本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體檢測傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于雷達(dá)原理的結(jié)構(gòu)體健康傳感模塊。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)定義為對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測和特性描述。這是一個(gè)近20年來新興的概念。其主要專注的領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施的健康狀況，包括建筑物、橋梁、隧道以及航空工業(yè)。此外在水下管道系統(tǒng)(油管、光纖等)、高速公路、機(jī)械、醫(yī)療和電路板方面也有相關(guān)應(yīng)用。

2007年，美國，I-35公路橋梁由于超負(fù)荷而坍塌；2009年，德國，城市歷史檔案館由于地基形變坍塌；這兩個(gè)案例都是由于缺乏結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測而導(dǎo)致的基礎(chǔ)設(shè)施坍塌。其中的建筑物和橋梁分別由于地基形變和過度形變而導(dǎo)致的坍塌。美國克里夫蘭的一架已經(jīng)使用了50年的舊高速公路橋梁。該座橋梁在2009年被診斷出主鋼筋損壞以及過度形變。之后，在2014年這座橋梁被拆除并重建。

傳感器典型的感知參數(shù)(測量參數(shù))有應(yīng)變、壓力、溫度、傾斜率、濕度、腐蝕、振動(dòng)、壓強(qiáng)和水平程度。這些參數(shù)通過各式傳感器采集得來，包括：風(fēng)速計(jì)、加速度計(jì)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)變片、位移傳感器、溫度傳感器、全球定位系統(tǒng)、水平傳感器、動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備、氣壓計(jì)、雨量計(jì)、濕度計(jì)、腐蝕傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和電磁傳感器。

目前，由于高昂的成本開銷，結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)僅僅應(yīng)用在一些至關(guān)重要的大型橋梁和重要的摩天大樓上。在眾多橋梁中以香港昂船洲大橋?yàn)槔@座大橋上安裝有風(fēng)力和結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，是世界上最昂貴的數(shù)字化橋梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔為例。香港昂船洲大橋上總共安裝有1723個(gè)監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)。其中有82％(1416個(gè))的傳感器是應(yīng)變片和溫度傳感器。另一方面，安裝在哈利法塔上428個(gè)應(yīng)變片。對(duì)于此類至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)體來說，安裝全面健康監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的高成本是可以接受的；而對(duì)于其它大部分橋梁和建筑物，時(shí)常首先選擇定制的系統(tǒng)。這種定制的系統(tǒng)僅監(jiān)測部分結(jié)構(gòu)體參數(shù)，從而降低了成本。中國的一部分橋梁使用改造的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，使其能夠在技術(shù)上使用混合拓?fù)?，比如，通信：光纖，有線，或無線；能源：電力線，電池，或能量采集；傳感器類型：主動(dòng)式，或被動(dòng)式(無源)。

美國橋梁健康診斷的案例。結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測的重要性可以通過下面這個(gè)例子體現(xiàn)出來。從1990年開始，美國各地交通管理局要求以半年為周期目視檢查全部576,000個(gè)高速橋梁。這樣的檢測能夠發(fā)現(xiàn)橋梁的毫米級(jí)形變，從而召回維修部分結(jié)構(gòu)體已老化的橋梁。這樣的統(tǒng)計(jì)顯示：

1990年初期：美國將近35％的橋梁(236,000座)在結(jié)構(gòu)上或功能上有缺陷；

2006年：超過149,000座橋梁在結(jié)構(gòu)上有缺陷；

2012年：差不多25％的橋梁有缺陷。

值得強(qiáng)調(diào)的是，在監(jiān)測系統(tǒng)中感知的主要工作量集中在應(yīng)變測量和溫度測量上。橋梁損毀的主要原因是超載(常由重型卡車導(dǎo)致)，強(qiáng)風(fēng)和地震。這需要周期性的監(jiān)測由這些原因所導(dǎo)致的橋梁形變。高速公路橋梁的案例中，對(duì)橋梁形變程度測量的重要性是顯而易見的——僅通過目視應(yīng)變檢查就能預(yù)測橋梁損害的程度。應(yīng)變測量在評(píng)估建筑物沉降和傾斜狀況方面也是至關(guān)重要的，尤其在施工階段。

如果結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測在結(jié)構(gòu)診斷中是極其重要的，并且在當(dāng)前市場中也是現(xiàn)成的，那么問題是為什么周圍重要的基礎(chǔ)設(shè)施中并沒有這樣的系統(tǒng)？在這里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系統(tǒng)的高功耗和高維護(hù)的開銷，尤其是在電池供電或太陽能供電的案例系統(tǒng)中。系統(tǒng)精度漂移(尤其受溫度的影響)依然是一個(gè)無法忽略的因素。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，感知參數(shù)的數(shù)量等等。每個(gè)傳感器成本(cost per sensor)是評(píng)估一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)成本的很好的判斷依據(jù)。圖1所示為4座橋梁的成本對(duì)比，在這些橋梁里使用了光纖和無線監(jiān)測技術(shù)。昂貴的成本是全自動(dòng)結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)只安裝在少量重要橋梁的原因。中國橋梁估計(jì)成本大概在一到兩百萬美元。在安裝有自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁里，每個(gè)傳感器的成本大概在5000美元左右。

功耗(電池壽命)限制隨著近年來嵌入式無線傳感系統(tǒng)的發(fā)展，似乎實(shí)現(xiàn)一個(gè)高信價(jià)比的無線結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)無疑是近在眼前的。協(xié)同能源采集技術(shù)(太陽能或振動(dòng)能量)能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)解決方案。為了更好的去權(quán)衡成本與系統(tǒng)之間的關(guān)系，研究了一些當(dāng)前已部署的無線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。

以韓國的珍島大橋(344米長)為例，在這座大橋上安裝有113個(gè)節(jié)點(diǎn)(除開基站和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))，其中105個(gè)節(jié)點(diǎn)使用電池供電，額外8個(gè)節(jié)點(diǎn)使用太陽能充電電池供電。這些傳感節(jié)點(diǎn)用來測量橋梁加速度、應(yīng)變、溫濕度和風(fēng)速。每個(gè)傳感器的成本是500美元。該系統(tǒng)中主要的限制為兩方面：1)通信時(shí)間。由于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)沖突，從46個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)需要近30分鐘。2)電池壽命。節(jié)點(diǎn)裝備有大容量20,000mAh電池。若節(jié)點(diǎn)每天只采集數(shù)據(jù)4次，電池容量將在兩個(gè)月后減少至75％。電池容量發(fā)展的潛在原因遵守Eveready定律。相比于微處理機(jī)技術(shù)，電池容量的發(fā)展是非常緩慢的。當(dāng)前工業(yè)電池典型能量密度為150-200Wh/kg，1000次循環(huán)充電次數(shù)。這意味著任何裝備有可充電電池的無源系統(tǒng)將承擔(dān)高昂的維護(hù)經(jīng)費(fèi)(一般而言需每幾個(gè)月維護(hù)一次)。另外，由于傳感和通信的高功耗需求，完全無源的能量采集解決方案是沒有可行性的。

溫度導(dǎo)致的誤差溫度導(dǎo)致的誤差或許是作為隱藏的參數(shù)沒有被結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)制造商公開。由于結(jié)構(gòu)體的整體體積與溫度呈正相關(guān)，溫度的改變將導(dǎo)致明顯的誤差。其原因有多種，其中典型的有兩類：溫度影響傳感器(如應(yīng)變片)本身；溫度影響采樣設(shè)備(如數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。溫度導(dǎo)致的誤差程度常常達(dá)到由負(fù)載施加的正常應(yīng)變的六倍。為了解決這樣的問題，現(xiàn)有的系統(tǒng)使用溫度校準(zhǔn)在做測量補(bǔ)償。然而事實(shí)證明即便使用了溫度校準(zhǔn)，應(yīng)變測量錯(cuò)誤率依然居高不下，其誤差值常波動(dòng)在幾百微米到毫米之間。

另一個(gè)重要的方面是當(dāng)系統(tǒng)安裝、修復(fù)、維護(hù)或者升級(jí)過程系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。雖然這不是一個(gè)經(jīng)費(fèi)上的問題，但這些系統(tǒng)診斷和操作都需要專業(yè)的技術(shù)人員才能進(jìn)行，否則系統(tǒng)的最佳狀態(tài)得不到保障。

從實(shí)際情況上看，射頻干擾以及電磁干擾是另一種影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的因素。舉個(gè)例子，如果將監(jiān)測系統(tǒng)修建在靠近輸電干線和GSM信號(hào)塔旁，系統(tǒng)將嚴(yán)重受到這些噪聲源的影響。一般情況下，監(jiān)測系統(tǒng)在此類環(huán)境下工作狀態(tài)得不到任何保障。相比之下，基于光纖的系統(tǒng)有著更好的可靠性，而基于ADC的系統(tǒng)卻會(huì)受到很大的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供基于雷達(dá)原理的結(jié)構(gòu)體健康傳感模塊，解決現(xiàn)有技術(shù)中所使用結(jié)構(gòu)體檢測傳感器抗干擾能力差且成本高昂等技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于雷達(dá)原理的結(jié)構(gòu)體健康傳感模塊，包括電源和控制信號(hào)，還包括外接傳感器模塊，其中包括雷達(dá)脈沖發(fā)生器，接收電源輸出的直流電壓，還接收控制信號(hào)；傳感器組，用于采集結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化信息；其中，所述的外接傳感器模塊按控制信號(hào)選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號(hào)至所述的傳感器組，并接收所述傳感器組輸出的應(yīng)力變化傳感信號(hào)；其中，所述的外接傳感器模塊還輸出具有應(yīng)力變化信息的反饋信號(hào)。

上述方案中，所述的外接傳感器模塊，包括主控模塊，用于提供控制、通信和處理；雷達(dá)脈沖發(fā)生器，用于提供傳感器組信號(hào)源，接收主控模塊輸出的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)；雷達(dá)脈沖存儲(chǔ)電容，接收并存儲(chǔ)雷達(dá)脈沖發(fā)生器輸出的雷達(dá)脈沖信號(hào)；開關(guān)電路，接收主控模塊輸出的選擇信號(hào)并選擇地釋放雷達(dá)脈沖存儲(chǔ)電容的雷達(dá)脈沖信號(hào)至傳感器組；計(jì)時(shí)模塊，用于測量雷達(dá)脈沖飛行時(shí)間，接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號(hào)；高頻時(shí)鐘晶振，用于提供采樣基準(zhǔn)，輸出高頻計(jì)時(shí)基準(zhǔn)時(shí)鐘至計(jì)時(shí)模塊；系統(tǒng)時(shí)鐘晶振，用于提供工作基準(zhǔn)，輸出工作基準(zhǔn)時(shí)鐘至主控模塊；通信模塊，接收控制信號(hào)并發(fā)送至主控模塊或發(fā)送主控模塊的反饋信號(hào)。

上述方案中，所述的傳感器組，選用無源傳感器組，無源傳感器組其中包括溫度傳感器和應(yīng)力傳感器，采集結(jié)構(gòu)體的溫度變化信息和被動(dòng)地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的應(yīng)力變化信息；

上述方案中，所述的外接傳感器模塊，還包括溫度補(bǔ)償模塊，溫度補(bǔ)償模塊接收主控模塊輸出的簡易雷達(dá)脈沖信號(hào)并且其還輸出補(bǔ)償脈沖信號(hào)至計(jì)時(shí)模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)傳感器模塊結(jié)構(gòu)不僅可以通信還可以接收傳感器組采集數(shù)據(jù)；

(2)在對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集方面，現(xiàn)有技術(shù)使用傳統(tǒng)方法(ADC+惠斯通電橋)，而使用雷達(dá)測量電阻值(應(yīng)力和溫度)方法；兩種方法原理不同，前者為測量電壓，后者為測量時(shí)間，后者抗數(shù)據(jù)干擾、精確度高且計(jì)算速度快。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的傳感器示意圖；

圖2為本發(fā)明更詳細(xì)的傳感器原理圖；

圖3為本發(fā)明的溫度補(bǔ)償模塊示意圖；

圖4為本發(fā)明的雷達(dá)脈沖測量過程時(shí)序變化示意圖。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1

如圖1，基于雷達(dá)原理的結(jié)構(gòu)體健康傳感模塊，還可以進(jìn)一步這樣實(shí)施，包括控制信號(hào)和射頻信號(hào)，還包括能量采集模塊，用于能量吸收，匹配接收射頻信號(hào)；能量管理模塊，用于作為驅(qū)動(dòng)電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號(hào)；外接傳感器模塊，接收能量管理模塊輸出的直流電壓，還接收控制信號(hào)；傳感器組，用于采集結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化信息和溫度信息；其中，所述的外接傳感器模塊按控制信號(hào)選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號(hào)至所述的傳感器組，并接收所述傳感器組輸出的應(yīng)力變化傳感信號(hào)；其中，所述的外接傳感器模塊還輸出具有應(yīng)力變化信息的反饋信號(hào)。

所述傳感器組的參數(shù)，應(yīng)變片測量范圍為1000–5000με，應(yīng)變片精度為10με，溫度測量范圍為-40到+125℃℃，溫度精度為±0.5℃–±0.3℃(每次測量將在片內(nèi)采樣250次取平均值)，濕度測量范圍為0-100％RH，濕度精度為±3％RH溫度漂移為Δε<100μm(-20到+100℃)，校準(zhǔn)無(不需要)，誤報(bào)率為0％(250次片內(nèi)采樣避免了系統(tǒng)誤報(bào))，受射頻/電磁影響無。

如圖2所示，該模塊用于結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測。整個(gè)模塊通過主控電路控制。雷達(dá)測量的核心由雷達(dá)脈沖發(fā)生器、脈沖存儲(chǔ)電容、開關(guān)電路、無源傳感器組和計(jì)時(shí)模塊組成。主控控制雷達(dá)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，產(chǎn)生的脈沖被存儲(chǔ)在脈沖存儲(chǔ)電容之中。當(dāng)積累的脈沖足夠時(shí)，主控控制開關(guān)電路釋放脈沖。釋放的脈沖信號(hào)通過傳感器之后攜帶著傳感器的信息，并由高精度計(jì)時(shí)模塊測量。在獲得傳感器信息之后，計(jì)時(shí)模塊將傳感器信息發(fā)送給主控。模塊使用兩個(gè)時(shí)鐘晶振。其中系統(tǒng)時(shí)鐘晶振為主控提供工作節(jié)拍，而獨(dú)立的高頻時(shí)鐘晶振為計(jì)時(shí)模塊提供測量節(jié)拍。此外，通信模塊負(fù)責(zé)與外部電路(如MCU、處理器等)通信，將測量數(shù)據(jù)上傳或接收控制命令。

對(duì)于溫度變化導(dǎo)致傳感器測量的誤差，可以使用溫度補(bǔ)償來減少。如圖3所示，溫度補(bǔ)償模塊內(nèi)部有溫敏電阻、高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻和放大器。溫敏電阻的電阻值會(huì)隨著溫度呈現(xiàn)線性變化，而高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻受溫度影響極小。溫度補(bǔ)償測量過程與傳感器測量過程類似。與傳感器測量過程不同的是：溫度補(bǔ)償是由主控電路內(nèi)部產(chǎn)生簡易雷達(dá)脈沖，該脈沖分別經(jīng)過溫敏電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻后經(jīng)放大器放大后成為補(bǔ)償脈沖信號(hào)，由計(jì)時(shí)模塊測量，并將測量結(jié)果發(fā)送給主控。之后主控經(jīng)過計(jì)算得到溫度比率，作為溫度補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。

實(shí)施例2

基于實(shí)施例1，參考時(shí)鐘為高頻時(shí)鐘晶振輸入，默認(rèn)精度為250ns(可以通過更換不同的時(shí)鐘晶振來改變這個(gè)值)。參考時(shí)鐘負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)時(shí)差進(jìn)行粗計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)果為參考時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。

高速時(shí)鐘單元可參數(shù)高達(dá)15ps(皮秒)的時(shí)間精度，用作高精度計(jì)時(shí)。高速時(shí)鐘單元并非隨時(shí)工作，而是僅在開始計(jì)時(shí)、停止計(jì)時(shí)以及校準(zhǔn)計(jì)時(shí)才使用。這樣的策略使得在保證計(jì)時(shí)精度的情況下，使得系統(tǒng)測量功耗降至極低。

當(dāng)開關(guān)電路打開發(fā)送脈沖時(shí)開始計(jì)時(shí)；當(dāng)脈沖通過傳感器組后回到計(jì)時(shí)模塊時(shí)停止計(jì)時(shí)。可求得時(shí)間間隔ΔT:

$\mathrm{\&Delta;}T=\frac{T_{ref}}{CalC2-CalC1}\&times;(HC1+CC-HC2)$

其中Tref為參考時(shí)鐘周期，HC1為高精度計(jì)時(shí)1，HC2為高精度計(jì)時(shí)2，粗計(jì)時(shí)cc，CalC1為校準(zhǔn)計(jì)時(shí)1，CalC2為校準(zhǔn)計(jì)時(shí)2。

另外，關(guān)于抗干擾特性。本發(fā)明設(shè)備收到周圍信號(hào)的干擾本質(zhì)是由于系統(tǒng)工作會(huì)收到外界電磁干擾的影響。但是對(duì)于本發(fā)明系統(tǒng)這樣的無源設(shè)備，在沒有工作時(shí)系統(tǒng)是未上電的，不會(huì)收到外界電磁干擾。本發(fā)明系統(tǒng)屬于輪詢檢測，比如每過兩個(gè)月工作一次采集數(shù)據(jù)，每次工作時(shí)間為幾秒鐘到幾分鐘。絕大部分的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)都不受外界干擾。在系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)采集到的應(yīng)力信息直接為數(shù)字信號(hào)，這樣避免了在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)由于環(huán)境干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，故抗干擾能力強(qiáng)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。