[发明专利]面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点无效

专利信息
申请号: 200810023246.5 申请日: 2008-04-03
公开(公告)号: CN101262378A 公开(公告)日: 2008-09-10
发明(设计)人: 袁慎芳;吴键;尚盈;丁建伟;李耀曾 申请(专利权)人: 南京航空航天大学
主分类号: H04L12/26 分类号: H04L12/26;H04L12/24;H04Q7/34
代理公司: 南京苏高专利商标事务所 代理人: 柏尚春
地址: 210016*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 面向 主动 结构 健康 监测 高速 无线 传感 网络 节点
【说明书】:

一、技术领域

本发明涉及一种无线传感网络节点,尤其涉及一种面向主动结构健康监测的具备高速采样率的无线传感网络节点。

二、背景技术

无线传感网络技术是目前国内外研究者广泛关注的一个重要研究领域,其技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、工程结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中。无线传感器网络不需要固定网络支持,具有快速展开,抗毁性强等独特优点;基于无线传感器网络组成的分布式监测网络可以大大减少器件引线数量,使得无线传感器可方便的安装于监测环境比较复杂,不便于引线的部位;由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能,很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成,将大大减少所需传输的信息量,并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统,变为一种并行的分布式信息处理系统,将大大提高监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性;另外无线传感网络在设计时所着重考虑的低功耗特点也可减少能源供给装置的重量并可实现对监测对象的长期在线监测。

结构健康监测是无线传感网络技术的一项重要应用方向。检测出损伤位置、判断损伤大小和损伤形式是结构健康监测系统的目标。结构健康监测系统中使用的损伤识别技术粗略分有两种:基于振动信息的方法和基于波信息的方法。从是否采用激励驱动器来分又分为主动监测技术和被动监测技术。主动监测技术的基本思想是:采用驱动器在复合材料表面激发主动监测信号,与此同时传感器在同一表面的其他一个或多个地方接收结构的响应信号,并对响应信号进行分析,据此对结构中的损伤进行监测。主动监测技术较被动检测技术(结构中未埋入激励驱动器)的优点在于:可以在任何需要的时刻对结构进行在线监测,无需时刻监测,因此有效且节省能源;对环境噪声和干扰能力具有抑制能力;由于使用了预知激励信号,所以能从传感接收到的关于结构“健康”与否的信号更精确地计算出可靠的结构状态。

然而目前常规的测试技术,如PXI、VXI测试系统,由于系统硬件之间都采用导线连接,在工程结构较大、传感器较多的情况下,这类技术往往使得健康监测系统重量急剧增加,复杂性也大大提高。无线传感网络技术的出现为解决这些问题提供了可能。先进的无线传感网络相比传统的有线网络而言,不需要导线,非常有利于减轻结构的重量,而且随着微机械技术的发展,无线智能传感器的体积也在逐渐减小,更有助于在结构健康监测系统中的应用。

但是目前基于主动监测方法的结构健康监测技术采用的激励信号频率高(100Ksps-500Ksps甚至更高),没有满足上述要求的高速采样率的无线传感网络节点,国内外无线传感网络节点的最高采样频率都在100Ksps以内,并且现有的通用高速测试系统结构复杂、体积庞大,无法和无线传感网络技术结合。

目前关于国内外没有涉及采用低功耗DSP技术的面向主动结构健康监测应用的低功耗高速无线传感网络节点的相关专利。本发明针对高速信号采集、处理和主动结构监测方法的应用要求,提供了一种面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点。

三、发明内容

1、技术问题:

本发明要解决的问题是提供一种具备高速采样率的无线传感网络节点,能够满足结构健康监测中激励信号频率高(100Ksps-500Ksps甚至更高)的要求。

2、技术方案

为了解决上述的技术问题,本发明的面向主动结构健康监测的高速无线传感网络节点包括设置在待监测结构中的压电驱动元件产生激励信号的高速结构激励模块、对结构响应信号进行调理的高速压电信号调理模块和对高速压电信号调理模块输出的信号进行采集的高速无线数据采集模块。

其中,高速结构激励模块包括低功耗计时器单元和信号放大单元,低功耗计时器单元产生的激励信号经过信号放大单元输入结构中的压电驱动元件;低功耗计时器单元主要组成为低功耗的555定时器,以产生驱动压电元件的激励信号,然后,该激励信号输出至压电驱动元件,对监测结构进行激励,实现主动结构监测。考虑到激励的压电陶瓷驱动元件为容性负载,为了消除容性负载造成的输出信号不稳定的问题,采用高增益及CF补偿的方法,即在运放的两端并联电容的方法,用于保持激励信号的稳定性。低功耗的设计要求是指在电池供电状态下,能够持续工作达数月甚至数年,工作电流为毫安或者微安级。高速数据采集是指采集系统的主要工作频率达到20MHz以上,数据采集速率达到或者超过10MSPS的量级。

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