基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法
【专利摘要】基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法，本发明涉及结构体健康监测技术领域，解决现有技术未能够实现完全无源，抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。本发明主要包括感知模块和通信模块；用于雷达测量的感知模块由雷达脉冲发生器、脉冲存储电容、开关电路、无源传感器组和计时模块组成。本发明用于桥梁、建筑等结构体健康监测。
【专利说明】
基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及结构体健康监测技术领域，具体涉及基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法。
【背景技术】
[0002]结构体健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)定义为对工程结构的损伤监测和特性描述。这是一个近20年来新兴的概念。其主要专注的领域是基础设施的健康状况，包括建筑物、桥梁、隧道以及航空工业。此外在水下管道系统(油管、光纤等)、高速公路、机械、医疗和电路板方面也有相关应用。
[0003]2007年，美国，1-35公路桥梁由于超负荷而坍塌;2009年，德国，城市历史档案馆由于地基形变坍塌;这两个案例都是由于缺乏结构体健康监测而导致的基础设施坍塌。其中的建筑物和桥梁分别由于地基形变和过度形变而导致的坍塌。美国克里夫兰的一架已经使用了 50年的旧高速公路桥梁。该座桥梁在2009年被诊断出主钢筋损坏以及过度形变。之后，在2014年这座桥梁被拆除并重建。
[0004]传感器典型的感知参数(测量参数)有应变、压力、温度、倾斜率、湿度、腐蚀、振动、压强和水平程度。这些参数通过各式传感器采集得来，包括:风速计、加速度计、动态和静态应变片、位移传感器、温度传感器、全球定位系统、水平传感器、动态称重设备、气压计、雨量计、湿度计、腐蚀传感器、数字摄像机和电磁传感器。
[0005]目前，由于高昂的成本开销，结构体健康监测系统仅仅应用在一些至关重要的大型桥梁和重要的摩天大楼上。在众多桥梁中以香港昂船洲大桥为例，这座大桥上安装有风力和结构体健康监测系统，是世界上最昂贵的数字化桥梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔为例。香港昂船洲大桥上总共安装有1723个监测传感器节点。其中有82%(1416个)的传感器是应变片和温度传感器。另一方面，安装在哈利法塔上428个应变片。对于此类至关重要的结构体来说，安装全面健康监测系统所带来的高成本是可以接受的；而对于其它大部分桥梁和建筑物，时常首先选择定制的系统。这种定制的系统仅监测部分结构体参数，从而降低了成本。中国的一部分桥梁使用改造的结构体健康监测系统，使其能够在技术上使用混合拓扑，比如，通信:光纤，有线，或无线；能源:电力线，电池，或能量采集；传感器类型:主动式，或被动式(无源)。
[0006]美国桥梁健康诊断的案例。结构体健康监测的重要性可以通过下面这个例子体现出来。从1990年开始，美国各地交通管理局要求以半年为周期目视检查全部576,000个高速桥梁。这样的检测能够发现桥梁的毫米级形变，从而召回维修部分结构体已老化的桥梁。这样的统计显示:
[0007]1990年初期:美国将近35%的桥梁(236,000座)在结构上或功能上有缺陷；
[0008]2006年:超过149，000座桥梁在结构上有缺陷；
[0009]2012年:差不多25%的桥梁有缺陷。
[0010]值得强调的是，在监测系统中感知的主要工作量集中在应变测量和温度测量上。桥梁损毁的主要原因是超载(常由重型卡车导致)，强风和地震。这需要周期性的监测由这些原因所导致的桥梁形变。高速公路桥梁的案例中，对桥梁形变程度测量的重要性是显而易见的一一仅通过目视应变检查就能预测桥梁损害的程度。应变测量在评估建筑物沉降和倾斜状况方面也是至关重要的，尤其在施工阶段。
[0011]如果结构体健康监测在结构诊断中是极其重要的，并且在当前市场中也是现成的，那么问题是为什么周围重要的基础设施中并没有这样的系统?在这里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系统的高功耗和高维护的开销，尤其是在电池供电或太阳能供电的案例系统中。系统精度漂移(尤其受温度的影响)依然是一个无法忽略的因素。
[0012]拓扑结构，感知参数的数量等等。每个传感器成本(costper sensor)是评估一个监测系统成本的很好的判断依据。图1所示为4座桥梁的成本对比，在这些桥梁里使用了光纤和无线监测技术。昂贵的成本是全自动结构体健康监测系统只安装在少量重要桥梁的原因。中国桥梁估计成本大概在一到两百万美元。在安装有自动化监测系统的桥梁里，每个传感器的成本大概在5000美元左右。
[0013]功耗(电池寿命)限制随着近年来嵌入式无线传感系统的发展，似乎实现一个高信价比的无线结构体健康监测系统无疑是近在眼前的。协同能源采集技术(太阳能或振动能量)能实现全自动解决方案。为了更好的去权衡成本与系统之间的关系，研究了一些当前已部署的无线监测系统的发展状况。
[0014]以韩国的珍岛大桥(344米长)为例，在这座大桥上安装有113个节点(除开基站和网关节点)，其中105个节点使用电池供电，额外8个节点使用太阳能充电电池供电。这些传感节点用来测量桥梁加速度、应变、温湿度和风速。每个传感器的成本是500美元。该系统中主要的限制为两方面:I)通信时间。由于节点网络冲突，从46个传感器节点获取数据需要近30分钟。2)电池寿命。节点装备有大容量20 ,OOOmAh电池。若节点每天只采集数据4次，电池容量将在两个月后减少至75%。电池容量发展的潜在原因遵守Eveready定律。相比于微处理机技术，电池容量的发展是非常缓慢的。当前工业电池典型能量密度为150-200Wh/kg，1000次循环充电次数。这意味着任何装备有可充电电池的无源系统将承担高昂的维护经费(一般而言需每几个月维护一次)。另外，由于传感和通信的高功耗需求，完全无源的能量采集解决方案是没有可行性的。
[0015]温度导致的误差温度导致的误差或许是作为隐藏的参数没有被结构体健康监测系统制造商公开。由于结构体的整体体积与温度呈正相关，温度的改变将导致明显的误差。其原因有多种，其中典型的有两类:温度影响传感器(如应变片)本身;温度影响采样设备(如数模转换器)。温度导致的误差程度常常达到由负载施加的正常应变的六倍。为了解决这样的问题，现有的系统使用温度校准在做测量补偿。然而事实证明即便使用了温度校准，应变测量错误率依然居高不下，其误差值常波动在几百微米到毫米之间。
[0016]另一个重要的方面是当系统安装、修复、维护或者升级过程系统的校准工作。虽然这不是一个经费上的问题，但这些系统诊断和操作都需要专业的技术人员才能进行，否则系统的最佳状态得不到保障。
[0017]从实际情况上看，射频干扰以及电磁干扰是另一种影响系统工作状态的因素。举个例子，如果将监测系统修建在靠近输电干线和GSM信号塔旁，系统将严重受到这些噪声源的影响。一般情况下，监测系统在此类环境下工作状态得不到任何保障。相比之下，基于光纤的系统有着更好的可靠性，而基于ADC的系统却会受到很大的影响。
【发明内容】
[0018]针对上述现有技术，本发明目的在于提供基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法，解决现有技术未能够实现完全无源，抗干扰能力差且成本高昂等技术问题。
[0019]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0020]基于能量采集的结构体健康监测系统，包括偶极子天线，用于通信和能量吸收，匹配接收射频信号;通信控制模块，接收偶极子天线匹配输出的射频信号;微带天线，用于能量吸收，匹配接收射频信号；第一能量采集模块，用于作为驱动电源，接收微带天线匹配输出的射频信号；传感器组，用于采集结构体的应力变化信息；外接传感器模块，接收第一能量采集模块输出的直流电压，输出雷达脉冲信号至传感器组并接收传感器组输出的应力传感信号;其中，所述的通信控制模块，控制所述外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号并接收所述外接传感器模块输出的反馈信号；其中，所述的偶极子天线还弹射由所述通信控制模块调制的反向散射射频信号。通信控制模块顾名思义:有通信和控制两个功能;通信是指模块与阅读器之间的通信;控制是指模块与传感器之间的数据交换。本质上地，反向散射通信时，偶极子天线是选择性反弹阅读器发射的信号一一这类似于打乒乓球，对方发球后选择是否把球打回去，球的自旋变化比作射频信号携带信息变化。
[0021 ]上述方案中，所述的外接传感器模块，包括主控模块，用于提供控制、通信和处理，由通信控制模块控制;雷达脉冲发生器，用于提供传感器组信号源，接收主控模块输出的第一控制信号;雷达脉冲存储电容，接收并存储雷达脉冲发生器输出的雷达脉冲信号;开关电路，接收主控模块输出的选择信号并选择地释放雷达脉冲存储电容的雷达脉冲信号至传感器组;计时模块，用于测量雷达脉冲飞行时间，接收传感器组输出的应力传感信号；高频时钟晶振，用于提供采样基准，输出高频计时基准时钟至计时模块;系统时钟晶振，用于提供工作基准，输出工作基准时钟至主控模块;通信模块，接收通信控制模块输出的第二控制信号或输出反馈信号至通信控制模块。
[0022]上述方案中，所述的传感器组，选用无源传感器组，无源传感器组其中包括温度传感器和应力传感器，采集结构体的温度变化信息和被动地采集经结构体回响的应力变化信息;所述的外接传感器模块，还包括温度补偿模块，温度补偿模块接收主控模块输出的简易雷达脉冲信号并且其还输出补偿脉冲信号至计时模块。
[0023]上述方案中，所述的通信控制模块，包括阻抗匹配模块，匹配射频信号频率，最小化能量散失(最大化信号接收)；第二能量采集模块，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号并转化成直流电压;能量管理模块，接收第二能量采集模块转换输出的直流电压并对这些电压进行存储和稳压输出；时钟晶振，用于提供基准时钟，由能量管理模块供电;EPC协议执行模块，由能量管理模块供电;解调器，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号并解调输出的数字基带信号至EPC协议执行模块;调制器，接收EPC协议执行模块输出的基带信息，根据基带信息切换偶极子天线工作状态，从而将基带信息调制加载于反向散射射频信号。。
[0024]上述方案中，所述的第一能量采集模块或第二能量采集模块，包括射频-直流转换器和电荷栗，电荷栗提升射频-直流转换器输出的直流电压的电压值；
[0025]所述的能量管理模块，包括存储电容、检测存储电容电压的电压管理器和稳定存储电容电压输出的升压斩波电路。
[0026]上述方案中，还包括能量管理模块，包括存储电容、检测存储电容电压的电压管理器和稳定存储电容电压输出的升压斩波电路，存储电容接收第一能量采集模块的直流电压。
[0027]基于能量采集的结构体健康监测方法，包括如下步骤
[0028]步骤1、获取射频信号；
[0029]步骤2、转换射频信号为直流电压，触发一通信控制模块和一外接传感器模块进入工作状态，再根据射频信号，由通信控制模块控制外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号，记录发射时间，其中，直流电压中还包含了从外界阅读器发来射频信号中的控制信息；
[0030]步骤3、利用一传感器组接收雷达脉冲信号，传感器组被动地采集经结构体回响的雷达脉冲信号并获得结构体应力变化信息；
[0031]步骤4、再通过一计时模块接收传感器组输出具有应力变化信息的电脉冲，记录接收时间并计算出时间差，获得应力测量数据；
[0032]步骤5、根据应力测量数据和时间差，计算获得结构体的形变数据；
[0033]步骤6、利用幅移键控调制方法，将结构体形变数据的基带信息加载于反向散射的所述射频信号，弹射具有结构体形变数据的射频信号，阅读器收到具有结构体形变数据的射频信号。。
[0034]上述方法中，所述的步骤I，包括如下步骤
[0035]步骤1.1、依次通过偶极子天线、阻抗匹配模块对射频信号进行匹配接收，获得第一射频信号；
[0036]步骤1.2、通过微带天线对射频信号进行匹配接收，获得第二射频信号。
[0037]上述方法中，所述的步骤2，包括如下步骤
[0038]步骤2.1、将第一射频信号、第二射频信号分别依次对应通过两组不同的能量采集模块和能量管理模块，获得第一直流电压和第二直流电压；
[0039]步骤2.2、由第一直流电压、第二直流电压分别对应触发一通信控制模块、一外接传感器模块进入工作状态；
[0040]步骤2.2.1、根据第一射频信号，由通信控制模块控制外接传感器模块中的主控模块，发出第一控制信号至外接传感器模块中的一雷达脉冲发生器和发出选择信号至外接传感器模块中的一开关电路；
[0041 ]步骤2.2.2、再利用主控模块对开关电路进行控制并使雷达脉冲发生器选择地输出雷达脉冲信号，同时主控模块记录发射时间。
[0042]上述方法中，所述的步骤3，传感器组还采集结构体温度变化信息；
[0043]所述的步骤4，包括如下步骤
[0044]步骤4.1、由主控模块内部产生简易雷达脉冲信号，该信号分别通过一温敏电阻与一标准电阻后，由放大器接收并输出补偿脉冲信号，再由计时模块对补偿脉冲信号进行测量，获得测量数据；
[0045]步骤4.2、根据测量数据，由主控模块计算获得温度比率；
[0046]步骤4.3、再通过一计时模块接收传感器组输出具有应力变化信息的电脉冲并记录接收时间，获得应力测量原始数据；
[0047]步骤4.4、根据温度比率，主控模块对应力测量原始数据进行温度补偿并计算出时间差，获得应力测量数据。
[0048]与现有技术相比，本发明的有益效果:
[0049](I)实现了完全无源的结构体监测系统；
[0050](2)系统使用超高频射频远场通信，通信和数据采集距离大大提升；
[0051](3)系统采集到的应力信息直接为数字信号，这样避免了在进行数模转换时由于环境干扰导致数据失真；
[0052](4)系统的结构不仅可以通信还可以接收传感器采集数据；
[0053](5)使用双天线双能量采集模块，一个天线用于通信，另一个天线只用于传感器供會K;
[0054](6)在对应力数据采集方面，现有技术使用传统方法(ADC+惠斯通电桥)，而使用雷达测量电阻值(应力和温度)方法;两种方法原理不同，前者为测量电压，后者为测量时间，后者抗数据干扰、精确度高且计算速度快；
[0055](7)无源系统从射频无线电波中获取能量，由于射频是由人手持式阅读器发出，故其频率和能量是可以确定的，具有更好的应用范围和前景。
【附图说明】
[0056]图1为四座桥梁的光纤和无线监测系统的成本对比表格示意图；
[0057]图2为各类监测系统对比表格示意图；
[0058]图3为本发明的单个桥梁或建筑物成本表格示意图；
[0059]图4为本发明的系统框图；
[0060]图5为本发明的能量模块示意图；
[0061 ]图6为本发明的外接传感器模块原理图；
[0062]图7为本发明的温度补偿模块示意图；
[0063]图8为本发明的通信控制模块示意图；
[0064]图9为本发明的安装位置示意图。
【具体实施方式】
[0065]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0066]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0067]实施例1
[0068]同典型的监测系统一样，系统还可这样划分，由四个模块组成:感知模块、通信模块、数据库模块、数据分析模块。感知模块为外接传感器模块和传感器组;其中数据库模块同其他系统一样负责存储数据和对数据进行分类。数据分析模块用来从时域或频域的角度分析采集到的感知参数。系统的主要创新在感知模块和通信模块上。感知模块可以埋在混凝土内I米，而模块的传感器可在此基础上再深埋2米。传感器采集到的精确数据可以用手持式阅读器通过无线通信方式读取，通信距离为I米。阅读器可以根据传感器类型、桥梁或建筑物名称、GPS定位(如果需要的话)将数据封装好，然后通过蜂窝网(CDMA或GSM)将数据包上传到数据库模块。接下来数据会被分类存储，以便更进一步的分析处理。
[0069]通信模块由一个定制的手持式阅读器组成。阅读器能够与掩埋在结构体内部I米的感知模块通信。安装有大容量电池的阅读器能稳定读取传感器的数据并将其传送给数据库模块;用户能够操作阅读器上的人机交互界面查看数据和控制传感器模块。通信模块是全自动工作的，即它能够将数据通过CDMA或GSM直接传送给服务器(数据库模块和数据分析模块)而不需要其它额外的基站支持。
[0070]感知模块由完全无源的无线电雷达模块、能量采集模块、处理器构成。能量采集模块为整个电路提供能量;处理器从传感器读取数据并同手持式阅读器通信。感知模块和阅读器之间的无线通信是通过一块无线电芯片实现的。用作测量应变、温湿度的低功耗雷达电路是专利的创新点。本系统中一个突出的特点在于它的即安装即用(PI ug and PI ay)特性，也就是在系统安装、升级或者换新之后不需要校准。并且，由于雷达的原理，温度将不会影响传感器测量。这种基于飞行时间(time-of-flight)的雷达测量方法是系统的关键创新点。其原理是雷达单元发送一个脉冲，这个脉冲通过连接线经过应变片传感器然后又返回到雷达单元。发送与接收脉冲之间有段延时，而这个延时与应变片的形变有函数关系。这段时延能够通过高精度的计时器(精度高达15皮秒)测得。这样就可以得到应变片的物理长度。此外雷达测量的方式使得系统对手机基站产生的射频噪声和电力线的干扰有很强的抗干扰能力。
[0071]实施例2
[0072]无线测量范围=I米；
[0073 ] 传感器连接线长度，应变片为2-3米，温度传感器为1-2米，湿度传感器为1-2米；
[0074]传感器参数，应变片测量范围为1000_5000με，应变片精度为ΙΟμε，温度测量范围为-40到+125°C，温度精度为±0.5°C- ±0.3°C (每次测量将在片内采样250次取平均值)，湿度测量范围为0_100%RH，湿度精度为±3%RH温度漂移为Δ ε〈100μπι(-20到+100°C)，校准无(不需要)，误报率为0% (250次片内采样避免了系统误报)，受射频/电磁影响无。
[0075]整体采样延迟由于系统是完全无源的，每次工作系统需要花费一定时间采集能量。并且为了达到高精度数据采集，每次测量将在片内采样250次取平均值的操作也花费一定时间。此外还需要一些时间留给系统各个模块之间通信(传感器、处理器、雷达模块之间
[0076]以下列举出不同感知参数对一次完整采样所需要的时间，应变为3.2秒，应变+温度为6.2秒，应变+温度+湿度为11秒；图2和图3，如需降低价格，可以用性价比更高的电缆代替，只会牺牲很小的测量精度。
[0077]如图4，无源系统分为主要分为三个部分:通信控制部分、能量采集部分和外接传感器模块。通信控制部分主要负责同阅读器通信，采集阅读器发来电磁波的能量，接收来着阅读器的控制命令并能将从传感器模块采集到的数据发送给阅读器。外接传感器模块随系统应用而变化，通常为各种传感器模块或微处理器单元等。考虑到许多应用场景使用的传感器功耗较高，为了保证系统稳定性和传感器的正常工作，使用额外的能量采集部分为外围传感器模块提供电源。
[0078]通信控制部分由偶极子天线、射频前端、能量管理、时钟发生器、EPC协议模块、存储模块、外围设备接口组成。偶极子天线接收从阅读器发来的射频信号。射频前端负责将射频信号转化成直流电压。能量管理模块将从射频前端得到的直流电压存储起来，当累积的能量足够时，释放给时钟发生器和EPC协议模块。EPC协议模块解析处阅读器发送过来的信息，并根据具体应用访问存储模块和外围设备接口。当从外接传感器模块采集到对应的数据之后，外接设备接口将数据发给EPC协议模块，之后协议模块经过编码调制发给射频前端，最后通过射频前端控制天线以反向散射的形式将数据发回给阅读器。
[0079]能量采集部分由微带天线、射频-直流转换器、电压管理器、稳压器组成。由于能量采集部分不需要与阅读器通信，微带天线相比偶极子天线能够接受更多的射频能量，通过射频-直流转换器之后存储在电压管理器中。当积累的电压足够时，电压管理器打开电闸，电压通过稳压器后输出供给外接传感器模块。
[0080]本系统中存在两个能量采集模块。一个是在通信和控制模块中的能量采集模块，另一个是本节介绍的独立的能量采集模块。
[0081]如图5所示，当射频信号到达设备时同时也会被能量采集模块的微带天线吸收。微带天线相比于偶极子天线(使用在通信和控制模块中)具有更好的能量吸收能力，但相应反向散射通信能力较差，故使用微带天线的能量采集模块仅用来为高功耗传感器提供额外的充足电源。射频信号经过微带天线被RF-DC转换器内部的能量采集模块转换成直流电压，然后被电荷栗升压并充能存储电容。电压管理器监测存储电容里的电压。当电容储能充足时，电压管理器通过INT引脚告知MCU(微控制器)或处理器能量采集模块的状态。此外，若存储电容根据应用选择了超级电容，可通过外围电路置RESET引脚切换模块充能模式来减少超级电容的充能时间。当存储电容充能足够时，电容放电流向升压斩波电路。升压斩波电路将来至电容的电压升压并稳压之后输出在Vout引脚为传感器供电。Vout的电压是可定制的，由VSET引脚输入电压控制。
[0082]如图6所示，该模块用于结构体健康监测。整个模块通过主控电路控制。雷达测量的核心由雷达脉冲发生器、脉冲存储电容、开关电路、无源传感器组和计时模块组成。主控控制雷达脉冲发生器产生脉冲，产生的脉冲被存储在脉冲存储电容之中。当积累的脉冲足够时，主控控制开关电路释放脉冲。释放的脉冲信号通过传感器之后携带着传感器的信息，并由高精度计时模块测量。在获得传感器信息之后，计时模块将传感器信息发送给主控。模块使用两个时钟晶振。其中系统时钟晶振为主控提供工作节拍，而独立的高频时钟晶振为计时模块提供测量节拍。此外，通信模块负责与外部电路(如MCU、处理器等)通信，将测量数据上传或接收控制命令。
[0083]对于温度变化导致传感器测量的误差，可以使用温度补偿来减少。如图7所示，温度补偿模块内部有温敏电阻、高精度标准电阻和放大器。温敏电阻的电阻值会随着温度呈现线性变化，而高精度标准电阻受温度影响极小。温度补偿测量过程与传感器测量过程类似。与传感器测量过程不同的是:温度补偿是由主控电路内部产生简易雷达脉冲，该脉冲分别经过温敏电阻和标准电阻后经放大器放大后成为补偿脉冲信号，由计时模块测量，并将测量结果发送给主控。之后主控经过计算得到温度比率，作为温度补偿的依据。
[0084]如图8所示，当射频信号到达设备时被通信和控制模块的偶极子天线吸收之后到达阻抗匹配模块。阻抗匹配模块能尽量减少射频信号的反射，从而增加模块接收射频信号的能力。之后射频信号分为两路分别达到能量采集模块和解调器。能量采集模块负责将射频信号转化为直流电压并传送给能量管理模块。能量管理模块将直流电压存储在其内部的电容中。当电容中电能积累到一定程度时，电容放电。能量管理模块内部的稳压器将放电电压调节到稳定的电压输出并供给于时钟晶振和EPC协议执行模块工作。时钟晶振为EPC协议执行模块提供必要的工作时钟信号。EPC协议执行模块工作后接收从解调器传来的数字基带信号。此外，EPC协议执行模块还可以从/向存储模块读取/写入数据，并通过外围设备接口与传感器通信。当设备准备向阅读器传输数据时，EPC协议执行模块将数据发给调制器，调制器控制天线电路使天线切换在两个不同的阻抗状态，从而将基带信息搭载到反向散射回阅读器的连续射频信号波上。
[0085]如图9所示，通信模块由一个定制的手持式阅读器组成。阅读器能够与掩埋在结构体内部I米的感知模块通信。安装有大容量电池的阅读器能稳定读取传感器的数据并将其传送给数据库模块；用户能够操作阅读器上的人机交互界面查看数据和控制传感器模块。通信模块是全自动工作的，即它能够将数据通过CDMA或GSM直接传送给服务器(数据库模块和数据分析模块)而不需要其它额外的基站支持。
[0086]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，包括 偶极子天线，用于通信和能量吸收，匹配接收射频信号； 通信控制模块，接收偶极子天线匹配输出的射频信号； 微带天线，用于能量吸收，匹配接收射频信号； 第一能量采集模块，用于作为驱动电源，接收微带天线匹配输出的射频信号； 传感器组，用于采集结构体的应力变化信息； 外接传感器模块，接收第一能量采集模块输出的直流电压，输出雷达脉冲信号至传感器组并接收传感器组输出的应力传感信号； 其中，所述的通信控制模块，控制所述外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号并接收所述外接传感器模块输出的反馈信号； 其中，所述的偶极子天线还弹射由所述通信控制模块调制的反向散射射频信号。2.根据权利要求1所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的外接传感器模块，包括 主控模块，用于提供控制、通信和处理，由通信控制模块控制； 雷达脉冲发生器，用于提供传感器组信号源，接收主控模块输出的第一控制信号； 雷达脉冲存储电容，接收并存储雷达脉冲发生器输出的雷达脉冲信号； 开关电路，接收主控模块输出的选择信号并选择地释放雷达脉冲存储电容的雷达脉冲信号至传感器组； 计时模块，用于测量雷达脉冲飞行时间，接收传感器组输出的应力传感信号； 高频时钟晶振，用于提供采样基准，输出高频计时基准时钟至计时模块； 系统时钟晶振，用于提供工作基准，输出工作基准时钟至主控模块； 通信模块，接收通信控制模块输出的第二控制信号或输出反馈信号至通信控制模块。3.根据权利要求2所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于， 所述的传感器组，选用无源传感器组，无源传感器组其中包括温度传感器和应力传感器，采集结构体的温度变化信息和被动地采集经结构体回响的应力变化信息； 所述的外接传感器模块，还包括温度补偿模块，温度补偿模块接收主控模块输出的简易雷达脉冲信号并且其还输出补偿脉冲信号至计时模块。4.根据权利要求1所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，所述的通信控制模块，包括 阻抗匹配模块，匹配射频信号频率； 第二能量采集模块，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号； 能量管理模块，接收第二能量采集模块转换输出的直流电压； 时钟晶振，用于提供基准时钟，由能量管理模块供电； EPC协议执行模块，由能量管理模块供电； 解调器，接收阻抗匹配模块匹配到的射频信号并解调输出的数字基带信号至EPC协议执行模块； 调制器，接收EPC协议执行模块输出的基带信息，根据基带信息切换偶极子天线工作状态，从而将基带信息调制加载于反向散射射频信号。5.根据权利要求4所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于， 所述的第一能量采集模块或第二能量采集模块，包括射频-直流转换器和电荷栗，电荷栗提升射频-直流转换器输出的直流电压的电压值； 所述的能量管理模块，包括存储电容、检测存储电容电压的电压管理器和稳定存储电容电压输出的升压斩波电路。6.根据权利要求1所述的基于能量采集的结构体健康监测系统，其特征在于，还包括能量管理模块，包括存储电容、检测存储电容电压的电压管理器和稳定存储电容电压输出的升压斩波电路，存储电容接收第一能量采集模块的直流电压。7.基于能量采集的结构体健康监测方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤1、获取射频信号； 步骤2、转换射频信号为直流电压，触发一通信控制模块和一外接传感器模块进入工作状态，再根据射频信号，由通信控制模块控制外接传感器模块选择地输出雷达脉冲信号，记录发射时间； 步骤3、利用一传感器组接收雷达脉冲信号，传感器组被动地采集经结构体回响的雷达脉冲信号并获得结构体应力变化信息； 步骤4、再通过一计时模块接收传感器组输出具有应力变化信息的电脉冲，记录接收时间并计算出时间差，获得应力测量数据； 步骤5、根据应力测量数据和时间差，计算获得结构体的形变数据； 步骤6、利用幅移键控调制方法，将结构体形变数据的基带信息加载于反向散射的所述射频信号，弹射具有结构体形变数据的射频信号。8.根据权利要求7所述的基于能量采集的结构体健康监测方法，其特征在于，所述的步骤I，包括如下步骤 步骤1.1、依次通过偶极子天线、阻抗匹配模块对射频信号进行匹配接收，获得第一射频信号； 步骤1.2、通过微带天线对射频信号进行匹配接收，获得第二射频信号。9.根据权利要求8所述的基于能量采集的结构体健康监测方法，其特征在于，所述的步骤2，包括如下步骤 步骤2.1、将第一射频信号、第二射频信号分别依次对应通过两组不同的能量采集模块和能量管理模块，获得第一直流电压和第二直流电压； 步骤2.2、由第一直流电压、第二直流电压分别对应触发一通信控制模块、一外接传感器模块进入工作状态； 步骤2.2.1、根据第一射频信号，由通信控制模块控制外接传感器模块中的主控模块，发出第一控制信号至外接传感器模块中的一雷达脉冲发生器和发出选择信号至外接传感器模块中的一开关电路； 步骤2.2.2、再利用主控模块对开关电路进行控制并使雷达脉冲发生器选择地输出雷达脉冲信号，同时主控模块记录发射时间。10.根据权利要求9所述的基于能量采集的结构体健康监测方法，其特征在于， 所述的步骤3，传感器组还采集结构体温度变化信息； 所述的步骤4，包括如下步骤 步骤4.1、由主控模块内部产生简易雷达脉冲信号，该信号分别通过一温敏电阻与一标准电阻后，由放大器接收并输出补偿脉冲信号，再由计时模块对补偿脉冲信号进行测量，获得测量数据； 步骤4.2、根据测量数据，由主控模块计算获得温度比率； 步骤4.3、再通过一计时模块接收传感器组输出具有应力变化信息的电脉冲并记录接收时间，获得应力测量原始数据； 步骤4.4、根据温度比率，主控模块对应力测量原始数据进行温度补偿并计算出时间差，获得应力测量数据。
【文档编号】H02J50/20GK106017574SQ201610590977
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】鲁力, 李松璠
【申请人】成都布阿泽科技有限公司