无线智能疲劳监测系统的研制与实验验证

材料在反复承受低于其自身拉伸强度极限的交变应力（或应变）作用下，也会产生裂纹和裂纹扩展现象并导致材料突然断裂,通常把这样的失效方式称为疲劳破坏。疲劳问题可能会导致结构的直接失效。据调査统计，约有50%〜90%的机械部件的失效是由于疲劳破坏所引起的因此，设计与开发一种具有疲劳寿命预估和预警功能的嵌入式智能疲劳监测系统，对于解决工程结构疲劳问题将有很大的帮助。

疲劳监测的基本原理是利用传感器提取结构物的振动信号，通过智能算法对振动数据进行分析处理，最后获知结构的疲劳损伤情况以采取相应的措施。目前，疲劳问题在结构监测领域所面临的主要问题:一是疲劳寿命涉及到的范围广，影响因素多，现有的疲劳寿命估计理论的预测值与实际疲劳寿命之间还有很大差距;二是监测的数据量庞大,冗余多，处理时既浪费时间又浪费资源，如何更好的通过数据反映出疲劳寿命，是今后研究的主要问题之一；三是在工程中缺少一种原理明确，功能强大,且具有疲劳寿命预估和预警功能的智能疲劳监测系统。因此，本文所设计无线智能疲劳监测系统的目的就在于，希望其监测出结构的疲劳寿命，以将疲劳破坏带来的灾害最小化。

本文首先介绍了一种智能疲劳监测的优化算法，并给出了其基于DSP芯片TMS320F28335的实现方法，然后进行了实验测试分析，得到了系统的相关实验数据和分析结果。

1  无线智能疲劳监测系统架构

本系统可分为应变放大部分、数据处理部分和无线传输部分,整个无线振动检测系统的架构如图1所示。

设计时通常把电阻应变片与精密电阻接成惠斯通半桥形式，以将形变量转化为电信号，同时用应变放大模块对其进行放大、滤波，送给数据处理模块，然后由后者进行数模转化，再应用相关算法处理数据，最后把结果存入FLASH中保存，同时无线发送给PC。

2  基于雨流计数法的智能疲劳监测算法

雨流计数法，又叫塔顶法，是由英国的Matsuiski和Endo等人考虑了材料应力和应变而提出的。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命估计中运用非常广泛。其示意图如图2所示。把荷载一时间历程翻转，时间轴竖直向下,这样就好比一座宝塔，故名为塔顶法。在这种状态下，假设雨流从塔顶开始不断往下流，遇到塔尖之后，就可以根据相应的规则完成循环数的统计。具体规则如下:

(1) 雨流的起点依次在每个峰(谷)值的内侧；

(2) 雨流在下一个峰(谷)值处落下，直到对面的峰(谷)值；比开始时更大(小)为止；

(3) 雨流遇到上面屋顶流下的雨时，就停止；

(4) 取出所有的全循环，并统计各自的幅值和均值；

(5) 按正、负斜率取出所有的半循环，并统计各自的幅值和均值；

(6) 把取出的半循环按雨流法第二阶段的计数法则进行处理并计数。

经过上述规则进行计数后,剩下的半循环数据的曲线将转化为一个发散的收敛曲线，此时已经不能再用上述规则进行雨流计数，需要对这些数据进行一定的规则转化之后,再进行二次雨流计数，并统计出半循环数。而对于相应的转化规则，国内外许多文献都提出了不同的解决办法。在诸多方法中，其中杨永吉、邓速提出的将发散收敛谱转化为收敛发散谱，然后按照第一阶段雨流计数法的规则进行计数的办法比较方便、实用。该方法虽然会有一些误差,但对总体来讲，不影响疲劳寿命的估计，误差可以忽略。

3  无线疲劳监测系统的设计

无线疲劳监测系统采用模块化的设计方式，由应变放大模块、DSP核心处理模块、无线发送模块及电源管理模块等部分组成。图3所示是无线疲劳监测系统的硬件组成框图。

图3中的应变放大模块可选用HK9421动态信号调理器，该器件可应用惠斯通电桥原理，配接不同类型的应变片或应变式传感器,除测量结构和材料的应变外，还可以测量力、压力、扭矩、温度等物理量。此外，HK9421内部有3个120Q标准无感电阻，应用不同的接线方式,可方便地组成1/4桥、半桥、全桥等测量方式。HK9421还可通过内部电路对桥压信号进行放大、滤波及提升，以使得电桥平衡时的输出电压为供电电压的一半。

DSP核心处理模块选用TMS320C2000系列的TMS320F28335芯片。F28335芯片是TI公司近几年最新推出的产品，拥有32位运算精度和高达150MHz的CPU频率。相比以往的产品，F28335片内存储容量进一步扩大,片内外设模块的功能也得到了进一步扩展，并具备浮点运算功能。该芯片能够快速地执行雨流计数算法,而且还适于此疲劳监测系统的进一步扩展。

无线发送模块选用STR-30型微功率无线数传模块，其优点是发射功率极小、传输距离远（在视距情况下，天线高度〉1.5m,可靠传输距离＞800m）、误码率低、体积小、重量轻等。

电源管理模块由包括YSD-12-5锂电池和B0503M-1WDC-DC电源模块的两部分组成。前者提供稳定的5V电压输出，且容量高达9000mAh,可充电实现循环使用;后者适用于分布式电源供电系统及使用小功率电源供电的电路。因为应变放大模块需要5V供电，而DSP核心处理模块和无线发送模块需要3.3V供电，所以用其DC-DC可以进行电压转换。图4为其实际模块图。

4  实验数据分析

本实验以等强度梁作为被测结构，图5为此实验的原理示意图，图6为其相应的实物图。

       实验时，将贴于等强度梁两侧的电阻应变片与系统输入端连接，以使其通过配套的无线接收模块与PC端实现信息传输。实验中，可用信号发生器调节等强度梁振动的频率，用功率放大器调节振动的幅度。振动频率为5Hz,采样频率250Hz,单次釆样点数4000点。

图7所示是第一次采样的结果曲线，该结果存入数组SampleO中对其进行滤波、分析、处理之后，即可得到统计结果。在此过程中，数组Samplel同时也进行采样。由图7可知，当数组SampleO处理完成之后，数组Samplel在处理过程中共采集了27个数，如此就避免了数据处理过程中造成的的数据丢失。

图8所示是本实验的具体数据结果。由图8可知，总循环数为0x8725+0x23CE=0xAAF3,即十进制43763。由信号频率可知，5Hz的频率，运行2小时30分钟之后，应有2.5X5X3600=45000个循环，这期间落了1237个循环，误差为2.7%,故可将误差降低至3%以内。2.7%的误差是由系统引起的，改进方法为增加每一次处理的信息量，从而降低丢失信息在其中所占的百分比即可。

通过初步实验可见,本文提出的系统可以进行疲劳监测的传感器数据准确提取,进而为后期的疲劳损伤、安全评定提供可靠的数据保证。表1所列是本系统的主要指标。

5  结论

本文针对结构材料的疲劳损伤监测，结合无线传感技术，给出了一种无线智能疲劳监测系统的设计方法。该系统集成了应变放大模块、DSP核心处理模块、无线发送模块等装置。并进行了等强度梁激振测试实验，实验结果表明，本系统釆样信息量大、釆样数据准确可靠，适合应用在结构材料的疲劳损伤监测中。总之，所设计的无线智能疲劳监测系统具有低功耗、方便安装等特点，可为结构材料的疲劳损伤监测提供一种新方法，具有广阔的应用前景。