實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：固體結(jié)構(gòu)多傳感信息應(yīng)力波通信應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

研究方向：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種大型復(fù)雜工業(yè)結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，由于環(huán)境載荷作用、材料老化、突發(fā)自然災(zāi)害以及其它人為破壞等影響，會(huì)在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，從而導(dǎo)致抗力衰減甚至突發(fā)事故，使人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅，為此建立有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大型工業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估已成為目前研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般需要監(jiān)測(cè)多個(gè)對(duì)象，如損傷、振動(dòng)、應(yīng)力、位移、傾斜等結(jié)構(gòu)健康參數(shù)，早期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用總線(xiàn)通信協(xié)議而形成了有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，然而有線(xiàn)傳輸系統(tǒng)經(jīng)常因承受過(guò)大外力而損壞，還需要預(yù)先將大量的通信電纜鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)層中，不僅提高了系統(tǒng)成本而且需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的安裝時(shí)間。目前由配置微處理器和無(wú)線(xiàn)通信模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價(jià)格低廉、快速搭建、維護(hù)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于大型固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。然而無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)容易由于電源原因?qū)е率В斐杀O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失；再者當(dāng)運(yùn)用到一些實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)特殊環(huán)境中時(shí)，如金屬密封容器、水下海上平臺(tái)和地下金屬管道等，無(wú)線(xiàn)電磁信號(hào)容易被屏蔽，同時(shí)電磁波信號(hào)在水（或土壤）等特殊環(huán)境中傳播會(huì)嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致傳播距離非常短。因此在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不能很好地傳遞結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的場(chǎng)合下，研究探索新型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息通信方法顯得非常有意義。

近年來(lái)，隨著對(duì)壓電材料PZT(piezoelectricceramictransducer)研究的不斷深入，由于價(jià)格低廉、使用方便、靈敏度高、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)，基于應(yīng)力波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)為固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)辟了一條新的研究途徑。PZT不但兼有發(fā)射與接收信號(hào)功能，還可以從信號(hào)中捕獲能量，嵌入在大型復(fù)雜工業(yè)固體結(jié)構(gòu)，并相互連接成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，具備了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)，而且利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)化，不容易損壞，可以實(shí)時(shí)有效提供關(guān)于被監(jiān)視固體結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要的信息，因此，在大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)中利用PZT產(chǎn)生應(yīng)力波來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)通信具有巨大的研究空間。由于大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)需要部署非常多不同類(lèi)型傳感器來(lái)提供結(jié)構(gòu)完整性信息，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化和潛在的數(shù)據(jù)連接頻繁需要更復(fù)雜的通信體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息獨(dú)立通信。為了避免多傳感信號(hào)之間的互相干擾，迫切需要研究可以在同一個(gè)介質(zhì)中把不同通道信號(hào)相區(qū)分的新多傳感器通信體系結(jié)構(gòu)。擴(kuò)頻理論是一種新型擴(kuò)頻通信理論，擴(kuò)頻通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高技術(shù)通信傳輸方式，它具有較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能以及低截獲性和頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于大型通信系統(tǒng)通信中導(dǎo)航、保密通信、測(cè)距和定位等各個(gè)方面。因此，以面向大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器信息獨(dú)立通信為目標(biāo)，應(yīng)力波作為信息傳輸介質(zhì)，探索基于擴(kuò)頻理論的大型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息應(yīng)力波通信機(jī)理，拓展了擴(kuò)頻理論應(yīng)用新領(lǐng)域，對(duì)大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論及其方法發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證基于擴(kuò)頻理論的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)多傳感應(yīng)力波通信新方法是否可行，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

測(cè)試設(shè)備：功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、定滑輪、7股鋼纜線(xiàn)、PVC管、接受端PZT（壓電材料）、發(fā)射端PZT

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：為了驗(yàn)證擴(kuò)頻理論的大型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息應(yīng)力波通信機(jī)理在水環(huán)境特殊結(jié)構(gòu)中應(yīng)用可行性，建立圖1-1所示水環(huán)境下多傳感信息應(yīng)力波通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股鋼纜線(xiàn)、PVC管(內(nèi)徑10cm)、KEYSIGHT33500B信號(hào)發(fā)生器、安泰AT-2042功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡和負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和信息恢復(fù)處理的上位機(jī)等，其中上位機(jī)分別與信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡相連。上位機(jī)將激勵(lì)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)輸送到信號(hào)發(fā)生器，并接收數(shù)據(jù)采集卡采集到接收信號(hào)。壓電放大器與信號(hào)發(fā)生器連接，可對(duì)激勵(lì)信號(hào)放大50倍。所用PZT規(guī)格為5*8mm，PZT即作為執(zhí)行器又作為傳感器，粘貼于鋼纜線(xiàn)結(jié)構(gòu)表面，發(fā)射端與接收端相距80cm。

圖1-1鋼纜線(xiàn)水下環(huán)境應(yīng)力波通信實(shí)驗(yàn)圖

接收端通過(guò)應(yīng)力波通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收信號(hào)，通過(guò)labview虛擬儀器，對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的采集進(jìn)行通道選擇、采樣頻率、采樣周期等設(shè)置，正確設(shè)置采集參數(shù)后，接收到幅值為5mv，頻率為50Hz的噪聲信號(hào)，。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著五峰值探測(cè)信號(hào)頻率的增大，信號(hào)在固體結(jié)構(gòu)中傳播分成了不同頻率的幾個(gè)信號(hào)，即頻散現(xiàn)象越嚴(yán)重，信號(hào)失真度越大，影響到信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，所以低頻段15KHz以下的信號(hào)有利于鋼纜線(xiàn)固體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播。

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