基于脉冲伸缩处理技术的分布式应变传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于脉冲伸缩处理技术的分布式应变传感器系统。
【背景技术】
[0002] 船体，飞机螺旋奖等大型结构体，从其一旦被建造完成并投入使用开始，其结构状 况就会随着各种一般连续载荷，偶然过载载荷或者极端恶劣的环境条件而逐渐恶化。运种 结构内部材料的本质上的变化会极大地影响结构的使用性能，并且通常无法预先知道何时 发生失效。因此，一种可W迅速、可靠并且不损坏原本结构的监控系统就显得极为重要。应 变传感监控技术应运而生。通过应变传感器来监控结构各个部位的应变变化，进行数据处 理和参数分析W后，可W评估结构体的性能和确定结构剩余疲劳寿命。运将有效的防止 灾难事故的发生，极大地提高结构体的安全保障，并有利于及时、合理的分配维护和修理任 务。
[0003] 目前关于传感器系统的研究热点是无线传感网络（WSN)和光纤传感系统。但由于 技术上的瓶颈和实用方面的诸多问题，使其无法完全取代传统的电学物理传感系统。无线 传感技术信息安全性差，传感节点数量受到通讯线路的限制，且单个传感节点成本较高，电 池寿命也只能维持几个月。因此，电子物理传感系统W其价格低廉、实用性好、稳定性强等 诸多优点，依然在传感领域扮演着重要的角色。
[0004] 然而，现有的应变传感器系统存在W下的技术难题：（1)所用的传感器需要多重 的金属导线来采集信号。尤其是对于分布式的传感系统，随着传感器数量的增多，系统将变 得很庞大，复杂。（2)所用的传感器和金属导线容易受电磁干扰的影响。特别是随着电子 技术的发展，结构体上装备越来越多的电磁设备，使该问题更加突出。（3)每个传感器的附 近都需要安装一个前置放大器和信号调节器，并且每个放大器又需要两条金属导线来提供 能源。运些限制让现有技术变得很笨重，抗干扰能力差，并且容易失效。所W研发新型的简 单、实用、稳健的分布式传感器系统迫在眉睫。
【发明内容】
阳〇化]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种稳健的、嵌入式的、低成本的基于脉冲伸缩 处理技术的分布式应变传感器系统。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于脉冲伸缩处理技术的分布 式应变传感器系统，其特征在于：包括一信号发生及处理模块和一传感器分布模块；所述 信号发生及处理模块包括一信号收发及处理设备，一低噪声放大器、一混频器、一低通滤波 器及一计算机终端；所述传感器分布模块包括级联的第1传感器子单元至第n传感器子单 元，n为大于1的自然数；所述信号收发及处理设备与所述传感器分布模块的输入端连接， 将所述信号收发及处理设备产生的输入信号传输给所述传感器分布模块，所述传感器分布 模块通过所述第1传感器子单元至第n传感器子单元对所述输入信号进行处理，每一传感 器子单元产生一反馈信号，传感器分布模块的输出端与所述低噪声放大器的输入端连接， 将所述反馈信号进行放大处理，低噪声放大器的输出端及信号收发及处理设备分别与所述 混频器的输入端连接，对放大处理后的反馈信号及信号收发及处理设备传来的一输入信号 副本作为参考信号进行混频，所述混频器的输出端与所述低通滤波器的输入端连接，所述 低通滤波器的输出端与所述信号收发及处理设备的输入端连接，将混频后的信号进行滤波 处理后回传给所述信号收发及处理设备进行最终分析处理，所述信号收发及处理设备与所 述计算机终端连接，将最终分析处理后的结果在计算机终端的图形窗口进行显示。
[0007] 进一步的，第i传感器子单元包括依次连接的禪合器、应变传感器及组合器，第 i-1传感器子单元的禪合器与第i传感器子单元的禪合器连接，第i-1传感器子单元的组合 器与第i传感器子单元的组合器连接；其中，1《i《n-1，第n传感器子单元包括相互连 接的禪合器及应变传感器，第n传感器子单元的禪合器与第n-1传感器子单元的禪合器连 接，第n传感器子单元的应变传感器与第n-1传感器子单元的组合器连接，第n传感器子单 元的禪合器的另一端接地。
[0008] 进一步的，所述信号收发及处理设备包括一基于FPGA的信号发生器及一本地振 荡器，所述基于FPGA的信号发生器用于产生所述输入信号，所述本地振荡器用于产生所述 输入信号副本。
[0009] 进一步的，所述输入信号为：
[0010]
[0011] 其中：f。是调频起始频率，k是线性调频增益系数，機..是初相位，a为幅值，t为时 间。
[0012] 进一步的，所述混频后的信号为：
[0013]
[0014] 其中：T为所述反馈信号与所述输入信号的时间差；
[0015] 上式经化简后得：
[0017] 进一步的，所述混频后的信号经所述低通滤波器消除谐波分量后的输出为：
[0019] 最后该输出在所述信号收发及处理设备中进行模/数转换，旁瓣加权及快速傅里 叶变换后，得即时频率：
[0021]k= 2 31B/T,T= 2R/c 阳02引其中：R是目标距离，B是频带宽度，C是电磁波在电缆中的传播速度，C= 2X10?/ s，上式表达的是目标距离与即使频率的关系，在频谱图中频率为f处出现一个峰点，就表 示距离R=cTf/2B处出现一个目标。
[0023] 本发明与现有技术相比具有W下有益效果：
[0024] 1、本发明是基于脉冲伸缩处理技术进行传感器信号的采集，传感器节点是无源电 路，没有电池和开关，仅仅向收发器发送的扫描信号被动的响应，相比于现有技术，具有响 应快速，结构简单和能耗低等优点；
[00巧]2、本发明具有动态可重构性，柔性和高度适应性；本发明所使用的收发器是基于FPGA(现场可编程口阵列）的，使该系统本身具有可重构性；另外，该系统对传感器的数量， 传感器种类，环境W及信号频率等都具有较高的适应性，本发明可W将应变传感器分布在 不同的监控位置，并按需要来扩展传感器的规模；
[00%] 3、本发明从原理上具有自我诊断设计：假如一个特定的传感器节点失效了，在计 算机终端的图形监控窗口可W立即获得失效点的准确位置，随即可W采取相应的措施解决 问题，不同于光纤布拉格光栅方法，一个节点失效了就需要更换整个传感光纤，而本发明的 分布式应变传感器系统仅需更换相应的失效节点；
[0027] 4、抗电磁干扰能力强：传统电子传感系统和无线传感网络致命的弱点是容易受外 界电磁干扰，而本发明使用了两根同轴的电缆线完成传感器与信号处理设备的连接，且是 基于频率调谐电路的，具有极强的抗电磁干扰能力；
[0028] 5、具有鲁棒性，性价比高和研发风险低等优点：本发明采用电学传感方法，相应 的半导体材料技术比较成熟，能够适用于各种环境条件，因此比光学方法更稳定，性价比更 高，且较低的成本也降低了研发的风险；
[0029] 6、具有很大的可拓展性，本发明也能用于其它分布式测量，譬如溫度，湿度等。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明系统结构连接示意图。
[0031] 图2是本发明系统信号传输原理不意图。
[0032] 图3是本发明线性调频信号图。
[0033] 图4是本发明反馈信号图。
[0034] 图5是本发明输入信号副本图。
[0035] 图6是本发明混频后的信号图。
[0036] 图7是本发明进行傅里叶变换后的频域信号图。
[0037] 图中：1-信号收发及处理设备；2-电缆线；3-禪合器；4-应变传感器；5-组合器； 6-低噪声放大器；7-混频器；8-低通滤波器；9-计算机终端；11-第1传感器子单元；12-第 2传感器子单元；13-第n-1传感器子单元；14-第n传感器子单元。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0039] 请参照图1，本发明提供一种基于脉冲伸缩处理技术的分布式应变传感器系统，其 特征在于：包括一信号发生及处理模块和一传感器分布模块（图中虚线框所示）；所述信号 发生及处理模块包括一信号收发及处理设备1、一低噪声放大器6、一混频器7、一低通滤波 器8及一计算机终端9 ;所述信号收发及处理设备I包括一基于FPGA的信号发生器及一本 地振荡器，所述基于FPGA的信号发生器用于产生一输入信号，所述本地振荡器用于