結構健康監(jiān)測的無線傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng).pdf

1、隨著人們對結構安全性重視程度的提高以及各種監(jiān)測、檢測相關技術的發(fā)展，結構健康監(jiān)測技術已經(jīng)成為土木工程結構研究中的重要方向。無線傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng)由于其小型化、集成化、低維修費用、少安裝時間等特點而成為近年來結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究熱點。
　　本文在充分研究傳感技術、信號處理技術、無線通信技術的基礎上，針對土木工程結構整體性態(tài)監(jiān)測的無線加速度傳感器集成、結構局部性態(tài)監(jiān)測的無線應變傳感器集成以及相應的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡通信協(xié)議

2、、網(wǎng)絡能耗處理、網(wǎng)絡試驗等問題進行了系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.針對結構整體性態(tài)監(jiān)測的需要，從設計的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出發(fā)，對相關電子器件進行了比較、分析、選擇；在此基礎上，采用模塊化設計方法，對傳感處理模塊、微處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能源模塊分別設計、調(diào)試，進而集成了基于數(shù)字接口的無線加速度傳感器節(jié)點。在設計過程中，對無線加速度傳感器節(jié)點的數(shù)字接口問題、校正問題進行了重點研究。標定實驗表明研制的無

3、線加速度傳感器能夠滿足土木工程結構加速度測量的要求。
　　2.針對傳統(tǒng)應變采集設備體積較大、要求使用導線精度高等問題，提出了應變監(jiān)測的無線采集傳輸系統(tǒng)的方案，并集成了用于局部性態(tài)監(jiān)測的無線應變傳感器及其采集系統(tǒng)；系統(tǒng)設計中，對無線應變傳感器放大處理模塊的集成和測試進行了重點研究。文中提出的基于電阻應變片的無線采集傳輸系統(tǒng)具有小型化的特點，能克服傳統(tǒng)有線采集系統(tǒng)的不足，更適合在現(xiàn)場測試中應用。
　　3.針對結構健康監(jiān)測無線傳感

4、器組網(wǎng)的問題，以相關的傳感器網(wǎng)絡拓撲結構模型為基礎，提出了節(jié)點—子基站—主基站三層無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構。通過主基站，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可以同Internet連接，實現(xiàn)遠程訪問；針對所提出的三層無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構，以傳統(tǒng)的無線通信協(xié)議理論為基礎，借鑒國際標準化組織的七層通信協(xié)議，提出了無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議模型，并重點分析了數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層的協(xié)議設計。
　　4.針對結構健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)能耗問題，分析了能耗影響因

5、素，并從節(jié)點和網(wǎng)絡角度提出了節(jié)能措施。在節(jié)點方面，采用硬件、軟件以及軟硬件協(xié)同措施來減少能量消耗；在網(wǎng)絡方面，以無線傳感器的能量為參量，提出一種改進的螞蟻路由算法，并進行能耗仿真分析。研究表明，所提出的節(jié)能策略在一定程度上可以減少能量損失，延長網(wǎng)絡運行時間。
　　5.完成了結構健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡的多項試驗研究。無線應變傳感器對鋼筋混凝土梁在靜荷載作用下應變變化情況進行了測試，測試數(shù)據(jù)進行了融合處理，試驗結果表明無線應變傳感器及

6、其測量系統(tǒng)能夠完成對鋼筋混凝土梁結構的局部性態(tài)測試；利用無線傳感技術對裝配減擺控制系統(tǒng)的大型起重鋪管船吊鉤模型的擺動進行了測試分析，表明用無線技術能夠正確監(jiān)測到大型起重鋪管船吊鉤擺動情況，并驗證了所提出的減擺控制模型系統(tǒng)能實現(xiàn)吊鉤減擺的目的；對海洋平臺模型在冰激振作用下、對超高層建筑深圳地王大廈在臺風荷載作用下，結構總體變化情況進行了監(jiān)測，試驗結果顯示無線加速度傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠正確地反映海洋平臺結構和超高層建筑結構的整體性態(tài)。