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基于无线传感器与虚拟仪器技术的SHM系统的研究

作　者: 万雄
导　师: 骆英
学　校: 江苏大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 结构健康监测(SHM) 无线传感器 虚拟仪器(VI) 无线通信 声发射(AE) 损伤定位
分类号: TH789
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


近年来，越来越多的先进技术在结构健康监测中得到重视和应用，其中随着微机电系统(MEMS)、无线通信、仪器仪表和计算机技术发展起来的无线传感器技术以及虚拟仪器技术得到了许多领域科研人员的特别关注。本文研究了结构健康监测系统的关键技术和设计方法，设计制作了无线压电传感器，开发了基于虚拟仪器的结构健康监测系统监测评估软件，并在实验室进行了相应的试验。本文的主要研究内容和成果如下：1．针对传统结构健康监测系统的不足，提出了一种基于无线传感器和虚拟仪器技术的新型的结构健康监测系统。2．针对目前国内用于结构健康监测的无线传感器只能用来采集结构的加速度、应力、环境温度等物理量，最大采样频率仅为1kHz的现状，利用模块化设计方法，提出了一种可以用于声波检测的新型压电无线传感器的硬件结构及其设计原则。设计和制作了小体积、低功耗的无线压电传感器节点和基站的硬件部分。3．针对无线传感器无线通信带宽限制、数据处理能力低、功耗高等问题，研究ZigBee协议栈内容，设计无线传感器节点和基站的软件程序，通过试验对比无线传感器和传统传感器采集到的信号的差别，验证了无线传感器的性能。该传感器在体积小，功耗低的前提下，将采样频率从1kHz提高到50kHz，数据精度从8bit提高到10bit。4．针对结构健康监测系统开发周期长、成本高、扩展不灵活等问题，利用虚拟仪器技术，以LabVIEW为软件开发平台，设计和开发了结构健康监测系统的监测和评估软件，将系统按功能分成各个功能模块单独设计，通过开发不同的测试分析软件模块，实现了集信号采集、数据通信、数据分析、报警等为一体的结构健康监测系统。5．对结构健康监测系统进行了整体化试验与调试。完成了对信号的采集、保存，并对信号进行滤波、FFT变换、小波分析等多种处理和分析，首次用LabVIEW实现了工程结构的声发射源平面定位，并且定位精度高于传统的过阈值方法。整个系统开发成本低、开发周期短，功能模块可根据用户需要随时修改、增加和升级，具有很强的灵活性，实用性，应用前景广泛。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 课题的研究背景  11-14
  1.2 国内外研究现状  14-16
    1.2.1 无线传感器在SHM中的应用与发展  14-15
    1.2.2 虚拟仪器技术在SHM中的应用与发展  15-16
  1.3 课题研究的来源、目的与意义  16-17
  1.4 本文开展的工作  17-18
第二章 结构健康监测系统的硬件设计  18-36
  2.1 结构健康监测概述  18-19
  2.2 结构健康监测系统整体框架  19-20
  2.3 无线压电传感器硬件结构的设计  20-21
  2.4 传感器板的设计  21-29
    2.4.1 压电传感器原理  21-25
    2.4.2 电压跟随器的设计及性能试验  25-26
    2.4.3 放大电路的设计及性能试验  26-28
    2.4.4 传感器板的总体性能试验  28-29
  2.5 处理器板的设计  29-33
    2.5.1 微处理单元  29-30
    2.5.2 无线通信单元  30-31
    2.5.3 处理器板的制成  31-33
  2.6 基站的设计和制作  33-35
  2.7 本章小结  35-36
第三章 无线通信协议和无线压电传感器的软件设计  36-50
  3.1 ZigBee协议概述  36-40
    3.1.1 IEEE 802.15.4  36
    3.1.2 端点、端点绑定  36-37
    3.1.3 数据传输机制  37-38
    3.1.4 协议栈架构  38-40
  3.2 无线传感器软件的总体设计  40-43
    3.2.1 程序开发语言的选择  40-41
    3.2.2 无线传感器软件结构  41-43
  3.3 模拟信号A/D转换的实现  43-46
    3.3.1 A/D转换原理  43-45
    3.3.2 A/D时钟选择  45-46
  3.4 配置CC2420的IEEE 802.15.4工作模式  46-47
  3.5 USART模块实现数据通信  47-49
  3.6 本章小结  49-50
第四章 声发射损伤检测和小波分析理论  50-59
  4.1 声发射检测技术概述  50
  4.2 声发射源时差定位法  50-53
    4.2.1 线定位  50-51
    4.2.2 平面定位  51-53
  4.3 噪声的抑制和排除  53
  4.4 小波分析理论  53-58
    4.4.1 小波分析概述  53-54
    4.4.2 小波变换的多分辨率分析  54-56
    4.4.3 基于信号奇异性的小波变换去噪方法  56-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章 结构健康监测系统监测与评估软件的设计  59-72
  5.1 虚拟仪器及LabVIEW语言  59-61
    5.1.1 虚拟仪器软件环境  59-61
    5.1.2 图形化编程语言LabVIEW概述  61
  5.2 监测与评估软件的总体设计  61-63
  5.3 LabVIEW串口通讯模块的设计  63-64
  5.4 LabVIEW信号处理模块的设计  64-69
    5.4.1 信号加窗和滤波功能的实现  65-67
    5.4.2 频谱分析功能的实现  67-68
    5.4.3 LabVIEW中调用MATLAB进行小波分析的实现  68-69
  5.5 声发射源平面时差定位功能的实现  69-70
  5.6 声音报警功能的实现  70-71
  5.7 本章小结  71-72
第六章 系统性能试验研究  72-80
  6.1 压电无线传感器的性能试验研究  72-74
  6.2 结构健康监测系统软件的性能试验研究  74-78
    6.2.1 试验准备  74-75
    6.2.2 试验过程与结果  75-78
  6.3 本章小结  78-80
第七章 研究工作总结与展望  80-82
  7.1 工作总结  80-81
  7.2 发展及展望  81-82
参考文献  82-86
附录A 处理器板硬件原理图  86-87
致谢  87-88
在读研究生期间发表的论文  88

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 其他医疗器械
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