實驗名稱：固體結構多傳感信息應力波通信應用實驗

研究方向：隨著經濟的快速發展和科學技術的進步，各種大型復雜工業結構不斷出現，由于環境載荷作用、材料老化、突發自然災害以及其它人為破壞等影響，會在一定程度上影響結構的安全性、適用性和耐久性，從而導致抗力衰減甚至突發事故，使人民生命財產安全受到威脅，為此建立有效的結構健康監測系統，對大型工業結構狀態進行監測評估已成為目前研究熱點。結構監測系統一般需要監測多個對象，如損傷、振動、應力、位移、傾斜等結構健康參數，早期結構監測系統主要采用總線通信協議而形成了有線傳感器網絡，然而有線傳輸系統經常因承受過大外力而損壞，還需要預先將大量的通信電纜鋪設在結構層中，不僅提高了系統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點構建的無線傳感器網絡具有價格低廉、快速搭建、維護簡單、擴展性強等優點被廣泛用于大型固體結構健康監測中。然而無線傳感器節點容易由于電源原因導致失效，造成監測數據丟失；再者當運用到一些實際結構監測特殊環境中時，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）等特殊環境中傳播會嚴重衰減，導致傳播距離非常短。因此在無線傳感器網絡不能很好地傳遞結構狀態信息的場合下，研究探索新型固體結構狀態監測信息通信方法顯得非常有意義。

近年來，隨著對壓電材料PZT(piezoelectricceramictransducer)研究的不斷深入，由于價格低廉、使用方便、靈敏度高、測量范圍大等特點，基于應力波結構健康監測傳感技術為固體結構狀態監測領域開辟了一條新的研究途徑。PZT不但兼有發射與接收信號功能，還可以從信號中捕獲能量，嵌入在大型復雜工業固體結構，并相互連接成一個傳感器網絡，具備了無線傳感器網絡優點，而且利用壓電效應實現聲電轉化，不容易損壞，可以實時有效提供關于被監視固體結構完整性至關重要的信息，因此，在大型工業固體結構中利用PZT產生應力波來實現傳感數據通信具有巨大的研究空間。由于大型工業固體結構監測需要部署非常多不同類型傳感器來提供結構完整性信息，傳感器節點數量變化和潛在的數據連接頻繁需要更復雜的通信體系結構來實現固體結構狀態多傳感信息獨立通信。為了避免多傳感信號之間的互相干擾，迫切需要研究可以在同一個介質中把不同通道信號相區分的新多傳感器通信體系結構。擴頻理論是一種新型擴頻通信理論，擴頻通信與光纖通信、衛星通信一同被譽為進入信息時代的三大高技術通信傳輸方式，它具有較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能以及低截獲性和頻譜利用率高等優點，目前廣泛應用于大型通信系統通信中導航、保密通信、測距和定位等各個方面。因此，以面向大型工業固體結構健康監測傳感器網絡中各傳感器信息獨立通信為目標，應力波作為信息傳輸介質，探索基于擴頻理論的大型固體結構狀態多傳感信息應力波通信機理，拓展了擴頻理論應用新領域，對大型工業固體結構健康監測理論及其方法發展，具有重要的學術價值和實際意義。

實驗目的：驗證基于擴頻理論的結構狀態監測多傳感應力波通信新方法是否可行，為后續實驗做論證和鋪墊。

測試設備：功率放大器、信號發生器、上位機、數據采集卡、定滑輪、7股鋼纜線、PVC管、接受端PZT（壓電材料）、發射端PZT

實驗過程：為了驗證擴頻理論的大型固體結構狀態多傳感信息應力波通信機理在水環境特殊結構中應用可行性，建立圖1-1所示水環境下多傳感信息應力波通信實驗平臺，包括PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股鋼纜線、PVC管(內徑10cm)、KEYSIGHT33500B信號發生器、安泰AT-2042功率放大器、數據采集卡和負責對信號進行擴頻調制和信息恢復處理的上位機等，其中上位機分別與信號發生器、數據采集卡相連。上位機將激勵信號和調制信號輸送到信號發生器，并接收數據采集卡采集到接收信號。壓電放大器與信號發生器連接，可對激勵信號放大50倍。所用PZT規格為5*8mm，PZT即作為執行器又作為傳感器，粘貼于鋼纜線結構表面，發射端與接收端相距80cm。

圖1-1鋼纜線水下環境應力波通信實驗圖

接收端通過應力波通信數據采集系統接收信號，通過labview虛擬儀器，對應力波信號的采集進行通道選擇、采樣頻率、采樣周期等設置，正確設置采集參數后，接收到幅值為5mv，頻率為50Hz的噪聲信號，。

實驗結果：隨著五峰值探測信號頻率的增大，信號在固體結構中傳播分成了不同頻率的幾個信號，即頻散現象越嚴重，信號失真度越大，影響到信號傳輸的質量，所以低頻段15KHz以下的信號有利于鋼纜線固體結構中應力波的傳播。

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布，如想了解更多實驗方案，請持續關注安泰官網www.aigtek.com。Aigtek是國內專業從事測量儀器研發、生產和銷售的高科技企業，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測試儀器產品的研發與制造。