實驗名稱：固體結(jié)構(gòu)多傳感信息應(yīng)力波通信應(yīng)用實驗

　　研究方向：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學技術(shù)的進步，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，使人民生命財產(chǎn)安全受到威脅，為此建立有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對大型工業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行監(jiān)測評估已成為目前研究熱點。結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一般需要監(jiān)測多個對象，如損傷、振動、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)測系統(tǒng)主要采用總線通信協(xié)議而形成了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然而有線傳輸系統(tǒng)經(jīng)常因承受過大外力而損壞，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)成本而且需要耗費較長的安裝時間。目前由配置微處理器和無線通信模塊的傳感器節(jié)點構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價格低廉、快速搭建、維護簡單、擴展性強等優(yōu)點被廣泛用于大型固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。然而無線傳感器節(jié)點容易由于電源原因?qū)е率?，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失；再者當運用到一些實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測特殊環(huán)境中時，如金屬密封容器、水下海上平臺和地下金屬管道等，無線電磁信號容易被屏蔽，同時電磁波信號在水（或土壤）等特殊環(huán)境中傳播會嚴重衰減，導(dǎo)致傳播距離非常短。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能很好地傳遞結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的場合下，研究探索新型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測信息通信方法顯得非常有意義。

　　實驗?zāi)康模?/strong>驗證基于擴頻理論的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測多傳感應(yīng)力波通信新方法是否可行，為后續(xù)實驗做論證和鋪墊。

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

　　實驗過程：為了驗證擴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)力波通信實驗平臺，包括PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股鋼纜線、PVC管(內(nèi)徑10cm)、KEYSIGHT33500B信號發(fā)生器、安泰AT-2042功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡和負責對信號進行擴頻調(diào)制和信息恢復(fù)處理的上位機等，其中上位機分別與信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡相連。上位機將激勵信號和調(diào)制信號輸送到信號發(fā)生器，并接收數(shù)據(jù)采集卡采集到接收信號。壓電放大器與信號發(fā)生器連接，可對激勵信號放大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，粘貼于鋼纜線結(jié)構(gòu)表面，發(fā)射端與接收端相距80cm。

　　圖1-1：鋼纜線水下環(huán)境應(yīng)力波通信實驗圖

圖1-2：a) Labview 虛擬儀器接收信號設(shè)置界面；圖1-3：信號采集端接收到的噪聲信號

　　接收端通過應(yīng)力波通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收信號，如圖1-2所示，通過labview虛擬儀器，對應(yīng)力波信號的采集進行通道選擇、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，如圖1-3所示。

　　實驗結(jié)果：

圖1-4：鋼纜線介質(zhì)不同頻率五峰值信號頻散測試結(jié)果
 

　　圖1-4為鋼纜線介質(zhì)不同頻率五峰值信號頻散測試結(jié)果，由圖可知，隨著五峰值探測信號頻率的增大，信號在固體結(jié)構(gòu)中傳播分成了不同頻率的幾個信號，即頻散現(xiàn)象越嚴重，信號失真度越大，影響到信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，所以低頻段15KHz以下的信號有利于鋼纜線固體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播。

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數(shù)

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