基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统

尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾

(南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016)

摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。

关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A

　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17

Large -Scale Structural Health Monitoring System Based

on Wireless Sensor Networks

S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng

(T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China)

Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs .

Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk

引 言

结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结

合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模

方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。

无线传感网络节点具有局部信号处理的功能,

第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

将传统的串行处理、集中决策的系统变成并行的分布式处理,提高了检测系统的运行速度和灵活性。另外,无线传感网络组成的分布式监测系统最大程度地减少了器件连线,减低了系统的搭建、维修费用和难度。

本文选取碳纤维复合材料的大型结构作为研究对象。碳纤维复合材料由于其强度高、比模量大、耐疲劳、耐高温和耐腐蚀等优良性质,已经在飞行器结构中得到大量的应用。以往对于碳纤维复合材料结构的损伤监测大都以小试件来对其进行研究,针对实际的大型碳纤维复合材料结构进行损伤监测的研究较少。飞行器复合材料结构往往形式较复杂,带有加强用T 字型桁条和紧固用螺丝孔,而且材料具有不均匀性和多向异性,这使其内部的损伤特性复杂,损伤形式更多表现为脱层,在结构表面可能完全看不出损伤迹象。现有的各种无损检测方法很难对复合材料结构损伤进行准确的实时在线损伤监测。本系统在结构上布置电阻应变传感器,通过对应变场变化的分析,可以及时发现并确定结构损伤的位置。

针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,设计了可直接配接无线传感网络的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块,实现了基于无线传感网络的多点应变监测系统,实验结果显示系统很好地实现了数据可靠传输、短时延、时间同步的性能,并采用神经网络方法判别出结构损伤的位置。

1　多点应变监测系统

选取实际飞机结构中常用的碳纤维复合材料壁板作为研究对象,壁板尺寸为1000mm ×1800mm ,壁板一面粘贴有加强T 字型桁条,板上有加强用螺丝通孔,板厚为2.84mm,铺层共22层,单层厚度为0.12mm 。T 字型桁条铺层共10层,单层厚度0.12mm 。由于此碳纤维复合材料壁板尺寸比较大,本文选取上中部由桁条和螺丝通孔组成一部分300mm ×400mm 的区域作为研究对象,在区域内均匀布置电阻应变片,如图1所示。

本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。布置在碳纤维复

合材料壁板上的电阻应变元件和信号调理电路组

图1　多点应变监测系统示意图

成传感采集子系统。

无线传感网络子系统主要由工作在一定网络协议下的无线传感网络节点组成。中继节点和用户的应用程序构成了终端监控子系统。本文依次阐述了各个子系统的设计和实现。

2　传感采集子系统

由于结构健康监测系统的监测采集的信号具有多样性,例如:静态应变信号、动态冲击信号、疲劳损伤信号等,所以独立设计传感采集子系统的优势在于,可以针对各种不同的监测信号,设计不同的传感采集子系统,能灵活地与无线传感网络节点配接,更好地完成结构的健康监测。

2.1　应变桥路电压的设计

桥压电路的设计是这个设计中的重点,它是为应变桥路和其他器件提供电源,尤其是作为应变桥路的电源,它是否稳定、准确关系到后续的数据采集、处理的可靠性。T L431是美国德州仪器公司开发的一种可调式精密基准稳压器,利用两只外部电阻可设定2.5～36V 范围内的任何基准电压值,其电压温度系数很小,为30×10-6

/℃,动态阻抗低,典型值为0.2128,非常适合用于高精度的稳压电源的设计。根据传感采集子系统电源的稳定、准确和低功耗的要求,使用T L431为主要器件搭建了如图2所示的电路。

电路中采用三极管2N 222调节负载电流,输入电压V I 与电阻R 为精密基准稳压器T L431提供大于1mA 的工作电流,使精密基准稳压器T L431的

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第2期尚　盈,等:基于无线传感网络的大型结构健康监测系统