（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于压电材料的结构应变在线监测系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 应力应变信号是船舶与海洋工程结构健康监测技术最为重要的参数之一。因此，建 立结构应变在线监测系统就成为必要。本文开发一种基于压电材料的结构应变在线监测 系统。本系统可以长期在线监钡6 船舶与海洋结构的应力应变，并具有预警功能；同时可 以将采集到的数据上传至上位机进行存储；无线通信方式有效的避免了在船舶与海洋结 构物上进行布线，减少了繁重的工作量。系统具有体积小、功耗低、电路构造简单等特 点。 论文研究了结构应变在线监测系统的组成、硬件结构设计和软件开发方法，并介绍 了各个模块在系统中的作用。主要包括以下内容： 首先，系统的硬件设计。本系统主要采用p v d f 压电薄膜作为传感器，以m s p 4 3 0 单片机为核心，利用n r f 9 0 5 无线收发芯片设计构成。整个系统分为三个模块：数据采 集模块、数据发射模块、数据接收模块。数据采集模块使用f v d f 压电薄膜进行结构应 力应变信号采集，使用微控制器内部集成的模数转换器a d c l 2 进行电压数据的模数转 换，再通过数据发射模块将采样数据发射出去，数据接收模块负责接收数据并将数据通 过串口上传至上位机进行分析和处理，上位机还可以将数据保存下来以备后用。 其次，系统的软件设计。系统软件设计分为两大部分：数据发送部分和数据接收部 分。通过编程对m s f 4 3 0 单片机的功能模块进行设置并配置n r f 9 0 5 无线模块的各寄存 器，然后由软件控制硬件，完成数据的采集、发射、接收和上传至上位机的功能。同时 可以在软件中设置预警值。 最后，实验验证工作。通过本文实验研究，进一步验证了如下关系：当钢板上表面 应力的幅值r 相同时，应力的频率，与上位机输出电压v 的关系；当钢板上表面应力的 频率，相同时，r 与y 的关系；p v d f 薄膜面积a 与y 的关系。并且通过对比上位机软 件显示的电压波形图与数据采集模块的输出电压波形图的方法对系统的无线数据采集 及在线监测功能进行了验证。 关键词：p v d f 压电薄膜；在线监测；m s p 4 3 0 ；n r f 9 0 5 ；无线通信 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 r e s e a r c ho ns t r u c t u r a ls t r a i no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n g p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l a b s t r a c t s t r u c t u r a ls w a i l li st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ri ns h i pa n dm a r i n es t r u c t u r e sh e a l t h m o n i t o r t h e r e f o r e e s t a b l i s h m e n to fs t r u c t u r es t r a i no n f i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sb e i n gm o r e a n dm o r en e c e s s a r y as t r u c t u r a ls t r a i no n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l i sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mc a nm o n i t o rt h es t r e s sa n ds t r a i no fs h i pa n dm a r i n e s t r u c t u r e so n - l i n ef o rl o n gp e r i o d ，a n dp r e l i m i n a r yw a r n i n gf u n c t i o ni sa v a i l a b l e a tt h es a m e t i m e ，t h ep r o b e dd a t ac a nb eu p l o a d e da n ds a v e dt ot h eh o s tc o m p u t e r t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d ee f f e c t i v e l ya v o i d sw i r ed i s p o s a lo ut h es h i pa n dm a r i n es t r u c t u r e s a n d r e d u c e sh e a v yw o r k l o a d 1 1 l es y s t e mh a so b v i o u sa d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lv o l u m e 1 0 w p o w e rc o n s u m p t i o n ，s i m p l ec i r c u i tb o a r da n ds oo n t h et h e s i ss t u d i e st h ec o m p o s i t i o no ft h es t r u c t u r a ls t r a i no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m , h a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o di nd e t a i l t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e s 也e r o l eo fa l lt h ep a r t s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h et h e s i si ss h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eh a r d w a r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nm s p 4 3 0s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r a n dn r f 9 0 5w i r e l e s st r a n s c e i v e rt h i ss y s t e mi sd e s i g n e dw i t hp v d ff i l mt h a ti su s e da ss t r a i n s e u s o r 1 1 1 i ss y s t e mc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ：d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t ae m i s s i o nm o d u l e ， a n dd a t ar e c e i v i n gm o d u l e t h es t r u c t u r a ls t r e s sa n ds t r a i ni sp r o b e dw i t hp v d ff i l mi nd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e a d c l 2 t h ea n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ri n t e r n a li n t e g r a t i o ni n t h e m i c r o c o n t r o h e r , i su s e dt oa n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o no fv o l t a g ed a t a n ep r o b e dd a t aa r es e n t b yd a t ae m i s s i o nm o d u l e , a n dr e c e i v e db yd a t ar e c e i v i n gm o d u l e a tt h es a l n et i m et h ep r o b e d d a t ac a nb eu p l o a d e da n ds a v e dt ot h eh o s tc o m p u t e r s e c o n d l y ，t h es o f t w a r eo fs y s t e mi sd e s i g n e d t h cs o f t w a r ed e s i g no fs y s t e mc o n s i s t so f t w op a r t s ：t h ed a t as e n d i n gp a r ta n dt h ed a t ar e c e i v i n gp a r t 皿ef u n c t i o n a lm o d u l eo f m s p 4 3 0s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri ss e ta n de a c hr e g i s t e ro fn l 强9 0 5w i r e l e s st r a n s m i t t a l m o d u l ei se o n f e e t e dt h r o u g hp r o g r a m m i n g , a n dt h e nh a r d w a r ei sc o n t r o l l e db ys o f t w a r e n c f u n c t i o n ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ae m i s s i o n , d a t ar e c e i v i n ga n du p l o a d i n gt ot h eh o s t c o m p u t e ra r ea v a i l a b l e a tt h es a n l et i m e ，e a r l yw a r n i n gv a l u ec a nb es e ti nt h es o f t w a r e l a s t l y , e x p e r i m e n t a le x a m i n a t i o ni sd o n e t h r o u g ht h er e s e a r c hi nt h i st h e s i s ，t h e f o l l o w i n gr e l a t i o n s h i p sa r ef a r t h e rv e r i f i e d ：t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r e s sf r e q u e n c y ( ，) a n dt h eo u t p u tv o l t a g eo fh o s tc o m p u t e r ( y ) w h e nt h es t r e s sa m p f i t u d e ( r ) a tt h es u r f a c eo f 大连理工大学硕士学位论文 t h ep l a t ek e e p sc o n s t a n t ；t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n ( t ) a n d ( v ) w h i l et h es t r e s sf r e q u e n c y ( ，) k e e p sc o n s t a n t ；t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea l e ao fp v d f ( a ) a n dc 以a l s o ，t h et h e s i st e s t s t h ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h eo n l i n em o n i t o r i n gm o d u l et h r o u g hc o m p a r i n g t h ev o l t a g ew a v e f o r mf r o mt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h ev o l t a g ew a v e f o r mf r o mt h ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u i e k e yw o r d s ：p v d ff i l m ：o n - l i n em o n i t o r i n g ：m s p 4 3 0 ：n r f 9 0 5 ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：丝! ! 坐乡 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲监丝 导师签名：塑幽 丛年月堕日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 结构健康监测的研究概况 结构健康监测与损伤修复是当前结构工程学科中十分活跃的研究领域，这一领域的 研究有着广泛而深远的工程背景【l 】结构一旦受到损伤，结构健康状况就遭到破坏。结 构在服役期内承载力下降被定义为结构的损伤，结构承载力的下降一般是由结构构件及 其连接件的受损引起的，所有的承载结构在服役期内的损伤都是逐渐形成的，没有检测 出来的一些损伤会引起结构破坏，甚至会导致重大事故，造成重大人员和财产损失。因 此，及早地检测损伤并采取适当的修补措施是十分必要的。对海洋平台、航空航天器和 大跨度桥梁等复杂结构来说，对其结构进行健康状态监测与诊断就显得极为重要。如果 有些重要结构出现损伤而不能及时发现，损伤将迅速发展，很快导致结构破坏，后果不 堪设想。二战期间，在美国制造的全焊接船舶中，有近千艘出现裂纹，二百多艘发生严 重断裂破坏。1 9 8 0 年3 月，英国、北海e k o f i s k 油井的a l e x a n d e r 号钻井平台倾 覆，造成巨大的人员伤亡和财产损失。事故分析表明，裂纹从撑管与支腿连接的焊缝处 起始，在海洋环境诱导交变载荷的作用下扩展至1 0 0 多毫米后导致结构断裂，引发事故。 为避免因设备结构的老化、疲劳和腐蚀而造成重大事故，就要求能及时发现损伤，以便 对其进行及时维修，以免后患。特别是在航空、航天、海洋、船舶、桥梁和军事装备等 方面不断出现大型、复杂结构的今天，为了保证结构和人员的安全、减少经济损失、避 免灾难性的悲剧发生，人们不锝不越来越重视各种工程结构健康监测和故障诊断技术闭。 鉴于以上工程事故的各种灾难性后果，很多国家和地区都在一些结构上尝试性地布 设了一些基于不同传感元件的结构健康监测系统。美国人f u h r 等1 3 】在w i a o o s k i 水电站 布设了有光纤振动、压力、温度等传感器组成的健康监测系统，并且该系统于1 9 9 3 年 成功地监测到了2 号发电机组的异常振动情况，及时排除了险情，避免了一场重大事故 的发生。日本与瑞士等国m 】也相继进行了相关方面的研究和实验，并取得了一定的成 果。我国土木工程界的专家也认识到了结构健康监测的重要性，并且进行了相关的研究 和实验。例如，香港青马大桥安装了5 0 0 个加速度传感器，粘贴了大量的应变片并开发 了一套g p s 系统，用来进行长期的健康监测，并从结构的动态性出发，获得了系列性 成果不过应变片短期内就失去了功效，使其不能进行局部的长期监测婀贵州省的冷 饭盒大桥在施工阶段成功的将1 0 0 多个不同类型的结构应变传感器布设在拱桥上，用来 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 验证大桥的设计，考察结构受力的合理性，优化施工工艺和方法，并对施工过程中的构 件各阶段的内力( 应力) 分布进行了实时监测【7 j 。 虽然结构健康监测技术已经取得了一些成绩，并在许多方面作了尝试，但严格的说 世界上尚没有建立一个完全满足实际工程需要的长期健康监测系统。主要是由于组成系 统的设备的稳定性、耐久性和分布范围不能满足实际工程的需要，其次是系统的成本过 高不能普遍推广应用，最后就是现有的健康监测用传感元件在稳定性和耐久性上不能很 好的满足结构的局部健康监测的需要。 对结构进行健康监测就是检测结构损伤，结构损伤检测技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代，经过三十多年的不懈努力与探索，人们已经总结出很多行之有效的方法p 1 2 1 ，按 损伤识别所用的信息分有：基于固有频率变化、基于振型变化、基于柔度变化、基于刚 度变化、基于能量变化、基于频响函数变化和基于统计信息等多种结构损伤识别技术【2 】。 但是，这些技术所需的设备仪器价格昂贵，方法复杂，实际数据的解释还需专业人员， 有些方法在测量过程中会改变结构本身的特性而产生较大的误差，所以这些方法应用于 实际的船舶与海洋工程结构是很不方便的。因此，很有必要开发一种适用于船舶与海洋 工程结构的长期在线监测系统。 1 1 2 应力应变测量方法简介 结构健康监测的前提是从结构中提取能反映结构特性的参数信息，如应力、应变、 温度、速度、加速度、位移等局部或整体信号，鉴于目前从整体上对船舶及海洋工程结 构的损伤识别与定位技术尚未成熟，没有可供直接应用的技术，局部监测仍是目前的主 要方法。最能反映结构局部特性，且便于对结构安全评价与损伤定位的是应变信号，应 变信号是船舶与海洋工程结构健康监测最为重要的参数之一。因此，建立结构应变在线 监测系统就成为必要。下面简单介绍一下几种应力应变测量方法。 1 1 2 1 电阻应变片 目前，无论在建筑、地质、石油开采、金属加工、航空航天、机器人领域，还是在 体育、医疗方面无不存在测力传感器的应用。在不同工作原理的测力传感器中，电阻应 变式传感器以其优越的性价比和抗干扰能力在机械测量技术领域得到广泛应用但它仍 然存在很多缺陷：成活率低、寿命短、布设工艺复杂、稳定性与耐久性差、抗电磁干扰 性差、不能进行分布式测量、易受腐蚀、信号处理系统复杂等。此外，如果结构中埋入 大量的电阻应变片导致过多的导线存在，就会影响结构的机械性能。大量的实验表明， 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 这类传统的传感器不适于长期的粘贴在结构物表面进行实时在线监测。因此，研究开发 在稳定性与耐久性上满足工程需求的传感元件是从根本上解决健康监测的核心问题。 1 1 2 2f b g 传感器( 光纤光栅传感器) ( 1 ) f b g 传感器的优势： f b g 传感器为全光纤无源器件，抗电磁干扰，可用于一些恶劣环境的检测，如 煤气旁，矿井下，油田以及油罐周围，核设施周围等；易于植入或附着在结构表面，能 够实时提供应变、温度以及结构完整性方面的信息。 f b g 传感器对被测信息以波长绝对编码，它不受光源功率波动、光纤弯曲以及 其他器件的插入损耗等因素引起影响，因而具有非常好的可靠性。 传感探头结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高，适于各种应用场合，尤其适 于埋入材料内部构成所谓的智能材料结构旧。 可复用性强，通过波分复用、空分复用、时分复用技术可以构成f b g 传感网络， 来溺量外界温度、应力场作用下的大量待测目标的零件和对间特征。 ( 2 ) f b g 传感器的问题： 温度与应变交叉敏感问题。由于f b g 中心波长的漂移量是温度和应变函数，所 以在实际应用中，环境温度的变化将严重影响测量的精度。实验表明，当温度在2 晰0 0 c 范围变化时，光栅中心反射波长变化约l n m ，严重影响了其在应变测量方面的应用【1 4 1 。 f b g 的稳定性和耐久性问题。大型土木工程结构的设计使用寿命一般为几十年 甚至上百年，所以f b g 的长期稳定性和耐久性直接影响到f b g 传感器在土木工程结构 长期健康监测的应用。影响f b g 稳定性和耐久性的因素很多，如环境温度、湿度、化 学腐蚀等。人们发现f b g 的中心波长、折射率、反射率会随着时间和温度的变化而变 化，影响到了传感器的长期稳定性。 f b g 传感信号解调问题。f b g 传感信号的解调技术一直是限制f b g 传感器实 用化和产业化的一大障碍。目前研究的f b g 传感解调方法很多，如滤波解调法、干涉 解调法、色散解调法、可调谐窄带光源解调法等，但是能实际应用的解调产品并不多， 而且价格昂贵。因此要想让f b g 传感器走向实用化就必须加大力度对f b g 解调方法的 软硬件研究，提高精度，降低成本。 1 1 2 3 压电陶瓷p z i 智能材料结构( 如压电陶瓷p z t ) 的引入，使结构的健康监测技术得到突飞猛进的 发展。其中压电材料是智能材料系统中应用最为广泛的一类传感材料，石英和压电陶瓷 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 是两大类性能较好的压电材料，它们都获得了广泛的应用，但这两类材料的共同缺点是 密度大、硬而脆、不耐冲击、难于加工、工作频带窄，更难制成轻小而柔软的压电元件。 1 1 2 4p v d f 压电薄膜 近年来研制开发一种新型的压电材料p v d f ( 聚偏二氟乙烯) 压电薄膜很好地克服 了这些困难，不但具有前两类压电材料灵敏度高、性能稳定的特点，而且还具有质轻柔 软、耐冲击、强度大、耐腐蚀等优点。p v d f 薄膜区别于一般压电材料的特征在于其具 有很好的韧性，能制各成大面积的薄膜，薄膜厚度可以从几个微米到一百多个微米不等， 可以根据需要加工成任意面积、形状的结构，与基体结合后对结构的性能影响很小。对 于机械应力或应变的变化具有极快速的响应，频响范围宽( 0 1 h z 到几个g h z ) ，因此 适合用作传感元件。p v d f 测量应变，利用了p v d f 薄膜横向变形输出电荷的原理，由 于p v d f 压电薄膜存在漏电阻，产生的电荷有一定泄漏，因此更适用于结构的在线动态 监测。本课题正是基于压电材料( p v d f 压电薄膜) 的结构应变在线监测系统研究。开 发一种经济实用，操作简单，能够真正长期适用于船舶与海洋结构物的微型在线监测系 统。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 聚合物压电薄膜经过4 0 多年的发展，已进入实用化阶段 1 5 - 2 0 l 。我国早在6 0 年代中 期就开始了对聚偏二氟乙烯( 由单体偏氟乙烯c f 2 = c h 2 聚合而成，英文名p o l y v i n y l i d e n e d i f l u o r i d e ，简称p v l ) f ) 薄膜的研究。从1 9 7 7 年，中国科学院上海化学研究所开始研制 压电性p v d f 及其共聚物后，它的应用则日趋广泛，几乎涉及到所有领域【2 1 1 。国际上， 它的应用同样很广泛，厚度从9l lm 到5 0 0um 的薄膜在市场上均有销售【捌。 目前，结合利用p v d f 传感器补偿性的红外检测器，可以用来建立入侵警报、交通 灯切换和电梯自动等系统1 2 l 】：压电薄膜在防污方面的应用也正在研究中【矧：在美国，联 邦交通管理局已考虑将p v d f 用来记录路面振动情况，以便了解公路交通状况；一晕巾可 以用来检测石墨环氧树脂复合结构缺陷的“便携式自动远程检查系统”，关键元件是 含1 0 2 4 个换能器的p v d f 压电薄膜嘲；在建筑方面例，p v d f 压电薄膜被用在如桥梁、 大坝、房屋等大型建筑的测振减震上：在医学上，目前至少有三家公司正在生产一种能 够用来防止婴儿猝死的呼吸检测器。 在高科技应用，如声纳、无损检测、凹面镜和能量产品等方面，建议使用更新、厚 度为0 2 m m 到1 s m m 的f v d f 压电片。裂纹、起皱、长度变化等因素促进了定向薄膜 的生产，越来越多的均质、各向同性双轴向定向薄膜被投入使用【矧。在一些特殊场合， 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 如压电机上的位移传感器或冲击力检测器等，需要有最佳d 3 1 常数，这时使用单轴性薄 膜更合适。 近年来，国内外对p v d f 压电薄膜用于结构健康监铡方面都进行了大量的研究。 在国内方面，具典淑等【2 5 埘l 研究了p v d f 压电薄膜的应交传感机理和p v d f 传感元 件在准静态和动态响应下的传感特性，并且利用p v d f 压电薄膜对金属构件的裂纹萌生 与扩展、断裂全过程进行了监测实验研究。p v d f 压电薄膜监测的裂纹信号出现明显的 脉冲特征，通过分析该特性信号表明，p v d f 可方便地捕捉到构件裂纹萌生与扩展的瞬 间信号，可为结构的安全评定与损伤定位提供可靠的信息。刘建胜等田侧等提出用p v d f 压电薄膜作为传感元件，通过监测应交得到柔性结构的振动参量，以及将其应用于斜拉 桥桥索张力的在线监测。刘剑飞等【凹】i ：寸论了用p v d f 测试材料动态应力应变曲线的实验 方法。刘刚等【雏3 1 】对p v d f 压电薄膜的传感特性进行了研究，并针对目前p ) f 压电薄 膜在船舶与海洋工程结构表面应变传感应用方面存在的一些缺陷，提出一种将压电薄膜 保护在结构的油漆涂层下面，并采用非接触式静电电压表检测薄膜表面感应电荷的结构 表面应变测量方法 在国外方面，g a l e a 等【3 2 】的研究表明，用压电薄膜作为传感器，可检测复合材料损 伤。传感器的输出与复合材料内的损伤增长有着确定的关系同时，他们还应用压电传 感器成功的检测了复合材料以及复合材料金属粘结层的撞击损伤。y i n 掣3 3 】用数值方法 证明了使用压电材料检测复合材料裂纹的可能性。e g a s h i r a 和s h i y a 【3 4 j 用静态方法进行 损伤检测，他们把这种方法称为局部应变检测法：将压电聚合物薄膜贴在铝制薄片的表 面上，用扫描电子显微镜观测压电薄膜上电势分布的电子镜相。试件在常温下被拉伸变 形。在裂纹尖端附近，电子镜相变得非常明亮，随着与裂纹尖端距离的增加，逐渐变暗。 t o d o r o k i 等罔开发了一种利用局部网络( l a n ) 进行结构健康检测的方法 1 3 无线数据传输技术概述 无线通信是通信工业中增长速度最快的一部分。无线通信广泛的应用于移动电话、 寻呼系统、短信息和各种控制系统，可以不受时空限制的应用予任何场合，覆盖范围包 括建筑物内、校园内、城市内、地区直至全球。从全球范围来看，无线通信用户的年增 量和增速都在大幅度增长，无线通信已经进入规范化发展的阶段。 无线通信有着优于有线通信的特点，无线数据通信对于那些布线困难、环境恶劣的 工业控制场所，是一种行之有效的数据传输方法它不需要有形的传输介质，成功的 数据传输主要取决于两个因素：传输信号的质量和传输介质的特性。由于无线数据信号 直接暴露于空中，一些在有线传输方式下采取的抗干扰措施，如屏蔽等，己不再适用。 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 数据的传输极易受到干扰。因此传输过程中的误码是不可避免的。要使数据传输正确， 只能从改进传输信号的质量下手。方法有两种：一种是对要发送的数据进行重新编码，使 其更适于无线传输；另一种方法是对数据进行差错校验，有错时反馈重发。 目前，使用的技术有家用射频技术( h o m e r f ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、红外线 通信技术( k d a ) 、u w b 技术和射频技术( r f ) 等几种。 1 3 1 家用射频技术 家用射频技术( h o m c r f ) 是由m i c r o s o f t 、i n t d 、h p 、m o t o r o l a 和c o m p a q 等公司 开发的。h o m c r f 工作组是由美国家用射频委员会领导。于1 9 9 7 年成立的，其主要工 作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。它推出h o m c r f 的标准， 集成了语音和数据传送技术，工作频段为1 0 g l - l z ，数据传输速率达到l o o m b i t s ，在 w l a n 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。h o m c r f 是对现有无线通信标准的 综合和改进。当进行数据通信时，采用i e e e 8 0 2 1 1 规范中的t c p i p 传输协议；当进行 语音通信时，赠采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与8 0 2 1 1 b 不兼容，并占 据了与8 0 2 1 1 b 和b l u e t o o t h 相同的2 4 g h z 频率段，所以在应用范围上会有很大的局限 性，更多的是在家庭网络中使用。 1 3 2 蓝牙技术 蓝牙( 8 1 a e t o o t h ) 技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线 通信技术。它是由e r i c s s o n 、m m 、n o k i a 、i n t e l 和t o s i b a 等公司在1 9 9 8 年联合推出的 一种无线网络技术【3 6 1 。它工作在免费的i s m 频段( 2 4o a z ) ，采用跳频分时复用技术， 通过蓝牙技术无线传输的方式可以将一定范围内的数据设备或语音设备连接起来组成 微微网，使嵌有蓝牙模块的电子设备之间能实现方便快捷的通信。其作用半径在发射功 率为1 毫瓦时为1 0 米，通信协议和堆栈复杂，需要专门设备开发，最便宜的仪器也要 5 墙美元。 1 3 3 红外线通信技术 红外线通信技术i r d a ( i n f i r a r e dd a ma s s o c i a t i o n ) 是一种利用红外线进行点对点通信 的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟 3 7 1 。它在技术上的主要优点有： ( 1 ) 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏。频道使用 费用增加的背景下是非常重要的。 一6 一 ；m g 至l x 大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。h p 公司目前已推出结合模 块应用的约从2 5 8 0 x 2 9 立方毫米到5 3 x 1 3 o x 3 8 立方毫米的专用器件，与同类技 术相比，耗电量也是最低的。 ( 3 ) 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网( p i c o n e t ) 中是最高的，由于采 用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 m b l s 。 “) 除了在技术上有自己的技术特点外，i r d a 的市场优势也是十分明显的。目前， 全世界有5 0 0 0 万台设备采用i r d a 技术，并且仍然每年以5 0 的速度增长。有9 5 的 手提电脑安装了k d a 接口。在成本上，红外线l e d 及接收器等组件远较一般r f 组件 来得便宜，i r d a 端口的成本在5 美元以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1 5 美元 以内，相当于目前蓝牙产品的十分之一 k d a 的局限性：首先，i r d a 是一种视距传输技术，也就是说两个具有k d a 端口的 设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在 多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等；其次，i r d a 设备中的核心部伴红外线 l e d 不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有 余，但如果经常用装配i r d a 端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。网络搜索”i r d a ” 1 3 4i r b 技术 u w b ( u l t r a - w i d e b a n dr a d i o ) 超宽带无线技术是一种高速、低成本和低功耗无线通 信技术。使用1 g h z 以上带宽的最先进的无线通信技术，被认为是未来五年电信热门技 术之一。但是u w b 不是一个全新的技术，它实际上是整合了业界已经成熟的技术如无 线u s b 、无线1 3 9 4 等连接技术。其概念类似于雷达，在很宽的频段内传送短脉冲，将 信息调制到脉冲的时间和频率上。u w b 高性能和低功耗的优点使得它将成为未来市场 上强有力的竞争者之一u w b 为无线通信和雷达发展提供了希望，它们能够透过墙壁 或碎石看见成像，是重要的突破性技术但是还不成熟，存在一些问题需要解决。 1 3 5 射频技术 射频( r a d i of r e q u e n c yr 日技术是一种利用电磁波为载波来传输信息的无线通信技 术。使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的w l a n 使用不同频率。其产品 可以在低功率的情况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ) 频段，亦可工作在1 8 1 9 g h z 的特许频段。在中等衰减的建筑物中，r f 信号一般可穿透一至三堵墙【明它可 用于室外、开放或封闭的室内办公环境。目前使用的射频芯片大多工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5 频段，现在有很多射频芯片可用来完成无线数据传输，开发相对简单，易于实现。 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 1 4 课题的研究内容及本文结构 本课题的内容为研究设计一款基于压电材料的结构应变在线监测系统样机。( 以下 简称系统或监测系统) 。该系统可以长期实时监测船舶与海洋结构物危险部位的应力应 变，并且通过无线收发模块将监测到的数据上传至监控中心的上位机，经分析、处理采 集到的应力数据，可以判断该危险部位的应力值是否达到预警值。同时，上位机还可以 将实时监测到的应力值保存下来以备后用。系统采用无线通讯技术实现数据的传输，避 免了在船舶与海洋结构物上进行布线，并且功耗低、体积小、操作简单、经济实用。 本论文的组织结构如下； 第1 章：绪论部分。介绍了本文的研究背景和国i 勾# l - 相关技术研究情况，阐述了立 题意义，对论文的主要工作和结构作了说明。 第2 章：对系统的硬件设计进行了详细阐述。包括系统重要部件的选型以及数据采 集模块、数据发射模块和数据接收模块的设计。 第3 章：详细论述了系统的软件设计。包括数据发送部分和数据接收部分的软件设 计及部分子程序的设计。 第4 章：对系统进行了实验验证。 第5 章：论文结论和展望。对全文作了总结，并指出自己所作的工作，以及系统需 要进一步改进的地方。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 系统的硬件设计 2 1 系统功能需求 无线数据传输与控制模块是整个系统设计中的重点，需要满足通讯质量、通讯距离、 通讯速度、组网方便、抗干扰、便携、易于布控和低功耗等要求。在实际设计中主要从 以下几方面考虑： ( 1 ) 微型化、集成化 整个监测系统的应该在体积上足够小，监测过程中不会影响到被测结构本身的特性 和功能。 ( 2 ) 低功耗、低成本 低成本是该系统的基本要求。只有低成本，才能大量地布置在目标区域中，表现出 传感器网络的各种优点。低成本对模块各个部件都提出了苛刻的要求。首先，供电模块 不能使用复杂而且昂贵的方案。其次，能源有限的限制又要求所有的器件都必须是低功 耗的。 ( 3 ) 无线数据传输 系统采用无线数据传输。因为船舶结构本身是很复杂的系统，有很多电子设备、电 路系统，如果再在其上面增加电线，不但布线困难，而且还会彼此产生干扰，使信号失 真。所以本系统采用数据的无线传输。 ( 4 ) 数据存储量大 系统能够全程监测结构物的应力应变并且将数据存储下来，以便以后进行数据分 析；也可以分段监测，存储数据( 如越警值存储) 。由于单片机的存储器容量很小，并 且其数据处理能力远不如上位机，所以系统将监测到的应力应交数据上传至上位机，由 上位机进行数据存储及处理。 ( 5 ) 长期在线监测和多级预警 本系统可以实现长期在线监测，并且在结构产生损伤裂纹之前报警。并且设置了多 级预警，可以从报警信号上判断出此处应力应交处于几级险情。 ( 6 ) 扩展性和灵活性 系统的数据采集模块可以对多路模拟信号进行采集，这取决于系统的单片机的选 型。在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，而不需要开发新的节点。 当然，部件的扩展性和灵活性应该以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连接器件的性 能 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 ( 7 ) 稳定性和安全性 系统的各个部件都能在给定的外部环境变化范围内正常工作。在给定的温度、湿度、 压力等外部条件下，系统的微处理器、无线通讯摸块、电源模块要保证能够正常工作。 2 2 设计中需要考虑的问题 本文设计实现一套结构应变在线监测系统。根据设计要求，综合考虑系统的特点和 应用环境，应注意考虑下面的问题： ( 1 ) 本系统测量的是船舶与海洋结构物上的载荷，该信号频率较低，所以要求采用 灵敏度较高的传感器进行准确测量。 ( 2 ) 系统在监测过程中很容易受到外界干扰，对不同的干扰采取不同的解决措施。 例如：需要采集的是低频信号，那么就在数据采集模块中加入一个低通滤波器，滤掉高 频干扰。 ( 3 ) 传感器采集的电荷信号是一种非常微弱的电信号，所以数据采集模块中一定要 考虑设计一个低噪声放大电路，将微弱的电信号放大到单片机可以进行处理的信号。 ( 4 ) 实现结构应力应变的实时监测和无线传输。在数据传输过程中存在着很多干扰 信号，有可能使接收端接收不到正确的信号，所以还要考虑合理设计采集模式和通信协 议，使系统具有一定的智能化分析、检错和纠错能力，以便高效、准确地将应力信号数 据传送到监控中心。 ( 5 ) 与监控中心计算机串1 2 相连的无线收发设备在和计算机数据库通信时，同样需 要设计合理协议。 ( 6 ) 单片机和无线模块类型的选择要考虑到功耗低、体积小、集成度高、使用方便、 价格低廉等因素。无线模块的选型还要考虑到传输距离要远，传输速度要快，外围器件 尽量少等因素。 ( 7 ) 电源模块选型对于一个嵌入式系统来说是非常重要的部分，它决定整个系统功 耗的高低和其他模块的选型。 2 3 系统总体设计 系统共分为两大部分：一是数据发送部分，该部分中包含两个模块：数据采集模块 和数据发射模块，数据采集模块由传感器、电荷放大器、低通滤波器和电平调整电路构 成，而数据发射模块由单片机和无线模块构成；二是数据接收部分( 即数据接收模块) ， 此部分由单片机和无线模块构成。 大连理工大学硕士学位论文 在本系统中，单片机负责整个系统的运行工作。传感器采集的数据经过电荷放大器、 低通滤波器后进入模数转换器，经a d 变换后，将模拟信号转变为数字信号，单片机通 过s p i 接口将数据信号传送给无线模块，无线模块将信号发送出去，当接收模块检测到 空中的信号后，将数据信号接收进来，经单片机上传至上位机，通过程序将此数字信号 与预先设置的预警值( 与船体上的应力应变危险值有关) 进行比较，当现场应力超过预警 值时，采集到的相应数字信号超过预先设置的预警值，系统进入报警状态，现场的报警 灯发出报警信息，当采取一定的补救措施使现场应力应变减小至低于预警值后，单片机 进入正常检测状态，清除报警信息。系统总体框图如图2 1 所示。 2 。4 系统重要部件选型 无 线 通 讯 叱圆圆圈日 图2 1 系统的总体框图 f i g 2 1 瑚o c kd i a g r a mo f | y s t m 2 4 1 单片机选型 本课题所涉及的系统需要用单片机来完成a d 的转换、数据的存储、数据的编码、 数据的输出，这些功能的实现需要所用单片机具有较为强大的功能，需要具有多种接口 方式来满足数据的输出，最好还有内部a d ，并且编程、仿真简单。通过对系统所要达 到的要求和系统整体功能的分析，以及对当前市面上通用的单片机进行分析比较，决定 采用m s p 4 3 0 单片机。这种单片机功耗低、体积小( 贴片式) 且功能强大，还具有内部 a d 以及u s a r t 模块，可以满足与多种接口芯片的数据通信。 由于本系统要采用低功耗方案，所以在这里需要对低功耗问题作一些说明。 基于压电材料的结构应变在线监测系统研究 首先，对一个处理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察、衡量，忽 略性能来看功耗是片面的。在计算机体系结构中，是用w m i p s ( 瓦特百万指令每秒) 来 衡量处理器的功耗与性能关系的，这个指标是很高的( 传统的m c s 5 1 单片机约为 l o 一2 0 m a m i p s ) 。 其次，作为一个应用系统，功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。比 如，在一个有多个输入信号的应用系统中，处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响 较大。m s p 4 3 0 单片机输入端口的漏电流最大为5 0 h a ，远低于其他系列单片机。 另外，处理器的功耗还要看它内部功能模块是否可以关闭，以及模块活动情况下的 耗电，比如低电压监测电路的耗电等。还要注意，有些单片机的某些参数指标中，虽然 典型值可能很小，但最大值和典型值相差数十倍，而设计时要考虑到最坏情况，就应该 关心参数标称的最大值，而不是典型值。总体而言，m s p 4 3 0 系列单片机堪称目前世界上