無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的研制與實驗驗證

材料在反復承受低于其自身拉伸強度極限的交變應力（或應變）作用下，也會產生裂紋和裂紋擴展現象并導致材料突然斷裂,通常把這樣的失效方式稱為疲勞破壞。疲勞問題可能會導致結構的直接失效。據調査統(tǒng)計，約有50%?90%的機械部件的失效是由于疲勞破壞所引起的因此，設計與開發(fā)一種具有疲勞壽命預估和預警功能的嵌入式智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，對于解決工程結構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構物的振動信號，通過智能算法對振動數據進行分析處理，最后獲知結構的疲勞損傷情況以采取相應的措施。目前，疲勞問題在結構監(jiān)測領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，現有的疲勞壽命估計理論的預測值與實際疲勞壽命之間還有很大差距;二是監(jiān)測的數據量龐大,冗余多，處理時既浪費時間又浪費資源，如何更好的通過數據反映出疲勞壽命，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，功能強大,且具有疲勞壽命預估和預警功能的智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。因此，本文所設計無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的目的就在于，希望其監(jiān)測出結構的疲勞壽命，以將疲勞破壞帶來的災害最小化。

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的實現方法，然后進行了實驗測試分析，得到了系統(tǒng)的相關實驗數據和分析結果。

1  無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)可分為應變放大部分、數據處理部分和無線傳輸部分,整個無線振動檢測系統(tǒng)的架構如圖1所示。

設計時通常把電阻應變片與精密電阻接成惠斯通半橋形式，以將形變量轉化為電信號，同時用應變放大模塊對其進行放大、濾波，送給數據處理模塊，然后由后者進行數模轉化，再應用相關算法處理數據，最后把結果存入FLASH中保存，同時無線發(fā)送給PC。

2  基于雨流計數法的智能疲勞監(jiān)測算法

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

(1) 雨流的起點依次在每個峰(谷)值的內側；

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

(3) 雨流遇到上面屋頂流下的雨時，就停止；

(4) 取出所有的全循環(huán)，并統(tǒng)計各自的幅值和均值；

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

(6) 把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段的計數法則進行處理并計數。

經過上述規(guī)則進行計數后,剩下的半循環(huán)數據的曲線將轉化為一個發(fā)散的收斂曲線，此時已經不能再用上述規(guī)則進行雨流計數，需要對這些數據進行一定的規(guī)則轉化之后,再進行二次雨流計數，并統(tǒng)計出半循環(huán)數。而對于相應的轉化規(guī)則，國內外許多文獻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)散收斂譜轉化為收斂發(fā)散譜，然后按照第一階段雨流計數法的規(guī)則進行計數的辦法比較方便、實用。該方法雖然會有一些誤差,但對總體來講，不影響疲勞壽命的估計，誤差可以忽略。

3  無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設計

無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化的設計方式，由應變放大模塊、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中的應變放大模塊可選用HK9421動態(tài)信號調理器，該器件可應用惠斯通電橋原理，配接不同類型的應變片或應變式傳感器,除測量結構和材料的應變外，還可以測量力、壓力、扭矩、溫度等物理量。此外，HK9421內部有3個120Q標準無感電阻，應用不同的接線方式,可方便地組成1/4橋、半橋、全橋等測量方式。HK9421還可通過內部電路對橋壓信號進行放大、濾波及提升，以使得電橋平衡時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品，擁有32位運算精度和高達150MHz的CPU頻率。相比以往的產品，F28335片內存儲容量進一步擴大,片內外設模塊的功能也得到了進一步擴展，并具備浮點運算功能。該芯片能夠快速地執(zhí)行雨流計數算法,而且還適于此疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的進一步擴展。

無線發(fā)送模塊選用STR-30型微功率無線數傳模塊，其優(yōu)點是發(fā)射功率極小、傳輸距離遠（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9000mAh,可充電實現循環(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。因為應變放大模塊需要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可以進行電壓轉換。圖4為其實際模塊圖。

4  實驗數據分析

本實驗以等強度梁作為被測結構，圖5為此實驗的原理示意圖，圖6為其相應的實物圖。

       實驗時，將貼于等強度梁兩側的電阻應變片與系統(tǒng)輸入端連接，以使其通過配套的無線接收模塊與PC端實現信息傳輸。實驗中，可用信號發(fā)生器調節(jié)等強度梁振動的頻率，用功率放大器調節(jié)振動的幅度。振動頻率為5Hz,采樣頻率250Hz,單次釆樣點數4000點。

圖7所示是第一次采樣的結果曲線，該結果存入數組SampleO中對其進行濾波、分析、處理之后，即可得到統(tǒng)計結果。在此過程中，數組Samplel同時也進行采樣。由圖7可知，當數組SampleO處理完成之后，數組Samplel在處理過程中共采集了27個數，如此就避免了數據處理過程中造成的的數據丟失。

圖8所示是本實驗的具體數據結果。由圖8可知，總循環(huán)數為0x8725+0x23CE=0xAAF3,即十進制43763。由信號頻率可知，5Hz的頻率，運行2小時30分鐘之后，應有2.5X5X3600=45000個循環(huán)，這期間落了1237個循環(huán)，誤差為2.7%,故可將誤差降低至3%以內。2.7%的誤差是由系統(tǒng)引起的，改進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。

通過初步實驗可見,本文提出的系統(tǒng)可以進行疲勞監(jiān)測的傳感器數據準確提取,進而為后期的疲勞損傷、安全評定提供可靠的數據保證。表1所列是本系統(tǒng)的主要指標。

5  結論

本文針對結構材料的疲勞損傷監(jiān)測，結合無線傳感技術，給出了一種無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法。該系統(tǒng)集成了應變放大模塊、DSP核心處理模塊、無線發(fā)送模塊等裝置。并進行了等強度梁激振測試實驗，實驗結果表明，本系統(tǒng)釆樣信息量大、釆樣數據準確可靠，適合應用在結構材料的疲勞損傷監(jiān)測中?？傊?，所設計的無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、方便安裝等特點，可為結構材料的疲勞損傷監(jiān)測提供一種新方法，具有廣闊的應用前景。