第 43 卷 第 5 期
2015 年 5 月
华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of South China University of Technology
(Natural Science Edition)
Vol. 43 No. 5
May 2015
收稿日期: 2014-10-08
*基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51305141);广东省自然科学基金资助项目(2014A030313248)
Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51305141) and the Natural Science Foundation
of Guangdong Province(2014A030313248)
作者简介: 洪晓斌(1979-),男,教授,硕士生导师,主要从事无损检测技术与装备、智能传感技术及应用研究. E-mail: mexb-
hong@ scut. edu. cn
文章编号: 1000-565X(2015)05-0008-09
基于扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信方法
*
洪晓斌 黄景晓 许维蓥 刘桂雄
(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)
摘 要: 为满足特殊环境下结构健康监测多传感参量的通信需求,提出了一种基于扩频
理论的多传感应力波通信方法. 该方法以应力波为传感信息载体,将同一区域的传感器数
据按重要程度分成多组双通道信号,并用 m 序列码作为扩频码展宽基带频谱以区别不同
组间信号,采用 Walsh 码作为地址码以区别同组传感数据;利用信号前后码元间载波相对
相位的变化来调制传递传感信息,同步处理后经载波同步解调,再与每组传感器的伪扩频
码进行相关解扩处理,经判决处理后恢复原始各个通道的二进制传感信号. 钢缆线水下环
境的通信实验结果表明:发射速率为 50 b / s 时的应力波通信效果( SWCE) 值较速率为
400 b / s时提高了 24% ,在 256 位传感信息下仍可实现无误码通信;当发射端压电陶瓷浸
入水中而接收端处于空气环境中时,单通道与双通道的接收信号幅值较空气环境下增加
了 20% ,SWCE 基本不变.
关键词: 多传感信息;扩频;应力波通信;结构健康监测
中图分类号: TP212 doi: 10. 3969 / j. issn. 1000-565X. 2015. 05. 002
面向大型工业结构的健康监测系统与安全评估
是目前的研究热点之一
[1-2]
. 早期结构健康监测系
统大多采用总线协议形成有线传感网络,常因承受
过大外力而容易损坏,且需预先将通信电缆铺设在
结构层中
[3]
. 由无线传感节点组成的无线传感器网
络因具有维护方便、扩展性强、价格低等特点而被广
泛用于大型结构健康监测中
[4]
,但当应用到一些特
殊结构(如水下海上平台、阀门等) 时,由于无线电
磁波信号在水(或土壤) 中传播衰减严重,且存在电
磁屏蔽现象,导致其传播距离非常短
[5]
. 在无线传
感器网络未能很好传递结构状态信息情况下,研究
新型结构状态监测信息通信方法显得尤为重要,基
于应力波的结构健康监测信息通信是其中代表性新
方法之一. Kokossalakis
[6]
设计了单 通 道 声 发 射 / 接
收装置,在石油管道中进行单一监测信息的应力波
通信实验研究. Sakuma 等
[7]
提出了以燃气管道作为
数据通信介质用于监测燃气表数据的单传感信息应
力波通信系统,可避免单通道中多路径导致的码间
干扰. Jin 等
[8-10]
研究了基于时间反演 PPM 调制的
传感信息应力波通信方案,以克服应力波在管道介
质中的频散、多路径问题. Kailaswar 等
[11]
提出了应
用于建筑结构健康监测的应力波通信方法,开发了
用于混凝土中单一传感量不同调制方法的单发单收
通信模块. 闫向宏
[12]
对随钻测量数据应用一对压电
片在钻柱信道中进行应力波传输数值模拟. 然而,目
前主要针对单传感量的应力波通信进行研究,较少
涉及多传感量集成应力波通信. 在现代大型结构健
康监测中,常常需要部署多个传感器以提供结构完
整性信息,如损伤、振动、应力、位移、倾斜等,因此迫
切需要实现互不干扰的多传感信息集成通信技术.