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结构健康监测的无线传感器及其网络系统

作　者: 喻言
导　师: 欧进萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程与防护工程
关键词: 结构健康监测无线加速度传感器无线应变传感器无线传感器网络无线传感器能耗
分类号: TU317
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发展,结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器及其网络系统由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术的基础上,针对土木工程结构整体性态监测的无线加速度传感器集成、结构局部性态监测的无线应变传感器集成以及相应的无线传感器网络拓扑结构、网络通信协议、网络能耗处理、网络试验等问题进行了系统的研究,主要研究内容如下:1.针对结构整体性态监测的需要,从设计的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出发,对相关电子器件进行了比较、分析、选择;在此基础上,采用模块化设计方法,对传感处理模块、微处理模块、无线收发模块以及能源模块分别设计、调试,进而集成了基于数字接口的无线加速度传感器节点。在设计过程中,对无线加速度传感器节点的数字接口问题、校正问题进行了重点研究。标定实验表明研制的无线加速度传感器能够满足土木工程结构加速度测量的要求。2.针对传统应变采集设备体积较大、要求使用导线精度高等问题,提出了应变监测的无线采集传输系统的方案,并集成了用于局部性态监测的无线应变传感器及其采集系统;系统设计中,对无线应变传感器放大处理模块的集成和测试进行了重点研究。文中提出的基于电阻应变片的无线采集传输系统具有小型化的特点,能克服传统有线采集系统的不足,更适合在现场测试中应用。3.针对结构健康监测无线传感器组网的问题,以相关的传感器网络拓扑结构模型为基础,提出了节点—子基站—主基站三层无线传感器网络拓扑结构。通过主基站,无线传感器网络系统可以同Internet连接,实现远程访问;针对所提出的三层无线传感器网络拓扑结构,以传统的无线通信协议理论为基础,借鉴国际标准化组织的七层通信协议,提出了无线传感器网络的通信协议模型,并重点分析了数据链路层和网络层的协议设计。4.针对结构健康监测的无线传感器网络系统能耗问题,分析了能耗影响因素,并从节点和网络角度提出了节能措施。在节点方面,采用硬件、软

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-36
  1.1 课题背景  16-19
  1.2 结构健康监测系统  19-25
    1.2.1 结构健康监测系统的组成  20-23
    1.2.2 结构健康监测系统发展和应用  23-25
  1.3 无线传感器及其网络系统  25-34
    1.3.1 无线传感器及其网络特性  25-28
    1.3.2 无线传感器节点组成  28-29
    1.3.3 无线自组传感器网络生成及节点工作原理  29-30
    1.3.4 无线传感器网络的应用  30-32
    1.3.5 无线传感器网络在结构健康监测领域的发展和应用  32-34
  1.4 本文主要研究内容  34-36
第2章结构整体性态监测的无线加速度传感器及其集成技术  36-62
  2.1 引言  36
  2.2 检测单元模块集成技术  36-45
    2.2.1 加速度芯片ADXL202  37-42
    2.2.2 温度芯片  42-45
  2.3 微处理单元模块设计方法  45-48
    2.3.1 微处理单元比较和选择  45-46
    2.3.2 微处理单元集成技术  46-48
  2.4 无线收发模块的设计方法  48-53
    2.4.1 NRF 和CC1000 无线芯片  48-50
    2.4.2 CC1000 芯片性能分析  50-51
    2.4.3 无线收发模块设计  51-53
  2.5 动力单元设计  53-54
  2.6 无线加速度传感器性能实验及分析  54-61
    2.6.1 特性测试  54-55
    2.6.2 静态性能实验  55-56
    2.6.3 动态性能实验  56-60
    2.6.4 能耗估算  60-61
  2.7 本章小结  61-62
第3章结构局部性态监测的无线应变传感器及其集成技术  62-73
  3.1 引言  62
  3.2 应变测试原理及传统采集系统  62-64
    3.2.1 电阻应变片的工作原理  63-64
    3.2.2 应变信号的传统采集与传输方法  64
  3.3 基于电阻应变片的无线传感器及其系统  64-69
    3.3.1 系统描述  64-65
    3.3.2 硬件集成技术  65-69
  3.4 标定实验  69-72
    3.4.1 实验系统  69-70
    3.4.2 实验结果与分析  70-72
  3.5 本章小结  72-73
第4章结构健康监测的无线传感器网络通信协议及组网设计  73-95
  4.1 引言  73
  4.2 网络拓扑结构及组网设计  73-75
    4.2.1 拓扑结构的分类  73-74
    4.2.2 结构健康监测的无线传感器网络拓扑结构设计  74-75
  4.3 无线传感器网络软件分层协议模型  75-89
    4.3.1 基础层设计  76-77
    4.3.2 数据链路层设计  77-81
    4.3.3 网络层设计  81-88
    4.3.4 传输层设计  88-89
    4.3.5 应用层设计  89
  4.4 通信协议的实现--软件设计  89-94
    4.4.1 节点嵌入式软件设计  90-91
    4.4.2 人机接口软件设计  91-92
    4.4.3 典型程序设计  92-94
  4.5 本章小结  94-95
第5章基于蚁群算法的无线传感器网络节能策略的研究  95-112
  5.1 引言  95-96
  5.2 基于能量的典型路由节能研究概况  96-97
  5.3 蚂蚁算法理论  97-101
    5.3.1 蚂蚁算法的原理  97-99
    5.3.2 蚂蚁算法的实现  99-101
  5.4 改进型蚁群算法的研究  101-110
    5.4.1 算法模型定义  102
    5.4.2 算法模型的实现  102-105
    5.4.3 路由重建分析  105-106
    5.4.4 算法仿真分析  106-110
  5.5 本章小结  110-112
第6章结构健康监测的无线传感器网络系统的试验研究  112-148
  6.1 引言  112
  6.2 钢筋混凝土梁无线应变信息融合试验  112-119
    6.2.1 钢筋混凝土梁及加载分析  112-114
    6.2.2 无线应变测量系统及试验方案  114
    6.2.3 应变信号数据融合处理及试验数据分析  114-119
  6.3 大型起重铺管船吊钩减摇控制模型试验的无线传感器数据采集系统  119-130
    6.3.1 “蓝疆”号吊钩振动简化模型及TMD 控制系统分析  119-125
    6.3.2 吊钩振动与减摇控制试验的无线传感器数据采集系统  125-126
    6.3.3 测试结果与分析  126-130
  6.4 海洋平台模型结构的冰致振动控制试验的无线传感器网络系统  130-140
    6.4.1 海洋平台结构及其模型概况  130-132
    6.4.2 试验方案  132-134
    6.4.3 试验结果及分析  134-140
  6.5 深圳地王大厦风致振动的无线传感器网络测试系统  140-147
    6.5.1 深圳地王大厦概况  141-142
    6.5.2 传感器及其测点布置  142-144
    6.5.3 现场测试结果与分析  144-147
  6.6 本章小结  147-148
结论  148-150
参考文献  150-162
攻读学位期间发表的学术论文  162-165
哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明  165
哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书  165
哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理  165-166
致谢  166-168
个人简历  168

结构健康监测的无线传感器及其网络系统

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