[发明专利]基于无线传感器网络的管道结构损伤监测系统

说明书

本发明公开了一种基于无线传感器网络的管道结构损伤监测系统。该系统包括压电阵列、若干损伤监测节点、无线传感器网络基站与损伤评估单元，所述压电阵列设置在管道外表面，用于响应于损伤监测节点发出的激励信号产生高频超声导波信号，所述压电阵列同时用于接收遇管道损伤反射回来的回波信号；所述损伤监测节点用于采集回波信号并对其进行放大后发送给无线传感器网络基站；所述损伤评估单元用于根据无线传感器网络基站接收的回波信号进行损伤诊断，并对管道损伤位置进行定位与成像。本发明对节点上传的损伤信息进行诊断，能在日常检查过程中及时反馈管道结构健康状况，给维护工程师提供准确的损伤信息，预防安全事故的发生。

技术领域

本发明属于结构健康诊断技术，具体为一种基于无线传感器网络的管道结构损伤监测系统。

背景技术

管道结构在工程项目中使用的越来越频繁，大部分管道结构随着使用年限的增加，不可避免会受到冲击、气液体腐蚀、材料老化等影响，导致管结构内部运输物质的泄露。因此，管线结构破坏成为了安全事故发生的重灾区。尤其是在油气、液体运输的过程中，管道通常承受着巨大的载荷与冲击，极易出现突发性的崩坏，带来严重的安全隐患及难以估量的财产损失。

目前，大部分工程管线维护人员通过敲击管道产生的异响或者有线的结构健康监测设备来判断管状结构的损坏，然而，管道结构往往很长且周围环境十分复杂，仅通过经验判断会存在很大的主观因素从而导致判断的不准确。出现异响等情况时，说明管道已经出现损坏，管线继续运转已经存在极大安全风险，人为的维护对管线监测来说不具有实时性；另一方面，在实际应用中，有线结构监测系统往往需要铺设大量电缆，造成系统维护和更新费用高、机动性差、布线困难等问题。这种传统检测方式对于维护人员来说，造成了极大的不便。同时，管道一般为空心结构，内部损伤无法通过直观方式判断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的管道结构损伤监测系统，用以解决现今对管线安全检测时布线麻烦、操作复杂、实时性差等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于无线传感器网络的管道损伤监测系统，包括压电阵列、若干损伤监测节点、无线传感器网络基站与损伤评估单元，所述压电阵列设置在管道外表面，用于响应于损伤监测节点发出的激励信号产生高频超声导波信号，所述压电阵列同时用于接收遇管道损伤反射回来的回波信号；所述损伤监测节点用于采集回波信号并对其进行放大后发送给无线传感器网络基站；所述损伤评估单元用于根据无线传感器网络基站接收的回波信号进行损伤诊断，并对管道损伤位置进行定位与成像。

优选地，所述压电阵列为压电片组，一组压电片组包括2片相距为30cm的同规格圆形压电片，所述压电片组沿管道径向方向以20cm距离等间距设置。

优选地，所述压电片组的数量为6组以上。

优选地，所述损伤监测节点包括FPGA核心处理模块、激励信号发生模块、数据高速采集模块、可调信号放大模块、无线传输模块以及供电模块，所述激励信号发生模块用于产生激励信号，所述数据高速采集模块用于采集压电阵列接收的反射回波信号，并将其转换为数字信号；所述可调信号放大模块用于对激励信号、数字信号进行放大，所述无线传输模块用于分配损伤监测节点的IP地址并将放大后的数字信号发送出去。

优选地，所述损伤监测节点产生的激励信号为频率厚度积为0.52MHz·mm，中心频率为260kHz，波峰数为5的正弦调制信号，具体为：

I(t)＝[H(t)-H(t-N/f_c)]×(1-cos(2πf_ct/N))sin 2πf_ct

式中f_c为激励信号的中心频率，H(t)为Heaviside函数，N为sin调制信号的波峰数。

优选地，无线传感器网络基站为CC2630无线模块。