[发明专利]一种基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统及方法，属于工程结构健康监测技术领域。本发明包括PC端、无线传输单元、RF射频天线、ZigBee网络、信号发生器、功率放大器、信号接口单元、压电传感器阵列单元、电荷放大器、数据采集卡、电源模块单元。压电传感器阵列单元由压电传感器根据不同需求排列成各类不同拓扑结构组成；无线传输单元由ZigBee芯片构成。本发明利用ZigBee无线传感网络传输压电传感器阵列单元采集到的Lamb波结构损伤信号，实现对被监测结构的实时在线监测。通过无线方式传输数据，能够有效的简化结构健康监测系统的连线复杂性，有利于压电传感器的大规模组网，降低运维成本，提高结构健康监测系统的准确性和实时性。

技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统及方法，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

构健康监测技术是利用集成在结构内部或表面的传感器网络来感知结构的状态，在线实时的获取与结构健康状态相关的信息，然后再利用相关的信息处理方法，提取与损伤相关的特征参数来识别结构的损伤状况，实现结构健康的自诊断。

目前，结构健康监测技术已广泛应用于航空航天、土木工程、管道、军事、电力等众多的工业领域,并取得了很好的效果。由于Lamb波对微小损伤敏感，压电元件的正逆压电效应，频响高，重复性好，既可以作激励器又可以作传感器等优点，基于Lamb波和压电传感阵列的结构健康监测方法在国内外已被很多学者研究，并取得了丰硕的研究成果。

但是目前基于Lamb波和压电传感器阵列的结构健康监测方法无论是在实际工程应用中，还是在实验室的研究中大多数都是通过有线的方式连接，这造成了传感器布置密集的地方导线连接复杂，给现场的施工带来了极大的不便，也不利于传感器的大规模组网。并且，有线连接方式难以维护和排查故障，极大地增加了运维成本，此外，若有连接线出现故障，则会严重影响信号的传输，降低损伤监测的准确性，甚至会导致监测结果错误，造成严重的后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统及方法，通过ZigBee技术对采集到的信号进行无线传输，简化结构健康监测系统的连线复杂性，有利于压电传感器的大规模组网，降低运维成本，解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统，包括PC端、无线传输单元、RF射频天线、ZigBee网络、信号发生器、功率放大器、信号接口单元、压电传感器阵列单元、电荷放大器、数据采集卡、电源模块单元。

无线传输单元由ZigBee芯片组成，压电传感阵列单元是根据不同的实际监测情况而设计的压电传感器阵列，可为不同型号或不同拓扑结构的压电传感器阵列。

无线传输单元芯片与信号发生器连接，信号发生器的同步信号输出端与功率放大器的信号输入端INPUT连接，经功率放大器放大的信号从功率放大器的信号输出端OUT输出后，通过信号接口单元连接到压电传感器阵列单元，为压电传感器提供激励信号。压电传感器阵列采集到相应的Lamb波响应信号后经信号接口单元与电荷放大器的输入端口相连，电荷放大器的输出端口再与数据采集卡的输入端口连接，采集到的Lamb波信号在数据采集卡中转化为数字信号后经输出端口输出，传送至无线传输单元，并与无线传输单元的芯片相连，数字信号由射频天线经无线传感方式传输到用户端无线传输单元，实现与PC端的通信。

压电传感器阵列单元是根据工程实际需要而设计的压电传感器阵列，其可以为不同的拓扑结构，如一维线性，二维矩形、三角形、环形等，压电传感器的型号、大小也可根据工程实际应用需求而定。

电源模块单元为信号发生器、功率放大器、电荷放大器、数据采集卡提供电源。

基于ZigBee无线传感网络与压电传感器的结构健康监测系统的使用方法，具体步骤为：