無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的研制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

材料在反復(fù)承受低于其自身拉伸強(qiáng)度極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）作用下，也會(huì)產(chǎn)生裂紋和裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象并導(dǎo)致材料突然斷裂,通常把這樣的失效方式稱為疲勞破壞。疲勞問題可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的直接失效。據(jù)調(diào)査統(tǒng)計(jì)，約有50%?90%的機(jī)械部件的失效是由于疲勞破壞所引起的因此，設(shè)計(jì)與開發(fā)一種具有疲勞壽命預(yù)估和預(yù)警功能的嵌入式智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，對于解決工程結(jié)構(gòu)疲勞問題將有很大的幫助。

疲勞監(jiān)測的基本原理是利用傳感器提取結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)信號，通過智能算法對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后獲知結(jié)構(gòu)的疲勞損傷情況以采取相應(yīng)的措施。目前，疲勞問題在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域所面臨的主要問題:一是疲勞壽命涉及到的范圍廣，影響因素多，現(xiàn)有的疲勞壽命估計(jì)理論的預(yù)測值與實(shí)際疲勞壽命之間還有很大差距;二是監(jiān)測的數(shù)據(jù)量龐大,冗余多，處理時(shí)既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)資源，如何更好的通過數(shù)據(jù)反映出疲勞壽命，是今后研究的主要問題之一；三是在工程中缺少一種原理明確，功能強(qiáng)大,且具有疲勞壽命預(yù)估和預(yù)警功能的智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。因此，本文所設(shè)計(jì)無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的目的就在于，希望其監(jiān)測出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，以將疲勞破壞帶來的災(zāi)害最小化。

本文首先介紹了一種智能疲勞監(jiān)測的優(yōu)化算法，并給出了其基于DSP芯片TMS320F28335的實(shí)現(xiàn)方法，然后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試分析，得到了系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

1  無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)可分為應(yīng)變放大部分、數(shù)據(jù)處理部分和無線傳輸部分,整個(gè)無線振動(dòng)檢測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)時(shí)通常把電阻應(yīng)變片與精密電阻接成惠斯通半橋形式，以將形變量轉(zhuǎn)化為電信號，同時(shí)用應(yīng)變放大模塊對其進(jìn)行放大、濾波，送給數(shù)據(jù)處理模塊，然后由后者進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，再應(yīng)用相關(guān)算法處理數(shù)據(jù)，最后把結(jié)果存入FLASH中保存，同時(shí)無線發(fā)送給PC。

2  基于雨流計(jì)數(shù)法的智能疲勞監(jiān)測算法

雨流計(jì)數(shù)法，又叫塔頂法，是由英國的Matsuiski和Endo等人考慮了材料應(yīng)力和應(yīng)變而提出的。雨流計(jì)數(shù)法主要用于工程界，特別在疲勞壽命估計(jì)中運(yùn)用非常廣泛。其示意圖如圖2所示。把荷載一時(shí)間歷程翻轉(zhuǎn)，時(shí)間軸豎直向下,這樣就好比一座寶塔，故名為塔頂法。在這種狀態(tài)下，假設(shè)雨流從塔頂開始不斷往下流，遇到塔尖之后，就可以根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則完成循環(huán)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。具體規(guī)則如下:

(1) 雨流的起點(diǎn)依次在每個(gè)峰(谷)值的內(nèi)側(cè)；

(2) 雨流在下一個(gè)峰(谷)值處落下，直到對面的峰(谷)值；比開始時(shí)更大(小)為止；

(3) 雨流遇到上面屋頂流下的雨時(shí)，就停止；

(4) 取出所有的全循環(huán)，并統(tǒng)計(jì)各自的幅值和均值；

(5) 按正、負(fù)斜率取出所有的半循環(huán)，并統(tǒng)計(jì)各自的幅值和均值；

(6) 把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段的計(jì)數(shù)法則進(jìn)行處理并計(jì)數(shù)。

經(jīng)過上述規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)后,剩下的半循環(huán)數(shù)據(jù)的曲線將轉(zhuǎn)化為一個(gè)發(fā)散的收斂曲線，此時(shí)已經(jīng)不能再用上述規(guī)則進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的規(guī)則轉(zhuǎn)化之后,再進(jìn)行二次雨流計(jì)數(shù)，并統(tǒng)計(jì)出半循環(huán)數(shù)。而對于相應(yīng)的轉(zhuǎn)化規(guī)則，國內(nèi)外許多文獻(xiàn)都提出了不同的解決辦法。在諸多方法中，其中楊永吉、鄧速提出的將發(fā)散收斂譜轉(zhuǎn)化為收斂發(fā)散譜，然后按照第一階段雨流計(jì)數(shù)法的規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)的辦法比較方便、實(shí)用。該方法雖然會(huì)有一些誤差,但對總體來講，不影響疲勞壽命的估計(jì)，誤差可以忽略。

3  無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，由應(yīng)變放大模塊、DSP核心處理模塊、無線發(fā)送模塊及電源管理模塊等部分組成。圖3所示是無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成框圖。

圖3中的應(yīng)變放大模塊可選用HK9421動(dòng)態(tài)信號調(diào)理器，該器件可應(yīng)用惠斯通電橋原理，配接不同類型的應(yīng)變片或應(yīng)變式傳感器,除測量結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)變外，還可以測量力、壓力、扭矩、溫度等物理量。此外，HK9421內(nèi)部有3個(gè)120Q標(biāo)準(zhǔn)無感電阻，應(yīng)用不同的接線方式,可方便地組成1/4橋、半橋、全橋等測量方式。HK9421還可通過內(nèi)部電路對橋壓信號進(jìn)行放大、濾波及提升，以使得電橋平衡時(shí)的輸出電壓為供電電壓的一半。

DSP核心處理模塊選用TMS320C2000系列的TMS320F28335芯片。F28335芯片是TI公司近幾年最新推出的產(chǎn)品，擁有32位運(yùn)算精度和高達(dá)150MHz的CPU頻率。相比以往的產(chǎn)品，F(xiàn)28335片內(nèi)存儲(chǔ)容量進(jìn)一步擴(kuò)大,片內(nèi)外設(shè)模塊的功能也得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，并具備浮點(diǎn)運(yùn)算功能。該芯片能夠快速地執(zhí)行雨流計(jì)數(shù)算法,而且還適于此疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

無線發(fā)送模塊選用STR-30型微功率無線數(shù)傳模塊，其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射功率極小、傳輸距離遠(yuǎn)（在視距情況下，天線高度〉1.5m,可靠傳輸距離＞800m）、誤碼率低、體積小、重量輕等。

電源管理模塊由包括YSD-12-5鋰電池和B0503M-1WDC-DC電源模塊的兩部分組成。前者提供穩(wěn)定的5V電壓輸出，且容量高達(dá)9000mAh,可充電實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用;后者適用于分布式電源供電系統(tǒng)及使用小功率電源供電的電路。因?yàn)閼?yīng)變放大模塊需要5V供電，而DSP核心處理模塊和無線發(fā)送模塊需要3.3V供電，所以用其DC-DC可以進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。圖4為其實(shí)際模塊圖。

4  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)以等強(qiáng)度梁作為被測結(jié)構(gòu)，圖5為此實(shí)驗(yàn)的原理示意圖，圖6為其相應(yīng)的實(shí)物圖。

       實(shí)驗(yàn)時(shí)，將貼于等強(qiáng)度梁兩側(cè)的電阻應(yīng)變片與系統(tǒng)輸入端連接，以使其通過配套的無線接收模塊與PC端實(shí)現(xiàn)信息傳輸。實(shí)驗(yàn)中，可用信號發(fā)生器調(diào)節(jié)等強(qiáng)度梁振動(dòng)的頻率，用功率放大器調(diào)節(jié)振動(dòng)的幅度。振動(dòng)頻率為5Hz,采樣頻率250Hz,單次釆樣點(diǎn)數(shù)4000點(diǎn)。

圖7所示是第一次采樣的結(jié)果曲線，該結(jié)果存入數(shù)組SampleO中對其進(jìn)行濾波、分析、處理之后，即可得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在此過程中，數(shù)組Samplel同時(shí)也進(jìn)行采樣。由圖7可知，當(dāng)數(shù)組SampleO處理完成之后，數(shù)組Samplel在處理過程中共采集了27個(gè)數(shù)，如此就避免了數(shù)據(jù)處理過程中造成的的數(shù)據(jù)丟失。

圖8所示是本實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)結(jié)果。由圖8可知，總循環(huán)數(shù)為0x8725+0x23CE=0xAAF3,即十進(jìn)制43763。由信號頻率可知，5Hz的頻率，運(yùn)行2小時(shí)30分鐘之后，應(yīng)有2.5X5X3600=45000個(gè)循環(huán)，這期間落了1237個(gè)循環(huán)，誤差為2.7%,故可將誤差降低至3%以內(nèi)。2.7%的誤差是由系統(tǒng)引起的，改進(jìn)方法為增加每一次處理的信息量，從而降低丟失信息在其中所占的百分比即可。

通過初步實(shí)驗(yàn)可見,本文提出的系統(tǒng)可以進(jìn)行疲勞監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提取,進(jìn)而為后期的疲勞損傷、安全評定提供可靠的數(shù)據(jù)保證。表1所列是本系統(tǒng)的主要指標(biāo)。

5  結(jié)論

本文針對結(jié)構(gòu)材料的疲勞損傷監(jiān)測，結(jié)合無線傳感技術(shù)，給出了一種無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)集成了應(yīng)變放大模塊、DSP核心處理模塊、無線發(fā)送模塊等裝置。并進(jìn)行了等強(qiáng)度梁激振測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)釆樣信息量大、釆樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，適合應(yīng)用在結(jié)構(gòu)材料的疲勞損傷監(jiān)測中。總之，所設(shè)計(jì)的無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、方便安裝等特點(diǎn)，可為結(jié)構(gòu)材料的疲勞損傷監(jiān)測提供一種新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。