[发明专利]一种基于无线传感网络及多主体协作的结构健康监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及工程结构健康监测技术领域，具体是一种基于无线传感网络及多主体协作的结构健康监测系统。

背景技术

工程结构的健康监测技术近年来一直是一个研究的热点方向。在航空航天领域，复合材料由于轻质、高强度、高模量，可提高飞机结构的效率，降低飞机结构重量系数，在飞机上的应用越来越多。目前国际上最先进的第四代战机F22，树脂基复合材料的用量己达到飞机结构重量的24%。总体而言，层合复合材料在减轻结构重量，提高承载能力和隐身等方面性能卓著，然而它在损伤、失效等方面的表现却是机理复杂，现象多样，判别困难。目前，在复合材料损伤的无损检测手段中，还不具备实时在线大面积监测的功能，且大多数设备复杂，成本高，费工费时，从而限制了复合材料的应用范围。在土木工程领域，重大工程结构，诸如跨江跨海的超大跨桥梁，用于大型体育赛事的超大跨空间结构，代表现代城市象征的超高层建筑，开发江河能源的大型水利工程，用于海洋油气资源开发的大型海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的祸合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。上述这些问题都迫切需要结构健康监测技术来加以解决。结构健康监测是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度等)，结合先进的信息处理方法和复合材料力学建模方法，提取特征参数，识别结构的状态，包括损伤，从而实现结构健康自诊断，以保证结构的安全和降低维修费用。

结构健康监测技术的研究已经历了20多年的发展，虽然在多个领域取得了不少进展，但要真正将该技术实用化，还必须解决智能结构的大范围集成问题。目前针对智能材料结构的研究，基本都在尺寸较小的试件上，在实验室进行。研究中所采用的器件数量大都较少，需要决策的目标相对简单，所需信号信息处理的运算量不大，需要传输的信息也较少，一些管理和协调的功能基本还不需要。作为一种原理性研究，这些方法是可行的。但如果针对实际工程应用对象，智能结构技术在应用时的情况就要复杂、困难得多。由于所要监测的结构不再是很小的试验件，因此所需的结构传感器件的数目、所需决策对象的复杂性都将大大增加，随之所带来的是结构健康监测网络的复杂程度、用于信号信息处理的运算量、需要通信、传输的信息量、系统各部分之间的管理、协调需求及监测网络所需消耗的能量等的急剧增加。这些问题限制了结构健康监测技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感网络及多主体协作的结构健康监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无线传感网络及多主体协作的结构健康监测系统，包括中央管理层和局部监测层，中央管理层与局部监测层之间通过网关相连；所述局部监测层包括多个局部监测单元，且每个局部监测单元均通过Sink节点无线连接至网关；所述局部监测单元由多个监测子单元组成，监测子单元均无线连接至Sink节点，监测子单元包括传感主体、数据处理主体、损伤评估主体和无线收发主体，所述损伤评估主体经无线收发主体通讯连接至Sink节点；所述中央管理层包括信息融合主体、中央协调主体和用户接口主体，所述网关无线通讯连接至信息融合主体和中央协调主体，信息融合主体和中央协调主体均通信连接至用户接口主体。

作为本发明进一步的方案：所述传感主体包括加速度传感器、电阻应变片、位移传感器和压力传感器，所述传感主体还包括调理模块，加速度传感器、电阻应变片、位移传感器和压力传感器均通过调理模块连接至数据处理主体。

作为本发明再进一步的方案：所述数据处理主体包括微处理器和存储器，数据处理主体连接至损伤评估主体，所述局部监测单元还包括数据库，损伤评估主体通讯连接至数据库，微处理器用于对获取的数据进行处理并将处理结果发送至损伤评估主体，损伤评估主体根据数据处理结果并调用数据库中的数据信息以对损伤状况进行评估。

作为本发明再进一步的方案：所述微处理器为8051微处理器。

作为本发明再进一步的方案：所述无线收发模块采用CC2530芯片。

作为本发明再进一步的方案：所述监测子单元还包括电源模块，电源模块分别电性连接传感主体、数据处理主体、损伤评估主体和无线收发主体。

作为本发明再进一步的方案：所述微处理器包括波形特征处理主体、傅立叶处理主体、小波处理主体、滤波及滑动平均处理主体、统计特征处理主体和结构模态参数处理主体。