基于脈沖伸縮處理技術(shù)的分布式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于脈沖伸縮處理技術(shù)的分布式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 船體，飛機(jī)螺旋獎(jiǎng)等大型結(jié)構(gòu)體，從其一旦被建造完成并投入使用開(kāi)始，其結(jié)構(gòu)狀 況就會(huì)隨著各種一般連續(xù)載荷，偶然過(guò)載載荷或者極端惡劣的環(huán)境條件而逐漸惡化。運(yùn)種 結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料的本質(zhì)上的變化會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的使用性能，并且通常無(wú)法預(yù)先知道何時(shí) 發(fā)生失效。因此，一種可W迅速、可靠并且不損壞原本結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)就顯得極為重要。應(yīng) 變傳感監(jiān)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)應(yīng)變傳感器來(lái)監(jiān)控結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的應(yīng)變變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理和參數(shù)分析W后，可W評(píng)估結(jié)構(gòu)體的性能和確定結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命。運(yùn)將有效的防止 災(zāi)難事故的發(fā)生，極大地提高結(jié)構(gòu)體的安全保障，并有利于及時(shí)、合理的分配維護(hù)和修理任 務(wù)。
[0003] 目前關(guān)于傳感器系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN)和光纖傳感系統(tǒng)。但由于 技術(shù)上的瓶頸和實(shí)用方面的諸多問(wèn)題，使其無(wú)法完全取代傳統(tǒng)的電學(xué)物理傳感系統(tǒng)。無(wú)線 傳感技術(shù)信息安全性差，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量受到通訊線路的限制，且單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)成本較高，電 池壽命也只能維持幾個(gè)月。因此，電子物理傳感系統(tǒng)W其價(jià)格低廉、實(shí)用性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等 諸多優(yōu)點(diǎn)，依然在傳感領(lǐng)域扮演著重要的角色。
[0004] 然而，現(xiàn)有的應(yīng)變傳感器系統(tǒng)存在W下的技術(shù)難題：（1)所用的傳感器需要多重 的金屬導(dǎo)線來(lái)采集信號(hào)。尤其是對(duì)于分布式的傳感系統(tǒng)，隨著傳感器數(shù)量的增多，系統(tǒng)將變 得很龐大，復(fù)雜。（2)所用的傳感器和金屬導(dǎo)線容易受電磁干擾的影響。特別是隨著電子 技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)體上裝備越來(lái)越多的電磁設(shè)備，使該問(wèn)題更加突出。（3)每個(gè)傳感器的附 近都需要安裝一個(gè)前置放大器和信號(hào)調(diào)節(jié)器，并且每個(gè)放大器又需要兩條金屬導(dǎo)線來(lái)提供 能源。運(yùn)些限制讓現(xiàn)有技術(shù)變得很笨重，抗干擾能力差，并且容易失效。所W研發(fā)新型的簡(jiǎn) 單、實(shí)用、穩(wěn)健的分布式傳感器系統(tǒng)迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽(yáng)〇化]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)健的、嵌入式的、低成本的基于脈沖伸縮 處理技術(shù)的分布式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于脈沖伸縮處理技術(shù)的分布 式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，其特征在于：包括一信號(hào)發(fā)生及處理模塊和一傳感器分布模塊；所述 信號(hào)發(fā)生及處理模塊包括一信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備，一低噪聲放大器、一混頻器、一低通濾波 器及一計(jì)算機(jī)終端；所述傳感器分布模塊包括級(jí)聯(lián)的第1傳感器子單元至第n傳感器子單 元，n為大于1的自然數(shù)；所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備與所述傳感器分布模塊的輸入端連接， 將所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備產(chǎn)生的輸入信號(hào)傳輸給所述傳感器分布模塊，所述傳感器分布 模塊通過(guò)所述第1傳感器子單元至第n傳感器子單元對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行處理，每一傳感 器子單元產(chǎn)生一反饋信號(hào)，傳感器分布模塊的輸出端與所述低噪聲放大器的輸入端連接， 將所述反饋信號(hào)進(jìn)行放大處理，低噪聲放大器的輸出端及信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備分別與所述 混頻器的輸入端連接，對(duì)放大處理后的反饋信號(hào)及信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備傳來(lái)的一輸入信號(hào) 副本作為參考信號(hào)進(jìn)行混頻，所述混頻器的輸出端與所述低通濾波器的輸入端連接，所述 低通濾波器的輸出端與所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備的輸入端連接，將混頻后的信號(hào)進(jìn)行濾波 處理后回傳給所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備進(jìn)行最終分析處理，所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備與所 述計(jì)算機(jī)終端連接，將最終分析處理后的結(jié)果在計(jì)算機(jī)終端的圖形窗口進(jìn)行顯示。
[0007] 進(jìn)一步的，第i傳感器子單元包括依次連接的禪合器、應(yīng)變傳感器及組合器，第 i-1傳感器子單元的禪合器與第i傳感器子單元的禪合器連接，第i-1傳感器子單元的組合 器與第i傳感器子單元的組合器連接；其中，1《i《n-1，第n傳感器子單元包括相互連 接的禪合器及應(yīng)變傳感器，第n傳感器子單元的禪合器與第n-1傳感器子單元的禪合器連 接，第n傳感器子單元的應(yīng)變傳感器與第n-1傳感器子單元的組合器連接，第n傳感器子單 元的禪合器的另一端接地。
[0008] 進(jìn)一步的，所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備包括一基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器及一本地振 蕩器，所述基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生所述輸入信號(hào)，所述本地振蕩器用于產(chǎn)生所述 輸入信號(hào)副本。
[0009] 進(jìn)一步的，所述輸入信號(hào)為：
[0010]
[0011] 其中：f。是調(diào)頻起始頻率，k是線性調(diào)頻增益系數(shù)，機(jī)..是初相位，a為幅值，t為時(shí) 間。
[0012] 進(jìn)一步的，所述混頻后的信號(hào)為：
[0013]
[0014] 其中：T為所述反饋信號(hào)與所述輸入信號(hào)的時(shí)間差；
[0015] 上式經(jīng)化簡(jiǎn)后得：
[0017] 進(jìn)一步的，所述混頻后的信號(hào)經(jīng)所述低通濾波器消除諧波分量后的輸出為：
[0019] 最后該輸出在所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，旁瓣加權(quán)及快速傅里 葉變換后，得即時(shí)頻率：
[0021]k= 2 31B/T,T= 2R/c 陽(yáng)02引其中：R是目標(biāo)距離，B是頻帶寬度，C是電磁波在電纜中的傳播速度，C= 2X10?/ s，上式表達(dá)的是目標(biāo)距離與即使頻率的關(guān)系，在頻譜圖中頻率為f處出現(xiàn)一個(gè)峰點(diǎn)，就表 示距離R=cTf/2B處出現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下有益效果：
[0024] 1、本發(fā)明是基于脈沖伸縮處理技術(shù)進(jìn)行傳感器信號(hào)的采集，傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)源電 路，沒(méi)有電池和開(kāi)關(guān)，僅僅向收發(fā)器發(fā)送的掃描信號(hào)被動(dòng)的響應(yīng)，相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有響 應(yīng)快速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和能耗低等優(yōu)點(diǎn)；
[00巧]2、本發(fā)明具有動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性，柔性和高度適應(yīng)性；本發(fā)明所使用的收發(fā)器是基于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程口陣列）的，使該系統(tǒng)本身具有可重構(gòu)性；另外，該系統(tǒng)對(duì)傳感器的數(shù)量， 傳感器種類(lèi)，環(huán)境W及信號(hào)頻率等都具有較高的適應(yīng)性，本發(fā)明可W將應(yīng)變傳感器分布在 不同的監(jiān)控位置，并按需要來(lái)擴(kuò)展傳感器的規(guī)模；
[00%] 3、本發(fā)明從原理上具有自我診斷設(shè)計(jì)：假如一個(gè)特定的傳感器節(jié)點(diǎn)失效了，在計(jì) 算機(jī)終端的圖形監(jiān)控窗口可W立即獲得失效點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，隨即可W采取相應(yīng)的措施解決 問(wèn)題，不同于光纖布拉格光柵方法，一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效了就需要更換整個(gè)傳感光纖，而本發(fā)明的 分布式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)僅需更換相應(yīng)的失效節(jié)點(diǎn)；
[0027] 4、抗電磁干擾能力強(qiáng)：傳統(tǒng)電子傳感系統(tǒng)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)致命的弱點(diǎn)是容易受外 界電磁干擾，而本發(fā)明使用了兩根同軸的電纜線完成傳感器與信號(hào)處理設(shè)備的連接，且是 基于頻率調(diào)諧電路的，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力；
[0028] 5、具有魯棒性，性?xún)r(jià)比高和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用電學(xué)傳感方法，相應(yīng) 的半導(dǎo)體材料技術(shù)比較成熟，能夠適用于各種環(huán)境條件，因此比光學(xué)方法更穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比更 高，且較低的成本也降低了研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)；
[0029] 6、具有很大的可拓展性，本發(fā)明也能用于其它分布式測(cè)量，譬如溫度，濕度等。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接示意圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)信號(hào)傳輸原理不意圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明線性調(diào)頻信號(hào)圖。
[0033] 圖4是本發(fā)明反饋信號(hào)圖。
[0034] 圖5是本發(fā)明輸入信號(hào)副本圖。
[0035] 圖6是本發(fā)明混頻后的信號(hào)圖。
[0036] 圖7是本發(fā)明進(jìn)行傅里葉變換后的頻域信號(hào)圖。
[0037] 圖中：1-信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備；2-電纜線；3-禪合器；4-應(yīng)變傳感器；5-組合器； 6-低噪聲放大器；7-混頻器；8-低通濾波器；9-計(jì)算機(jī)終端；11-第1傳感器子單元；12-第 2傳感器子單元；13-第n-1傳感器子單元；14-第n傳感器子單元。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0039] 請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明提供一種基于脈沖伸縮處理技術(shù)的分布式應(yīng)變傳感器系統(tǒng)，其 特征在于：包括一信號(hào)發(fā)生及處理模塊和一傳感器分布模塊（圖中虛線框所示）；所述信號(hào) 發(fā)生及處理模塊包括一信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備1、一低噪聲放大器6、一混頻器7、一低通濾波 器8及一計(jì)算機(jī)終端9 ;所述信號(hào)收發(fā)及處理設(shè)備I包括一基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器及一本 地振蕩器，所述基于FPGA的信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生一輸入信號(hào)，所述本地振蕩器用于