基于无线传感器与虚拟仪器技术的无线AE系统的研究

论文摘要

近年来越来越多的先进技术在声发射检测系统中得到重视和应用。本文研究了无线声发射检测系统的关键技术和设计方法,设计制作了无线声发射传感节点,开发了基于虚拟仪器技术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。本文首先阐述了声发射检测技术原理以及传统声发射检测系统的分类和结构组成。在充分研究无线传感技术和虚拟仪器技术的基础上,针对土木工程结构整体形态监测以及传统声发射系统的不足,提出了一种新型的无线声发射监测系统结构,将无线声发射系统按功能分为四个主要模块:模拟输入模块、数据采集模块、数据通信模块(又分为两个子模块:无线发送子模块和无线接收子模块)和数据分析模块。对相关电子器件进行分析、比较、选择,将模拟输入模块、数据采集模块和无线发送子模块组成无线AE传感节点,完成电路板的设计与调试。在充分研究ZigBee协议的基础上,设计了节点和无线接收子模块的软件程序。对节点进行了性能测试:无线AE节点的最大采样频率为300kHz,精度为12bit,空闲状态时间468天。最后,针对传统AE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,设计和开发了数据分析模块,实现了集信号采集、无线通信、数据分析、报警等为一体的无线AE检测系统,并对系统进行了整体化实验与调试。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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 声发射检测技术
• 1.1.2 无线传感器技术的优势
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 声发射测试系统
• 1.2.2 无线传感器技术的研究现状
• 1.3 课题研究的来源、目的与意义
• 1.4 本文开展的工作
• 第二章 无线AE检测系统的设计
• 2.1 AE检测系统的分类
• 2.1.1 根据AE检测系统声道数划分
• 2.1.2 根据采集的信号形式划分
• 2.1.3 根据硬件获取并输出存储数据区的方式划分
• 2.2 AE检测系统的设计要求
• 2.3 无线AE检测系统硬件体系的设计
• 2.4 本章小节
• 第三章 无线AE传感节点的设计及其集成技术
• 3.1 无线AE传感节点的硬件设计
• 3.1.1 模拟输入模块设计
• 3.1.2 数据采集模块设计
• 3.1.3 数据通信模块设计
• 3.1.4 无线AE传感节点的制成
• 3.2 无线AE传感节点嵌入式软件设计
• 3.2.1 ZigBee协议概述
• 3.2.2 无线AE传感节点软件的总体设计
• 3.2.3 数据采集模块的软件实现
• 3.2.4 数据通信模块的软件实现
• 3.2.5 模块间数据与命令交换的软件实现
• 3.3 电路板设计及抗干扰设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 声发射信号处理技术与损伤检测
• 4.1 声发射检测技术概述
• 4.2 声发射信号的特征分析
• 4.3 基于小波变换的声发射信号处理方法
• 4.3.1 小波分析概述
• 4.3.2 小波变换的多分辨率分析
• 4.3.3 基于信号奇异性的小波变换去噪方法
• 4.4 声发射源时差定位法
• 4.4.1 线定位
• 4.4.2 平面定位
• 4.5 噪声的抑制和排除
• 4.6 本章小结
• 第五章 无线AE测试系统监测与评估软件的设计
• 5.1 虚拟仪器及LabVIEW语言
• 5.1.1 虚拟仪器软件环境
• 5.1.2 图形化编程语言LabVIEW概述
• 5.2 监测与评估软件的总体设计
• 5.3 LabVIEW串口通讯模块的设计
• 5.4 LabVIEW信号处理模块的设计
• 5.4.1 信号加窗和滤波功能的实现
• 5.4.2 频谱分析功能的实现
• 5.4.3 LabVIEW中调用MATLAB进行小波分析的实现
• 5.5 声发射源平面时差定位功能的实现
• 5.6 声音报警功能的实现
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统性能试验研究
• 6.1 无线AE传感节点性能试验及分析
• 6.1.1 采集特性测试
• 6.1.2 传输距离性能测试
• 6.1.3 功耗估算
• 6.2 无线AE测试系统性能试验研究
• 6.2.1 试验准备
• 6.2.2 试验过程与结果
• 6.3 本章小结
• 第七章 研究工作总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 进一步的计划与建议
• 致谢
• 参考文献
• 在读研究生期间发表的论文