本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)體檢測傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于結(jié)構(gòu)體健康檢測的傳感器模塊。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)定義為對工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)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(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施的健康狀況，包括建筑物、橋梁、隧道以及航空工業(yè)。此外在水下管道系統(tǒng)(油管、光纖等)、高速公路、機(jī)械、醫(yī)療和電路板方面也有相關(guān)應(yīng)用。

2007年，美國，I-35公路橋梁由于超負(fù)荷而坍塌；2009年，德國，城市歷史檔案館由于地基形變坍塌；這兩個案例都是由于缺乏結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測而導(dǎo)致的基礎(chǔ)設(shè)施坍塌。其中的建筑物和橋梁分別由于地基形變和過度形變而導(dǎo)致的坍塌。美國克里夫蘭的一架已經(jīng)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。之后，在2014年這座橋梁被拆除并重建。

傳感器典型的感知參數(shù)(測量參數(shù))有應(yīng)變、壓力、溫度、傾斜率、濕度、腐蝕、振動、壓強(qiáng)和水平程度。這些參數(shù)通過各式傳感器采集得來，包括：風(fēng)速計、加速度計、動態(tài)和靜態(tài)應(yīng)變片、位移傳感器、溫度傳感器、全球定位系統(tǒng)、水平傳感器、動態(tài)稱重設(shè)備、氣壓計、雨量計、濕度計、腐蝕傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和電磁傳感器。

目前，由于高昂的成本開銷，結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)僅僅應(yīng)用在一些至關(guān)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(fēng)力和結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，是世界上最昂貴的數(shù)字化橋梁之一。在建筑物方面，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(jiān)測傳感器節(jié)點。其中有82％(1416個)的傳感器是應(yīng)變片和溫度傳感器。另一方面，安裝在哈利法塔上428個應(yīng)變片。對于此類至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)體來說，安裝全面健康監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的高成本是可以接受的；而對于其它大部分橋梁和建筑物，時常首先選擇定制的系統(tǒng)。這種定制的系統(tǒng)僅監(jiān)測部分結(jié)構(gòu)體參數(shù)，從而降低了成本。中國的一部分橋梁使用改造的結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)，使其能夠在技術(shù)上使用混合拓?fù)?，比如，通信：光纖，有線，或無線；能源：電力線，電池，或能量采集；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(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測的重要性可以通過下面這個例子體現(xiàn)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(fā)現(xiàn)橋梁的毫米級形變，從而召回維修部分結(jié)構(gòu)體已老化的橋梁。這樣的統(tǒng)計顯示：

1990年初期：美國將近35％的橋梁(236,000座)在結(jié)構(gòu)上或功能上有缺陷；

2006年：超過149,000座橋梁在結(jié)構(gòu)上有缺陷；

2012年：差不多25％的橋梁有缺陷。

值得強(qiáng)調(diào)的是，在監(jiān)測系統(tǒng)中感知的主要工作量集中在應(yīng)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(dǎo)致)，強(qiáng)風(fēng)和地震。這需要周期性的監(jiān)測由這些原因所導(dǎo)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(yīng)變檢查就能預(yù)測橋梁損害的程度。應(yīng)變測量在評估建筑物沉降和傾斜狀況方面也是至關(guān)重要的，尤其在施工階段。

如果結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測在結(jié)構(gòu)診斷中是極其重要的，并且在當(dāng)前市場中也是現(xiàn)成的，那么問題是為什么周圍重要的基礎(chǔ)設(shè)施中并沒有這樣的系統(tǒng)？在這里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系統(tǒng)的高功耗和高維護(hù)的開銷，尤其是在電池供電或太陽能供電的案例系統(tǒng)中。系統(tǒng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，感知參數(shù)的數(shù)量等等。每個傳感器成本(cost per sensor)是評估一個監(jiān)測系統(tǒng)成本的很好的判斷依據(jù)。圖1所示為4座橋梁的成本對比，在這些橋梁里使用了光纖和無線監(jiān)測技術(shù)。昂貴的成本是全自動結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的橋梁里，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(tǒng)的發(fā)展，似乎實現(xiàn)一個高信價比的無線結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)無疑是近在眼前的。協(xié)同能源采集技術(shù)(太陽能或振動能量)能實現(xiàn)全自動解決方案。為了更好的去權(quán)衡成本與系統(tǒng)之間的關(guān)系，研究了一些當(dāng)前已部署的無線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。

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(jié)點(除開基站和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)，其中105個節(jié)點使用電池供電，額外8個節(jié)點使用太陽能充電電池供電。這些傳感節(jié)點用來測量橋梁加速度、應(yīng)變、溫濕度和風(fēng)速。每個傳感器的成本是500美元。該系統(tǒng)中主要的限制為兩方面：1)通信時間。由于節(jié)點網(wǎng)絡(luò)沖突，從46個傳感器節(jié)點獲取數(shù)據(jù)需要近30分鐘。2)電池壽命。節(jié)點裝備有大容量20,000mAh電池。若節(jié)點每天只采集數(shù)據(jù)4次，電池容量將在兩個月后減少至75％。電池容量發(fā)展的潛在原因遵守Eveready定律。相比于微處理機(jī)技術(shù)，電池容量的發(fā)展是非常緩慢的。當(dāng)前工業(yè)電池典型能量密度為150-200Wh/kg，1000次循環(huán)充電次數(shù)。這意味著任何裝備有可充電電池的無源系統(tǒng)將承擔(dān)高昂的維護(hù)經(jīng)費(fèi)(一般而言需每幾個月維護(hù)一次)。另外，由于傳感和通信的高功耗需求，完全無源的能量采集解決方案是沒有可行性的。

溫度導(dǎo)致的誤差溫度導(dǎo)致的誤差或許是作為隱藏的參數(shù)沒有被結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)制造商公開。由于結(jié)構(gòu)體的整體體積與溫度呈正相關(guān)，溫度的改變將導(dǎo)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(yīng)變片)本身；溫度影響采樣設(shè)備(如數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。溫度導(dǎo)致的誤差程度常常達(dá)到由負(fù)載施加的正常應(yīng)變的六倍。為了解決這樣的問題，現(xiàn)有的系統(tǒng)使用溫度校準(zhǔn)在做測量補(bǔ)償。然而事實證明即便使用了溫度校準(zhǔn)，應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)安裝、修復(fù)、維護(hù)或者升級過程系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。雖然這不是一個經(jīng)費(fèi)上的問題，但這些系統(tǒng)診斷和操作都需要專業(yè)的技術(shù)人員才能進(jìn)行，否則系統(tǒng)的最佳狀態(tài)得不到保障。

從實際情況上看，射頻干擾以及電磁干擾是另一種影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的因素。舉個例子，如果將監(jiān)測系統(tǒng)修建在靠近輸電干線和GSM信號塔旁，系統(tǒng)將嚴(yán)重受到這些噪聲源的影響。一般情況下，監(jiān)測系統(tǒng)在此類環(huán)境下工作狀態(tài)得不到任何保障。相比之下，基于光纖的系統(tǒng)有著更好的可靠性，而基于ADC的系統(tǒng)卻會受到很大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供用于結(jié)構(gòu)體健康檢測的傳感器模塊，解決現(xiàn)有技術(shù)中所使用傳感器未能夠?qū)崿F(xiàn)完全無源，抗干擾能力差且成本高昂等技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

用于結(jié)構(gòu)體健康檢測的傳感器模塊，包括控制信號和射頻信號，還包括能量采集模塊，用于能量吸收，匹配接收射頻信號并轉(zhuǎn)化成直流電壓；能量管理模塊，用于作為驅(qū)動電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號并對這些電壓進(jìn)行存儲和穩(wěn)壓輸出；基于雷達(dá)原理的感知模塊，接收能量管理模塊輸出的直流電壓，還接收控制信號；傳感器組，用于采集結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變化信息；其中，所述的感知模塊按控制信號選擇地輸出雷達(dá)脈沖信號至所述的傳感器組，并接收所述傳感器組輸出的應(yīng)力變化傳感信號；其中，所述的感知模塊還輸出具有應(yīng)力變化信息的反饋信號。

上述方案中，所述的能量采集模塊，包括微帶天線，用于能量吸收，匹配接收射頻信號；射頻-直流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換微帶天線匹配輸出的射頻信號至電壓信號；電荷泵，提升射頻-直流轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號的電壓值。

上述方案中，所述的能量管理模塊，包括存儲電容，接收能量采集模塊輸出的電壓信號；電壓管理器，檢測存儲電容電壓值；升壓斬波電路，穩(wěn)定存儲電容釋放輸出的直流電壓。

上述方案中，所述的感知模塊，包括主控模塊，用于提供控制、通信和處理；雷達(dá)脈沖發(fā)生器，用于提供傳感器組信號源，接收主控模塊輸出的控制驅(qū)動信號；雷達(dá)脈沖存儲電容，接收并存儲雷達(dá)脈沖發(fā)生器輸出的雷達(dá)脈沖信號；開關(guān)電路，接收主控模塊輸出的選擇信號并選擇地釋放雷達(dá)脈沖存儲電容的雷達(dá)脈沖信號至傳感器組；計時模塊，用于測量雷達(dá)脈沖飛行時間，接收傳感器組輸出的應(yīng)力傳感信號；高頻時鐘晶振，用于提供采樣基準(zhǔn)，輸出高頻計時基準(zhǔn)時鐘至計時模塊；系統(tǒng)時鐘晶振，用于提供工作基準(zhǔn)，輸出工作基準(zhǔn)時鐘至主控模塊；通信模塊，接收控制信號并發(fā)送至主控模塊或發(fā)送主控模塊的反饋信號。

上述方案中，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(yīng)力傳感器，采集結(jié)構(gòu)體的溫度變化信息和被動地采集經(jīng)結(jié)構(gòu)體回響的應(yīng)力變化信息；

上述方案中，所述的感知模塊，還包括溫度補(bǔ)償模塊，溫度補(bǔ)償模塊接收主控模塊輸出的簡易雷達(dá)脈沖信號并且其還輸出補(bǔ)償脈沖信號至計時模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)實現(xiàn)了完全無源的結(jié)構(gòu)體檢測傳感器模塊；

(2)傳感器模塊結(jié)構(gòu)不僅可以通信還可以接收傳感器組采集數(shù)據(jù)；

(3)實現(xiàn)了具有微帶天線的能量采集模塊，用于傳感器供能；

(4)在對應(yīng)力數(shù)據(jù)采集方面，現(xiàn)有技術(shù)使用傳統(tǒng)方法(ADC+惠斯通電橋)，而使用雷達(dá)測量電阻值(應(yīng)力和溫度)方法；兩種方法原理不同，前者為測量電壓，后者為測量時間，后者抗數(shù)據(jù)干擾、精確度高且計算速度快；

(5)無源傳感器模塊從射頻無線電波中獲取能量，由于射頻信號是由人手持式閱讀器發(fā)出，故其頻率和能量是可以確定的，具有更好的應(yīng)用范圍和前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的傳感器模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明的能量模塊示意圖；

圖3為本發(fā)明的感知模塊原理圖；

圖4為本發(fā)明的溫度補(bǔ)償模塊示意圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實施例1

如圖1，所述傳感器組的參數(shù)，應(yīng)變片測量范圍為1000–5000με，應(yīng)變片精度為10με，溫度測量范圍為-40到+125℃，溫度精度為±0.5℃–±0.3℃(每次測量將在片內(nèi)采樣250次取平均值)，濕度測量范圍為0-100％RH，濕度精度為±3％RH溫度漂移為Δε<100μm(-20到+100℃)，校準(zhǔn)無(不需要)，誤報率為0％(250次片內(nèi)采樣避免了系統(tǒng)誤報)，受射頻/電磁影響無。

如圖2所示，當(dāng)射頻信號到達(dá)設(shè)備時同時也會被能量采集模塊的微帶天線吸收。微帶天線相比于偶極子天線(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(yīng)反向散射通信能力較差，故使用微帶天線的能量采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(jīng)過微帶天線被RF-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的能量采集模塊轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后被電荷泵升壓并充能存儲電容。電壓管理器監(jiān)測存儲電容里的電壓。當(dāng)電容儲能充足時，電壓管理器通過INT引腳告知MCU(微控制器)或處理器能量采集模塊的狀態(tài)。此外，若存儲電容根據(jù)應(yīng)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(dāng)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并穩(wěn)壓之后輸出在Vout引腳為傳感器供電。Vout的電壓是可定制的，由VSET引腳輸入電壓控制。

如圖3所示，該模塊用于結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測。整個模塊通過主控電路控制。雷達(dá)測量的核心由雷達(dá)脈沖發(fā)生器、脈沖存儲電容、開關(guān)電路、無源傳感器組和計時模塊組成。主控控制雷達(dá)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，產(chǎn)生的脈沖被存儲在脈沖存儲電容之中。當(dāng)積累的脈沖足夠時，主控控制開關(guān)電路釋放脈沖。釋放的脈沖信號通過傳感器之后攜帶著傳感器的信息，并由高精度計時模塊測量。在獲得傳感器信息之后，計時模塊將傳感器信息發(fā)送給主控。模塊使用兩個時鐘晶振。其中系統(tǒng)時鐘晶振為主控提供工作節(jié)拍，而獨立的高頻時鐘晶振為計時模塊提供測量節(jié)拍。此外，通信模塊負(fù)責(zé)與外部電路(如MCU、處理器等)通信，將測量數(shù)據(jù)上傳或接收控制命令。

對于溫度變化導(dǎo)致傳感器測量的誤差，可以使用溫度補(bǔ)償來減少。如圖4所示，溫度補(bǔ)償模塊內(nèi)部有溫敏電阻、高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻和放大器。溫敏電阻的電阻值會隨著溫度呈現(xiàn)線性變化，而高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻受溫度影響極小。溫度補(bǔ)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(bǔ)償是由主控電路內(nèi)部產(chǎn)生簡易雷達(dá)脈沖，該脈沖分別經(jīng)過溫敏電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻后經(jīng)放大器放大后成為補(bǔ)償脈沖信號，由計時模塊測量，并將測量結(jié)果發(fā)送給主控。之后主控經(jīng)過計算得到溫度比率，作為溫度補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。