基於雷達脈衝的結構體健康檢測裝置的製作方法
2023-06-01 07:31:46
本發明涉及結構體健康監測技術領域，具體涉及基於雷達脈衝的結構體健康檢測裝置。
背景技術：
結構體健康監測(Structural Health Monitoring，SHM)定義為對工程結構的損傷監測和特性描述。這是一個近20年來新興的概念。其主要專注的領域是基礎設施的健康狀況，包括建築物、橋梁、隧道以及航空工業。此外在水下管道系統(油管、光纖等)、高速公路、機械、醫療和電路板方面也有相關應用。
2007年，美國，I-35公路橋梁由於超負荷而坍塌；2009年，德國，城市歷史檔案館由於地基形變坍塌；這兩個案例都是由於缺乏結構體健康監測而導致的基礎設施坍塌。其中的建築物和橋梁分別由於地基形變和過度形變而導致的坍塌。美國克裡夫蘭的一架已經使用了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。之後，在2014年這座橋梁被拆除並重建。
傳感器典型的感知參數(測量參數)有應變、壓力、溫度、傾斜率、溼度、腐蝕、振動、壓強和水平程度。這些參數通過各式傳感器採集得來，包括：風速計、加速度計、動態和靜態應變片、位移傳感器、溫度傳感器、全球定位系統、水平傳感器、動態稱重設備、氣壓計、雨量計、溼度計、腐蝕傳感器、數字攝像機和電磁傳感器。
目前，由於高昂的成本開銷，結構體健康監測系統僅僅應用在一些至關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為例，這座大橋上安裝有風力和結構體健康監測系統，是世界上最昂貴的數位化橋梁之一。在建築物方面，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個監測傳感器節點。其中有82％(1416個)的傳感器是應變片和溫度傳感器。另一方面，安裝在哈利法塔上428個應變片。對於此類至關重要的結構體來說，安裝全面健康監測系統所帶來的高成本是可以接受的；而對於其它大部分橋梁和建築物，時常首先選擇定製的系統。這種定製的系統僅監測部分結構體參數，從而降低了成本。中國的一部分橋梁使用改造的結構體健康監測系統，使其能夠在技術上使用混合拓撲，比如，通信：光纖，有線，或無線；能源：電力線，電池，或能量採集；傳感器類型：主動式，或被動式(無源)。
美國橋梁健康診斷的案例。結構體健康監測的重要性可以通過下面這個例子體現出來。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個高速橋梁。這樣的檢測能夠發現橋梁的毫米級形變，從而召回維修部分結構體已老化的橋梁。這樣的統計顯示：
1990年初期：美國將近35％的橋梁(236,000座)在結構上或功能上有缺陷；
2006年：超過149,000座橋梁在結構上有缺陷；
2012年：差不多25％的橋梁有缺陷。
值得強調的是，在監測系統中感知的主要工作量集中在應變測量和溫度測量上。橋梁損毀的主要原因是超載(常由重型卡車導致)，強風和地震。這需要周期性的監測由這些原因所導致的橋梁形變。高速公路橋梁的案例中，對橋梁形變程度測量的重要性是顯而易見的——僅通過目視應變檢查就能預測橋梁損害的程度。應變測量在評估建築物沉降和傾斜狀況方面也是至關重要的，尤其在施工階段。
如果結構體健康監測在結構診斷中是極其重要的，並且在當前市場中也是現成的，那麼問題是為什麼周圍重要的基礎設施中並沒有這樣的系統？在這裡，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系統的高功耗和高維護的開銷，尤其是在電池供電或太陽能供電的案例系統中。系統精度漂移(尤其受溫度的影響)依然是一個無法忽略的因素。
拓撲結構，感知參數的數量等等。每個傳感器成本(cost per sensor)是評估一個監測系統成本的很好的判斷依據。圖1所示為4座橋梁的成本對比，在這些橋梁裡使用了光纖和無線監測技術。昂貴的成本是全自動結構體健康監測系統只安裝在少量重要橋梁的原因。中國橋梁估計成本大概在一到兩百萬美元。在安裝有自動化監測系統的橋梁裡，每個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的發展，似乎實現一個高信價比的無線結構體健康監測系統無疑是近在眼前的。協同能源採集技術(太陽能或振動能量)能實現全自動解決方案。為了更好的去權衡成本與系統之間的關係，研究了一些當前已部署的無線監測系統的發展狀況。
以韓國的珍島大橋(344米長)為例，在這座大橋上安裝有113個節點(除開基站和網關節點)，其中105個節點使用電池供電，額外8個節點使用太陽能充電電池供電。這些傳感節點用來測量橋梁加速度、應變、溫溼度和風速。每個傳感器的成本是500美元。該系統中主要的限制為兩方面：1)通信時間。由於節點網絡衝突，從46個傳感器節點獲取數據需要近30分鐘。2)電池壽命。節點裝備有大容量20,000mAh電池。若節點每天只採集數據4次，電池容量將在兩個月後減少至75％。電池容量發展的潛在原因遵守Eveready定律。相比於微處理機技術，電池容量的發展是非常緩慢的。當前工業電池典型能量密度為150-200Wh/kg，1000次循環充電次數。這意味著任何裝備有可充電電池的無源系統將承擔高昂的維護經費(一般而言需每幾個月維護一次)。另外，由於傳感和通信的高功耗需求，完全無源的能量採集解決方案是沒有可行性的。
溫度導致的誤差溫度導致的誤差或許是作為隱藏的參數沒有被結構體健康監測系統製造商公開。由於結構體的整體體積與溫度呈正相關，溫度的改變將導致明顯的誤差。其原因有多種，其中典型的有兩類：溫度影響傳感器(如應變片)本身；溫度影響採樣設備(如數模轉換器)。溫度導致的誤差程度常常達到由負載施加的正常應變的六倍。為了解決這樣的問題，現有的系統使用溫度校準在做測量補償。然而事實證明即便使用了溫度校準，應變測量錯誤率依然居高不下，其誤差值常波動在幾百微米到毫米之間。
另一個重要的方面是當系統安裝、修復、維護或者升級過程系統的校準工作。雖然這不是一個經費上的問題，但這些系統診斷和操作都需要專業的技術人員才能進行，否則系統的最佳狀態得不到保障。
從實際情況上看，射頻幹擾以及電磁幹擾是另一種影響系統工作狀態的因素。舉個例子，如果將監測系統修建在靠近輸電幹線和GSM信號塔旁，系統將嚴重受到這些噪聲源的影響。一般情況下，監測系統在此類環境下工作狀態得不到任何保障。相比之下，基於光纖的系統有著更好的可靠性，而基於ADC的系統卻會受到很大的影響。
技術實現要素：
針對上述現有技術，本發明目的在於提供基於雷達脈衝的結構體健康檢測裝置，解決現有技術電源方案可行性差，其通信結構抗幹擾能力不強且成本高昂等技術問題。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：
基於雷達脈衝的結構體健康檢測裝置,包括電源，還包括偶極子天線，用於通信和能量吸收，匹配接收射頻信號；通信控制模塊，接收偶極子天線匹配輸出的射頻信號；傳感器組，用於採集結構體的應力變化信息；外接傳感器模塊，連接電源，輸出雷達脈衝信號至傳感器組並接收傳感器組輸出的應力傳感信號；其中，所述的通信控制模塊，控制所述外接傳感器模塊選擇地輸出雷達脈衝信號並接收所述外接傳感器模塊輸出的反饋信號；其中，所述的偶極子天線還彈射由所述通信控制模塊調製的反向散射射頻信號。通信控制模塊顧名思義：有通信和控制兩個功能；通信是指模塊與閱讀器之間的通信；控制是指模塊與傳感器之間的數據交換。本質上地，反向散射通信時，偶極子天線是選擇性反彈閱讀器發射的信號——這類似於打桌球，對方發球後選擇是否把球打回去，球的自旋變化比作射頻信號攜帶信息變化。
上述方法中，所述的外接傳感器模塊，包括主控模塊，用於提供控制、通信和處理，由通信控制模塊控制；雷達脈衝發生器，用於提供傳感器組信號源，接收主控模塊輸出的第一控制信號；雷達脈衝存儲電容，接收並存儲雷達脈衝發生器輸出的雷達脈衝信號；開關電路，接收主控模塊輸出的選擇信號並選擇地釋放雷達脈衝存儲電容的雷達脈衝信號至傳感器組；計時模塊，用於測量雷達脈衝飛行時間，接收傳感器組輸出的應力傳感信號；高頻時鐘晶振，用於提供採樣基準，輸出高頻計時基準時鐘至計時模塊；系統時鐘晶振，用於提供工作基準，輸出工作基準時鐘至主控模塊；通信模塊，接收通信控制模塊輸出的第二控制信號或輸出反饋信號至通信控制模塊。
上述方法中，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力傳感器，採集結構體的溫度變化信息和被動地採集經結構體迴響的應力變化信息；所述的外接傳感器模塊，還包括溫度補償模塊，溫度補償模塊接收主控模塊輸出的簡易雷達脈衝信號並且其還輸出補償脈衝信號至計時模塊。
上述方法中，所述的通信控制模塊，包括阻抗匹配模塊，匹配射頻信號頻率，最小化能量散失(最大化信號接收)；能量採集模塊，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號並轉化成直流電壓；能量管理模塊，接收能量採集模塊轉換輸出的直流電壓並對這些電壓進行存儲和穩壓輸出；時鐘晶振，用於提供基準時鐘，由能量管理模塊供電；EPC協議執行模塊，由能量管理模塊供電；解調器，接收阻抗匹配模塊匹配到的射頻信號並解調輸出的數字基帶信號至EPC協議執行模塊；調製器，接收EPC協議執行模塊輸出的基帶信息，根據基帶信息切換偶極子天線工作狀態，從而將基帶信息調製加載於反向散射射頻信號。。
上述方法中，所述的能量採集模塊，包括射頻-直流轉換器和電荷泵，電荷泵提升射頻-直流轉換器輸出的直流電壓的電壓值；所述的能量管理模塊，包括存儲電容、檢測存儲電容電壓的電壓管理器和穩定存儲電容電壓輸出的升壓斬波電路。
基於雷達脈衝的結構體健康檢測方法，包括如下步驟
步驟1、獲取射頻信號；
步驟2、轉換射頻信號為直流電壓，觸發一通信控制模塊和一外接傳感器模塊進入工作狀態，再根據射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊選擇地輸出雷達脈衝信號，記錄發射時間，其中，直流電壓中還包含了從外界閱讀器發來射頻信號中的控制信息；
步驟3、利用一傳感器組接收雷達脈衝信號，傳感器組被動地採集經結構體迴響的雷達脈衝信號並獲得結構體應力變化信息；
步驟4、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應力變化信息的電脈衝，記錄接收時間並計算出時間差，獲得應力測量數據；
步驟5、根據應力測量數據和時間差，計算獲得結構體的形變數據；
步驟6、利用幅移鍵控調製方法，將結構體形變數據的基帶信息加載於反向散射的所述射頻信號，彈射具有結構體形變數據的射頻信號，閱讀器收到具有結構體形變數據的射頻信號。
上述方法中，所述的步驟1，依次通過偶極子天線、阻抗匹配模塊對射頻信號進行匹配接收，獲得射頻信號。
上述方法中，所述的步驟2，包括如下步驟
步驟2.1、將射頻信號信號依次通過能量採集模塊和能量管理模塊，獲得直流電壓；
步驟2.2、由直流電壓分別觸發一通信控制模塊、一外接傳感器模塊進入工作狀態；
步驟2.2.1、根據射頻信號，由通信控制模塊控制外接傳感器模塊中的主控模塊，發出第一控制信號至外接傳感器模塊中的一雷達脈衝發生器和發出選擇信號至外接傳感器模塊中的一開關電路；
步驟2.2.2、再利用主控模塊對開關電路進行控制並使雷達脈衝發生器選擇地輸出雷達脈衝信號，同時主控模塊記錄發射時間。
上述方法中，所述的步驟3，傳感器組還採集結構體溫度變化信息。
上述方法中，所述的步驟4，包括如下步驟
步驟4.1、由主控模塊內部產生簡易雷達脈衝信號，該信號分別通過一溫敏電阻與一標準電阻後，由放大器接收並輸出補償脈衝信號，再由計時模塊對補償脈衝信號進行測量，獲得測量數據；
步驟4.2、根據測量數據，由主控模塊計算獲得溫度比率；
步驟4.3、再通過一計時模塊接收傳感器組輸出具有應力變化信息的電脈衝並記錄接收時間，獲得應力測量原始數據；
步驟4.4、根據溫度比率，主控模塊對應力測量原始數據進行溫度補償並計算出時間差，獲得應力測量數據。
與現有技術相比，本發明的有益效果：
(1)實現了更好電源方案的結構體監測系統；
(2)系統使用超高頻射頻遠場通信，通信和數據採集距離大大提升；
(3)系統採集到的應力信息直接為數位訊號，這樣避免了在進行數模轉換時由於環境幹擾導致數據失真；
(4)系統的結構不僅可以通信還可以接收傳感器採集數據；
(5)在對應力數據採集方面，現有技術使用傳統方法(ADC+惠斯通電橋)，而使用雷達測量電阻值(應力和溫度)方法；兩種方法原理不同，前者為測量電壓，後者為測量時間，後者抗數據幹擾、精確度高且計算速度快；
(6)系統從射頻無線電波中獲取能量，由於射頻是由人手持式閱讀器發出，故其頻率和能量是可以確定的，具有更好的應用範圍和前景。
附圖說明
圖1為四座橋梁的光纖和無線監測系統的成本對比表格示意圖；
圖2為各類監測系統對比表格示意圖；
圖3為本發明的單個橋梁或建築物成本表格示意圖；
圖4為本發明的系統框圖；
圖5為本發明的能量模塊示意圖；
圖6為本發明的外接傳感器模塊原理圖；
圖7為本發明的溫度補償模塊示意圖；
圖8為本發明的通信控制模塊示意圖；
圖9為本發明的安裝位置示意圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
實施例1
同典型的監測系統一樣，系統還可這樣劃分，由四個模塊組成：感知模塊、通信模塊、資料庫模塊、數據分析模塊。感知模塊為外接傳感器模塊和傳感器組；其中資料庫模塊同其他系統一樣負責存儲數據和對數據進行分類。數據分析模塊用來從時域或頻域的角度分析採集到的感知參數。系統的主要創新在感知模塊和通信模塊上。感知模塊可以埋在混凝土內1米，而模塊的傳感器可在此基礎上再深埋2米。傳感器採集到的精確數據可以用手持式閱讀器通過無線通信方式讀取，通信距離為1米。閱讀器可以根據傳感器類型、橋梁或建築物名稱、GPS定位(如果需要的話)將數據封裝好，然後通過蜂窩網(CDMA或GSM)將數據包上傳到資料庫模塊。接下來數據會被分類存儲，以便更進一步的分析處理。
通信模塊由一個定製的手持式閱讀器組成。閱讀器能夠與掩埋在結構體內部1米的感知模塊通信。安裝有大容量電池的閱讀器能穩定讀取傳感器的數據並將其傳送給資料庫模塊；用戶能夠操作閱讀器上的人機互動界面查看數據和控制傳感器模塊。通信模塊是全自動工作的，即它能夠將數據通過CDMA或GSM直接傳送給伺服器(資料庫模塊和數據分析模塊)而不需要其它額外的基站支持。
感知模塊由完全無源的無線電雷達模塊、能量採集模塊、處理器構成。能量採集模塊為整個電路提供能量；處理器從傳感器讀取數據並同手持式閱讀器通信。感知模塊和閱讀器之間的無線通信是通過一塊無線電晶片實現的。用作測量應變、溫溼度的低功耗雷達電路是專利的創新點。本系統中一個突出的特點在於它的即安裝即用(Plug and Play)特性，也就是在系統安裝、升級或者換新之後不需要校準。並且，由於雷達的原理，溫度將不會影響傳感器測量。這種基於飛行時間(time-of-flight)的雷達測量方法是系統的關鍵創新點。其原理是雷達單元發送一個脈衝，這個脈衝通過連接線經過應變片傳感器然後又返回到雷達單元。發送與接收脈衝之間有段延時，而這個延時與應變片的形變有函數關係。這段時延能夠通過高精度的計時器(精度高達15皮秒)測得。這樣就可以得到應變片的物理長度。此外雷達測量的方式使得系統對手機基站產生的射頻噪聲和電力線的幹擾有很強的抗幹擾能力。
實施例2
無線測量範圍＝1米；
傳感器連接線長度，應變片為2-3米，溫度傳感器為1-2米，溼度傳感器為1-2米；
傳感器參數，應變片測量範圍為1000–5000με，應變片精度為10με，溫度測量範圍為-40到+125℃℃，溫度精度為±0.5℃–±0.3℃(每次測量將在片內採樣250次取平均值)，溼度測量範圍為0-100％RH，溼度精度為±3％RH
溫度漂移為Δε<100μm(-20到+100℃)，校準無(不需要)，誤報率為0％(250次片內採樣避免了系統誤報)，受射頻/電磁影響無。
整體採樣延遲由於系統是完全無源的，每次工作系統需要花費一定時間採集能量。並且為了達到高精度數據採集，每次測量將在片內採樣250次取平均值的操作也花費一定時間。此外還需要一些時間留給系統各個模塊之間通信(傳感器、處理器、雷達模塊之間)。
以下列舉出不同感知參數對一次完整採樣所需要的時間，應變為3.2秒，應變+溫度為6.2秒，應變+溫度+溼度為11秒；圖2和圖3，如需降低價格，可以用性價比更高的電纜代替，只會犧牲很小的測量精度。
如圖4，無源系統分為主要分為三個部分：通信控制部分、能量採集部分和外接傳感器模塊。通信控制部分主要負責同閱讀器通信，採集閱讀器發來電磁波的能量，接收來著閱讀器的控制命令並能將從傳感器模塊採集到的數據發送給閱讀器。外接傳感器模塊隨系統應用而變化，通常為各種傳感器模塊或微處理器單元等。考慮到許多應用場景使用的傳感器功耗較高，為了保證系統穩定性和傳感器的正常工作，使用額外的能量採集部分為外圍傳感器模塊提供電源。
通信控制部分由偶極子天線、射頻前端、能量管理、時鐘發生器、EPC協議模塊、存儲模塊、外圍設備接口組成。偶極子天線接收從閱讀器發來的射頻信號。射頻前端負責將射頻信號轉化成直流電壓。能量管理模塊將從射頻前端得到的直流電壓存儲起來，當累積的能量足夠時，釋放給時鐘發生器和EPC協議模塊。EPC協議模塊解析處閱讀器發送過來的信息，並根據具體應用訪問存儲模塊和外圍設備接口。當從外接傳感器模塊採集到對應的數據之後，外接設備接口將數據發給EPC協議模塊，之後協議模塊經過編碼調製發給射頻前端，最後通過射頻前端控制天線以反向散射的形式將數據發回給閱讀器。
能量採集部分由微帶天線、射頻-直流轉換器、電壓管理器、穩壓器組成。由於能量採集部分不需要與閱讀器通信，微帶天線相比偶極子天線能夠接受更多的射頻能量，通過射頻-直流轉換器之後存儲在電壓管理器中。當積累的電壓足夠時，電壓管理器打開電閘，電壓通過穩壓器後輸出供給外接傳感器模塊。
本系統中存在兩個能量採集模塊。一個是在通信和控制模塊中的能量採集模塊，另一個是本節介紹的獨立的能量採集模塊。
如圖5所示，當射頻信號到達設備時同時也會被能量採集模塊的微帶天線吸收。微帶天線相比於偶極子天線(使用在通信和控制模塊中)具有更好的能量吸收能力，但相應反向散射通信能力較差，故使用微帶天線的能量採集模塊僅用來為高功耗傳感器提供額外的充足電源。射頻信號經過微帶天線被RF-DC轉換器內部的能量採集模塊轉換成直流電壓，然後被電荷泵升壓並充能存儲電容。電壓管理器監測存儲電容裡的電壓。當電容儲能充足時，電壓管理器通過INT引腳告知MCU(微控制器)或處理器能量採集模塊的狀態。此外，若存儲電容根據應用選擇了超級電容，可通過外圍電路置RESET引腳切換模塊充能模式來減少超級電容的充能時間。當存儲電容充能足夠時，電容放電流向升壓斬波電路。升壓斬波電路將來至電容的電壓升壓並穩壓之後輸出在Vout引腳為傳感器供電。Vout的電壓是可定製的，由VSET引腳輸入電壓控制。
如圖6所示，該模塊用於結構體健康監測。整個模塊通過主控電路控制。雷達測量的核心由雷達脈衝發生器、脈衝存儲電容、開關電路、無源傳感器組和計時模塊組成。主控控制雷達脈衝發生器產生脈衝，產生的脈衝被存儲在脈衝存儲電容之中。當積累的脈衝足夠時，主控控制開關電路釋放脈衝。釋放的脈衝信號通過傳感器之後攜帶著傳感器的信息，並由高精度計時模塊測量。在獲得傳感器信息之後，計時模塊將傳感器信息發送給主控。模塊使用兩個時鐘晶振。其中系統時鐘晶振為主控提供工作節拍，而獨立的高頻時鐘晶振為計時模塊提供測量節拍。此外，通信模塊負責與外部電路(如MCU、處理器等)通信，將測量數據上傳或接收控制命令。
對於溫度變化導致傳感器測量的誤差，可以使用溫度補償來減少。如圖7所示，溫度補償模塊內部有溫敏電阻、高精度標準電阻和放大器。溫敏電阻的電阻值會隨著溫度呈現線性變化，而高精度標準電阻受溫度影響極小。溫度補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：溫度補償是由主控電路內部產生簡易雷達脈衝，該脈衝分別經過溫敏電阻和標準電阻後經放大器放大後成為補償脈衝信號，由計時模塊測量，並將測量結果發送給主控。之後主控經過計算得到溫度比率，作為溫度補償的依據。
如圖8所示，當射頻信號到達設備時被通信和控制模塊的偶極子天線吸收之後到達阻抗匹配模塊。阻抗匹配模塊能儘量減少射頻信號的反射，從而增加模塊接收射頻信號的能力。之後射頻信號分為兩路分別達到能量採集模塊和解調器。能量採集模塊負責將射頻信號轉化為直流電壓並傳送給能量管理模塊。能量管理模塊將直流電壓存儲在其內部的電容中。當電容中電能積累到一定程度時，電容放電。能量管理模塊內部的穩壓器將放電電壓調節到穩定的電壓輸出並供給於時鐘晶振和EPC協議執行模塊工作。時鐘晶振為EPC協議執行模塊提供必要的工作時鐘信號。EPC協議執行模塊工作後接收從解調器傳來的數字基帶信號。此外，EPC協議執行模塊還可以從/向存儲模塊讀取/寫入數據，並通過外圍設備接口與傳感器通信。當設備準備向閱讀器傳輸數據時，EPC協議執行模塊將數據發給調製器，調製器控制天線電路使天線切換在兩個不同的阻抗狀態，從而將基帶信息搭載到反向散射回閱讀器的連續射頻信號波上。
如圖9所示，通信模塊由一個定製的手持式閱讀器組成。閱讀器能夠與掩埋在結構體內部1米的感知模塊通信。安裝有大容量電池的閱讀器能穩定讀取傳感器的數據並將其傳送給資料庫模塊；用戶能夠操作閱讀器上的人機互動界面查看數據和控制傳感器模塊。通信模塊是全自動工作的，即它能夠將數據通過CDMA或GSM直接傳送給伺服器(資料庫模塊和數據分析模塊)而不需要其它額外的基站支持。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何屬於本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。