系統特點的基礎上，以計算機為主體，利用虛擬儀器技術，以LabVIEW為軟件開發平臺，通過開發不同的測試分析軟件模塊，實現結構健康監測系統的數據采集，數據通信，信號處理分析，聲發射檢測，損傷定位和報警處理等功能，軟件框圖如圖5所示。

4 試驗應用研究

在初步測試階段，用外部激勵測試新開發的無線AE檢測系統。在一個混凝土試件上安裝間隔40mm的兩個壓電體，一個連接到一個信號發生器作為聲波激勵，第二個壓電體作為被動式傳感器輸出檢測信號。檢測信號一路通過無線AE檢測節點的無線通信功能傳給基站，再由基站送給PC機，另一路直接連接到示波器觀察波形。利用一個10kHz的正弦波來測試系統的性能，傳感器單元的采樣頻率設置為50kHz。圖6(a)給出了0.4 ms內無線傳感器的采樣數據與示波器上的數據的對比圖，圖6(b)為兩個信號的頻譜分析對比圖。

由圖中可以看出，無線AE檢測系統較好地識別了結構的聲波信號。在時域上，無線傳感器接收到的數據和示波器數據幾乎一樣，兩個波形很難區分開來。在頻域范圍也可以發現無線傳感器節點與有線傳感器的采集到信號的頻譜主要成分非常的相似，它們的波峰的大小、形狀和位置都比較一致。

5 結語

本文討論了一個可以檢測聲波信號的新型無線AE系統的開發與設計制作過程，將該系統用于工程結構監測中時，節點易于安裝拆除，不僅省去布設導線的費用，而且節省安裝時間。系統中所用的無線傳感器在體積小，功耗低的前提下，突破了目前國內用于結構健康監測的無線傳感器最大采樣頻率只有數千赫茲的現狀，將采樣頻率提高到50kHz，數據精度也從8bit提高到10bit。試驗結果顯示了無線AE檢測系統可以用于較高頻段結構健康監測的聲波檢測，在國內有一定領先優勢，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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