專利名稱：基于微電容測量的sma復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微電容測量和無線射頻通信的無線結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的結構健康監(jiān)測技術主要采用有線的傳感器，如傳統(tǒng)結構健康監(jiān)測系統(tǒng)需要 繁瑣的電纜把傳感器測量系統(tǒng)與控制中心相連，這樣既難以進行長期監(jiān)測，電纜的使用使 得信號易受干擾，還需對電纜進行維護。J. P. Lynch，K. H. Law等人提出的無線監(jiān)測系統(tǒng)利 用一個中央處理器，把獲取的信號進行預處理，最后通過無線的方式把信號傳送到中央控 制室。并且許多結構在使用中是旋轉的，監(jiān)測系統(tǒng)必須是無線的，這樣，有線傳感器就難以 使用。而隨著現(xiàn)代傳感技術、微機電技術、以及無線通信技術的發(fā)展，無線傳感監(jiān)測技術逐 步發(fā)展，如利用WSN、GPRS互聯(lián)網(wǎng)、Zigbee等技術不僅解決了上述問題，還可實現(xiàn)遠程采集、 傳輸結構的應變信息。目前結構健康監(jiān)測正向智能化方向發(fā)展，要解決的關鍵問題是實現(xiàn)長期、在線、實 時監(jiān)測，在此基礎上進一步實現(xiàn)結構的自修復功能。將一定體積比的形狀記憶合金(Shape Memeory Alloy, SMA)絲埋入復合材料，可對復合材料結構起到明顯增強的作用。SMA增強 復合材料結構是一種新的混雜結構，對這種新結構投入實際工程應用必須研究在線的結構 狀態(tài)監(jiān)測方法。通過附加傳感元件監(jiān)測復合材料結構的應變或內(nèi)部狀態(tài)是結構健康監(jiān)測的 主要技術之一。這種技術存在以下的幾個問題(1)如果結構剛度較低或變形較大，則埋入 或粘貼的傳感元件易阻礙結構的受力或變形；(2)傳感元件和結構剛度的差異可能引起傳 感元件和結構的剝離；(3)許多結構在使用中是旋轉的，監(jiān)測系統(tǒng)必須是無線的，這樣有線 傳感元件就難以使用。無線射頻識別(Radio Frequency Identif ication，RFID)，是利用射頻信號進行 非接觸雙向通信，以自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID的實際應用中，附著在被識別 的物體上(表面或內(nèi)部)的電子標簽，一般只存儲有關物體自身的一些基本信息，系統(tǒng)無法 通過標簽了解物體的狀態(tài)及其與環(huán)境之間的變化信息，且RFID抗干擾性較差、傳輸距離有 限(有效距離一般小于IOm)，因此，RFID自身存在的這些不足之處對它的應用構成一定的 限制。對埋入形狀記憶合金絲增強的混雜復合材料結構，其中一定規(guī)格和布局的形狀記 憶合金絲對復合結構起增強作用，而另外一定規(guī)格和布局的形狀記憶合金絲可視作電容器 的電極，結構的變形會引起電容量的變化，通過監(jiān)測結構變形引起的微電容變化，可實現(xiàn)結 構狀態(tài)的監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)對結構損傷程度的實時評價，為實時、在線以及 智能化的結構無線健康監(jiān)測提供一種基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測的新 方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術解決方案是一種基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是有用于采集 SMA增強復合結構電容變化信息的傳感標簽，傳感標簽與用于無線控制傳感標簽和接受傳 感標簽信號的前端讀寫器通過無線方式連接，前端讀寫器與用于將命令和數(shù)據(jù)進行轉發(fā)的 中繼讀寫器通過無線方式連接，中繼讀寫器與用于接收上位機的命令和中繼讀寫器轉發(fā)過 來的數(shù)據(jù)包的終端讀寫器通過無線方式連接，終端讀寫器與用于接收、處理終端讀寫器傳 輸信息的上位機連接。所述的傳感標簽包括微處理器模塊，微處理模塊與電容測量模塊及無線收發(fā)模塊 連接，電容測量模塊主要由PS021芯片構成。所述的前端讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊及無線收發(fā) 模塊連接。所述的中繼讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊及無線收發(fā) 模塊連接。所述的終端讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與串口模塊及無線收發(fā)模塊 連接。傳感標簽模塊通過PS021芯片測量復合結構的電容信息，并按照相關通訊協(xié)議發(fā) 送測量結果給讀寫器模塊；電容測量模塊主要由PS021芯片構成，由于SMA復合結構中任意 兩絲可作為電容器的兩極，將兩極引線連出接入PS021電容測量電路，即可測量復合結構 中SMA絲間的電容信息，將測量結果轉化為數(shù)字信息直接傳送給微處理器；無線收發(fā)模塊 由PTR4000構成，接收微處理器發(fā)送的測量結果，把結果無線發(fā)送給讀寫器，并接收讀寫器 發(fā)送的控制信息，完成射頻信息的無線收發(fā)；微處理器模塊主要由C8051F330單片機組成， 可通過與單片機I/O 口相連的開關來控制多個傳感標簽的同時工作。當開關打開時，單片 機向PS021寫控制字，觸發(fā)測量芯片工作，再把PS021輸出的數(shù)據(jù)存儲下來，最后將存儲好 的數(shù)據(jù)發(fā)送給PTR4000芯片，經(jīng)由該芯片發(fā)送的測量結果，并接收讀寫器發(fā)送給該芯片的 PS021芯片寄存器控制信息。前端讀寫器模塊和中繼讀寫器模塊利用無線收發(fā)模塊的PTR4000芯片接收標簽 或讀寫器發(fā)送的信息，使用AT24C02芯片將數(shù)據(jù)暫時存儲，然后發(fā)送給上一級的讀寫器。終端讀寫器由無線收發(fā)模塊、微處理器模塊和串口模塊構成，無線收發(fā)模塊還是 由PTR400芯片構成，收發(fā)來自中繼讀寫器的信息，交由微處理器處理后通過RS232串口發(fā) 送給上位機。上位機界面由LabVIEW軟件編寫，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進制轉換，電容的標定和計算， 電容信息的波形顯示，并根據(jù)應力應變信息與電容變化之間的關系，分析出當前結構安全 狀況，并對損傷程度和使用壽命進行評估，達到對復合結構無線健康監(jiān)測的目的。本發(fā)明通過測量復合結構中記憶合金絲的電容變化信息來監(jiān)測復合結構的健康 狀況，采用PS021電容測量芯片測量復合結構的電容變化信息，將復合結構的應變信息通 過RFID傳感標簽無線發(fā)送出去，由讀寫器接收信息并傳給上位機進行分析處理。該系統(tǒng)能 自動測量復合結構的電容變化值，然后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，通過電容變化值與應變值之 間的對應關系，得到該復合結構的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對SMA增強復合結構的無線健康監(jiān)測。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)組成圖。圖2是前端讀寫器和傳感標簽系統(tǒng)結構框圖。圖3是前端讀寫器和中繼讀寫器系統(tǒng)結構框圖。圖4是中繼讀寫器、終端讀寫器和上位機系統(tǒng)結構框圖。圖5是電容傳感標簽工作流程圖。圖6是上位機通信流程圖。
具體實施例方式一種基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，有用于采集SMA增強復 合結構電容變化信息的傳感標簽1，傳感標簽1與用于無線控制傳感標簽和接受傳感標簽 信號的前端讀寫器2通過無線方式連接，前端讀寫器2與用于將命令和數(shù)據(jù)進行轉發(fā)的中 繼讀寫器3通過無線方式連接，中繼讀寫器3與用于接收上位機的命令和中繼讀寫器轉發(fā) 過來的數(shù)據(jù)包的終端讀寫器4通過無線方式連接，終端讀寫器與用于接收、處理終端讀寫 器傳輸信息的上位機5連接。所述的傳感標簽1包括微處理器模塊6，微處理模塊與電容測量模塊7及無線收發(fā) 模塊8連接，電容測量模塊主要由PS021芯片構成。所述的前端讀寫器2包括微控制器模塊9，微控制器模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊10及無 線收發(fā)模塊11連接。所述的中繼讀寫器3包括微控制器模塊12，微控制器模塊12與數(shù)據(jù)存儲模塊13 及無線收發(fā)模塊14連接。所述的終端讀寫器包括微控制器模塊15，微控制器模塊與串口模塊16及無線收 發(fā)模塊17連接。本發(fā)明是基于微電容測量和RFID技術的SMA增強復合結構無線監(jiān)測系統(tǒng)有采 集SMA增強復合結構任意兩SMA絲間電容狀態(tài)信息，并向無線射頻讀寫器發(fā)送測量信息的 RFID傳感標簽；接收表征復合結構整體結構狀態(tài)的多個RFID傳感標簽信息并向RFID傳感 標簽發(fā)送PS021控制信息的無線射頻識別讀寫器；讀寫器通過串口模塊與上位機相聯(lián)，然 后通過互聯(lián)網(wǎng)與控制中心通信。如圖2、3、4所示，整個系統(tǒng)分為傳感標簽、前端讀寫器、中繼讀寫器、終端讀寫器 和上位機。上位機主要利用LabVIEW軟件來開發(fā)實現(xiàn)的。上述各種模塊的形式為電容測量模塊該模塊主要由PS021微電容測量電路組成。通過比較參考電容與 傳感電容的充放電時間計算出參考電容與傳感電容的比值關系，再通過SPI串口將測量結 果輸出給單片機。微控制器模塊主要由單片機C8051F330組成。由于數(shù)據(jù)采集是在多通道的情況 下進行的，所以各個標簽采集來的數(shù)據(jù)需要進行處理，加上標簽信息以及測量時間信息，信 息打包處理好之后先放入FLASH存儲器中，當測量數(shù)值達到一定量時，控制PTR4000無線收 發(fā)模塊，命令其向讀寫器發(fā)送請求，讀寫器確認后，發(fā)送已存儲的測量數(shù)值，發(fā)送完畢后，檢測當前開關狀態(tài)，如果需要繼續(xù)工作則繼續(xù)以上操作。無線收發(fā)模塊通過采用2. 4GHZ的PTR4000無線嵌入式模塊，可進行無線通信。 通信時由于每個標簽的發(fā)射頻點不同，所以讀寫器模塊內(nèi)的無線收發(fā)模塊需要每讀取一個 標簽測量結果，更改一次PTR4000頻點的設置，以此達到對多標簽或多傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送 與讀取。數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT24C02芯片將采集的數(shù)據(jù)暫時存儲，主要將無線收發(fā)模塊 接收到的信息暫存，之后發(fā)送給上一級的讀寫器，進行存儲和轉發(fā)。串口模塊使用RS232串口實現(xiàn)終端讀寫器和上位機的通信。上位機上位機利用LabVIEW實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。其中，利用MSComm控件實現(xiàn) 串口數(shù)據(jù)的發(fā)送及讀取。由于PS021的測量數(shù)據(jù)是個相對測量值，而且需要對其零點進行 標定，所以在這個軟件里將把測量數(shù)據(jù)處理成電容值，并且以圖像的形式顯示出來，再根據(jù) 電容變化情況與復合結構自身應力應變情況對照起來，評估出當前結構健康狀態(tài)。為實現(xiàn)附圖1和附圖2所描述的結構及功能，系統(tǒng)軟件程序流程如圖5和圖6所示。讀寫器和標簽模塊工作頻率為2. 4GHz ISM微波段，傳輸?shù)木嚯x不小于50米，讀寫 器與上位機之間采用RS232串口通訊，讀寫器和電子標簽之間采用無線通訊，其通訊指令 定義如表1，通訊協(xié)議如表2所示。表1系統(tǒng)通訊指令定義
權利要求
1. 一種基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是有用于采集SMA 增強復合結構電容變化信息的傳感標簽，傳感標簽與用于無線控制傳感標簽和接受傳感標 簽信號的前端讀寫器通過無線方式連接，前端讀寫器與用于將命令和數(shù)據(jù)進行轉發(fā)的中繼 讀寫器通過無線方式連接，中繼讀寫器與用于接收上位機的命令和中繼讀寫器轉發(fā)過來的 數(shù)據(jù)包的終端讀寫器通過無線方式連接，終端讀寫器與用于接收、處理終端讀寫器傳輸信 息的上位機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 是所述的傳感標簽包括微處理器模塊，微處理模塊與電容測量模塊及無線收發(fā)模塊連接， 電容測量模塊主要由PS021芯片構成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征是所述的前端讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊及無線收發(fā) 模塊連接。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征是所述的中繼讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊及無線收發(fā) 模塊連接。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征是所述的終端讀寫器包括微控制器模塊，微控制器模塊與串口模塊及無線收發(fā)模塊 連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微電容測量的SMA復合結構無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，傳感標簽與用于無線控制傳感標簽和接受傳感標簽信號的前端讀寫器通過無線方式連接，前端讀寫器與用于將命令和數(shù)據(jù)進行轉發(fā)的中繼讀寫器通過無線方式連接，中繼讀寫器與用于接收上位機的命令和中繼讀寫器轉發(fā)過來的數(shù)據(jù)包的終端讀寫器通過無線方式連接，終端讀寫器與用于接收、處理終端讀寫器傳輸信息的上位機連接。本發(fā)明能自動測量復合結構的電容變化值，然后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，通過電容變化值與應變值之間的對應關系，得到該復合結構的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對SMA增強復合結構的無線健康監(jiān)測。
文檔編號G06K17/00GK102004930SQ201010532938
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者吳靜雅, 姚興田, 楊永杰, 章國安, 袁江, 邱自學, 陳宇天 申請人:南通大學