[实用新型]碳纳米管水泥基复合材料传感器测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程结构传感器测试系统，属于工程结构健康监测领域。 

背景技术

结构健康监测成为当前国内外工程领域的研究热点。在桥梁、隧道、公路、大坝等众多大型土木工程建筑领域以及军事应用领域中，实现多参数、多功能、分布式的实时、传感检测网络一直是我们的研究目标。大型的土木工程建筑长期受到环境的荷载作用、材料腐蚀老化等灾变的耦合因素，不可避免的产生结构损伤和抗力衰减，从而导致对自然灾害的抵抗能力下降，引发突发的灾难性事故。为了使大型建筑结构寿命及服务能力减缓受其影响，避免引起突发事故，有必要对土木建筑结构实现远程、实时、在线的自动结构健康监测。 

工程结构的实时健康监测系统中，传感器子系统作为健康监测系统最前端和最基本的子系统，由多个各类传感器及传感网络组成。传感器可以用来感知结构的荷载和响应信息，并以电、光、声等物理量形式输出。目前发展起来的感知材料与传感元件主要有光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、压电材料、碳纤维、半导体材料和形状记忆合金等。用这些感知材料和传感元件可以制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列，从而使结构的重要构件或整体具有感知特性，以实现结构实时监测与安全预警的功能。这些传感器在混凝土工程结构健康监测中应用也存在一些弊端和问题。如光纤传感器的需要大量的辅助设备，布控困难，成本昂贵；压电材料（如压电陶瓷等）在应用中多用于简单构件，而且与混凝土材料在材质上不匹配，而且缺少工程检验；形状记忆合金要么较昂贵，要么性能不稳定，而且在非弹性阶段，电阻与应变的关系呈非线性，给信号分析带来困难等。为了减少测量误差，保证传感器与环境介质的匹配是非常重要的。在大型混凝土工程结构的实时健康监测中，需要利用与水泥混凝土介质匹配的新敏感材料开发研制新型传感器（如碳纳米管水泥基复合材料传感器，专利号：ZL201220106580.9），达到传感器与环境介质完全匹配的良好效果。

随着监测要求的提高，传感器数目、有待处理的数据量以及系统的复杂性都将大大增加。如果采用传统有线的方式进行结构健康监测，不仅接线繁琐，而且大量布线会增加监测对象的负重，后期维护所耗费的时间和经费也是相当可观。同时这种传统的串行集中式监测系统也会在很大程度上影响系统的可靠性和灵活性。因此，有必要研究采用分布式无线技术来替代传统的集中式有线技术。采用无线传感器网络技术，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理和传送。

利用新型碳纳米管水泥基复合材料传感器组建传感器测试系统，采用无线传感器网络技术，构成碳纳米管水泥基复合材料传感器测试系统，不仅解决了布线的问题、传输距离得到了很大提高，而且系统稳定，不易受环境的破坏。对结构健康监测有重要理论意义和实用价值。

发明内容

本发明利用碳纳米管水泥基复合材料传感器构建测试系统，采用无线传感器网络技术，用于工程结构的实时健康监测，技术方案如下： 

1、利用碳纳米管水泥基复合材料传感器制作应变传感器单元，在需测试节点进行嵌入布置，对土木工程结构荷载与效应进行实时监测，并以电信号进行输出。同时在该节点处安放温湿度补偿传感器单元，进行监测区域的温湿度指标。碳纳米管水泥基复合材料传感器与温湿度补偿传感器构成传感器子系统，是健康监测系统最基础和最前端的子系统。

2、建立数据采集处理及通信子系统，将两种传感器输出信号传输到数据采集处理及通信子系统，该子系统对接收的数字信号和数据进行A/D转换、数字滤波去噪等操作，通过供电单元与射频功率放大器的支持，将数据进行无线发送。

3、基站节点接收并处理数据信息，和基站节点相连的网关设备用于将无线传感器网络协议转换为IP网络协议，它和基站节点共同组成基站。在IP网络区域，可以通过因特网将数据发送到监控中心，在监测系统监控中心对数据信息进行分析处理。由此建立基于无线传感器网络的工程结构健康监测系统。

本发明内容产生以下有益效果：

（1）碳纳米管水泥基复合材料传感器与环境介质完全匹配，减少测量误差；

（2）采用无线传感器网络技术，不仅解决了布线的问题、传输距离得到了很大的提高；

（3）利用温湿度补偿传感器，保证系统稳定，不易受环境的破坏。

附图说明    

附图为碳纳米管水泥基复合材料传感器测试系统示意图。 

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施例详细描述。 

在需测试节点嵌入30mm×30mm×120mm碳纳米管水泥基复合材料传感器与温湿度补偿传感器。建立数据采集处理及通信子系统，对接收的数字信号和数据进行A/D转换、数字滤波去噪等操作，通过供电子系统与射频功率放大器的支持，将数据进行无线发送。基站节点接收并处理数据信息，相连的网关设备将无线传感器网络协议转换为IP网络协议，通过因特网将数据发送到监控中心，建立基于无线传感器网络的工程结构健康监测系统。