用于結構體健康檢測的傳感器模塊制造技術

用于結構體健康檢測的傳感器模塊，本發明專利技術涉及結構體檢測傳感器技術領域，解決現有技術中所使用傳感器未能夠實現完全無源，抗干擾能力差且成本高昂等技術問題。本發明專利技術主要包括能量采集模塊，用于能量吸收，匹配接收射頻信號；能量管理模塊，用于作為驅動電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號；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，用于采集結構體的應力變化信息。本發明專利技術用于設計橋梁、建筑等結構健康檢測傳感器。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及結構體檢測傳感器
，具體涉及用于結構體健康檢測的傳感器模塊。
技術介紹
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，包括建筑物、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公路橋梁由于超負荷而坍塌；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構體健康監測而導致的基礎設施坍塌。其中的建筑物和橋梁分別由于地基形變和過度形變而導致的坍塌。美國克里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。之后，在2014年這座橋梁被拆除并重建。傳感器典型的感知參數(測量參數)有應變、壓力、溫度、傾斜率、濕度、腐蝕、振動、壓強和水平程度。這些參數通過各式傳感器采集得來，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、濕度計、腐蝕傳感器、數字攝像機和電磁傳感器。目前，由于高昂的成本開銷，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。對于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；而對于其它大部分橋梁和建筑物，時常首先選擇定制的系統。這種定制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。應變測量在評估建筑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，并且在當前市場中也是現成的，那么問題是為什么周圍重要的基礎設施中并沒有這樣的系統？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，在這些橋梁里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。協同能源采集技術(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系，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、溫濕度和風速。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。由于節點網絡沖突，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。若節點每天只采集數據4次，電池容量將在兩個月后減少至75％。電池容量發展的潛在原因遵守Eveready定律。相比于微處理機技術，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制造商公開。由于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；溫度影響采樣設備(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，射頻干擾以及電磁干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干線和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，基于光纖的系統有著更好的可靠性，而基于ADC的系統卻會受到很大的影響。
技術實現思路
針對上述現有技術，本專利技術目的在于提供用于結構體健康檢測的傳感器模塊，解決現有技術中所使用傳感器未能夠實現完全無源，抗干擾能力差且成本高昂等技術問題。為達到上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：用于結構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化成直流電壓；能量管理模塊，用于作為驅動電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號并對這些電壓進行存儲和穩壓輸出；基于雷達原理的感知模塊，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，用于采集結構體的應力變化信息；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力變化傳感信號；其中，所述的感知模塊還輸出具有應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，匹配接收射頻信號本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于結構體健康檢測的傳感器模塊，包括控制信號和射頻信號，其特征在于，還包括能量采集模塊，用于能量吸收，匹配接收射頻信號；能量管理模塊，用于作為驅動電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號；基于雷達原理的感知模塊，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，用于采集結構體的應力變化信息；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力變化傳感信號；其中，所述的感知模塊還輸出具有應力變化信息的反饋信號。

【技術特征摘要】
1.用于結構體健康檢測的傳感器模塊，包括控制信號和射頻信號，其特征在于，還包括能量采集模塊，用于能量吸收，匹配接收射頻信號；能量管理模塊，用于作為驅動電源，接收能量采集模塊輸出的電壓信號；基于雷達原理的感知模塊，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，用于采集結構體的應力變化信息；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力變化傳感信號；其中，所述的感知模塊還輸出具有應力變化信息的反饋信號。2.根據權利要求1所述的用于結構體健康檢測的傳感器模塊，其特征在于，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-直流轉換器，轉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-直流轉換器輸出電壓信號的電壓值。3.根據權利要求1所述的用于結構體健康檢測的傳感器模塊，其特征在于，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，穩定存儲電容釋放輸出的直流電壓。4.根據權利要求1所述的用于結構體健康...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魯力，李松璠，
申請(專利權)人：成都布阿澤科技有限公司，
類型：發明
國別省市：四川;51