[发明专利]基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种微电容测量和无线射频通信的无线结构健康监测系统。

背景技术：

传统的结构健康监测技术主要采用有线的传感器，如传统结构健康监测系统需要繁琐的电缆把传感器测量系统与控制中心相连，这样既难以进行长期监测，电缆的使用使得信号易受干扰，还需对电缆进行维护。J.P.Lynch，K.H.Law等人提出的无线监测系统利用一个中央处理器，把获取的信号进行预处理，最后通过无线的方式把信号传送到中央控制室。并且许多结构在使用中是旋转的，监测系统必须是无线的，这样，有线传感器就难以使用。而随着现代传感技术、微机电技术、以及无线通信技术的发展，无线传感监测技术逐步发展，如利用WSN、GPRS互联网、Zigbee等技术不仅解决了上述问题，还可实现远程采集、传输结构的应变信息。

目前结构健康监测正向智能化方向发展，要解决的关键问题是实现长期、在线、实时监测，在此基础上进一步实现结构的自修复功能。将一定体积比的形状记忆合金(Shape Memeory Alloy，SMA)丝埋入复合材料，可对复合材料结构起到明显增强的作用。SMA增强复合材料结构是一种新的混杂结构，对这种新结构投入实际工程应用必须研究在线的结构状态监测方法。通过附加传感元件监测复合材料结构的应变或内部状态是结构健康监测的主要技术之一。这种技术存在以下的几个问题：(1)如果结构刚度较低或变形较大，则埋入或粘贴的传感元件易阻碍结构的受力或变形；(2)传感元件和结构刚度的差异可能引起传感元件和结构的剥离；(3)许多结构在使用中是旋转的，监测系统必须是无线的，这样有线传感元件就难以使用。

无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，是利用射频信号进行非接触双向通信，以自动识别目标对象并获取相关数据。RFID的实际应用中，附着在被识别的物体上(表面或内部)的电子标签，一般只存储有关物体自身的一些基本信息，系统无法通过标签了解物体的状态及其与环境之间的变化信息，且RFID抗干扰性较差、传输距离有限(有效距离一般小于10m)，因此，RFID自身存在的这些不足之处对它的应用构成一定的限制。

对埋入形状记忆合金丝增强的混杂复合材料结构，其中一定规格和布局的形状记忆合金丝对复合结构起增强作用，而另外一定规格和布局的形状记忆合金丝可视作电容器的电极，结构的变形会引起电容量的变化，通过监测结构变形引起的微电容变化，可实现结构状态的监测。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种实现对结构损伤程度的实时评价，为实时、在线以及智能化的结构无线健康监测提供一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测的新方法和系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于微电容测量的SMA复合结构无线健康监测系统，其特征是：有用于采集SMA增强复合结构电容变化信息的传感标签，传感标签与用于无线控制传感标签和接受传感标签信号的前端读写器通过无线方式连接，前端读写器与用于将命令和数据进行转发的中继读写器通过无线方式连接，中继读写器与用于接收上位机的命令和中继读写器转发过来的数据包的终端读写器通过无线方式连接，终端读写器与用于接收、处理终端读写器传输信息的上位机连接。

所述的传感标签包括微处理器模块，微处理模块与电容测量模块及无线收发模块连接，电容测量模块主要由PS021芯片构成。

所述的前端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

所述的中继读写器包括微控制器模块，微控制器模块与数据存储模块及无线收发模块连接。

所述的终端读写器包括微控制器模块，微控制器模块与串口模块及无线收发模块连接。

传感标签模块通过PS021芯片测量复合结构的电容信息，并按照相关通讯协议发送测量结果给读写器模块；电容测量模块主要由PS021芯片构成，由于SMA复合结构中任意两丝可作为电容器的两极，将两极引线连出接入PS021电容测量电路，即可测量复合结构中SMA丝间的电容信息，将测量结果转化为数字信息直接传送给微处理器；无线收发模块由PTR4000构成，接收微处理器发送的测量结果，把结果无线发送给读写器，并接收读写器发送的控制信息，完成射频信息的无线收发；微处理器模块主要由C8051F330单片机组成，可通过与单片机I/O口相连的开关来控制多个传感标签的同时工作。当开关打开时，单片机向PS021写控制字，触发测量芯片工作，再把PS021输出的数据存储下来，最后将存储好的数据发送给PTR4000芯片，经由该芯片发送的测量结果，并接收读写器发送给该芯片的PS021芯片寄存器控制信息。