无源无线测量系统及结构健康监测应用

作     者：郭科科 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王文廉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 080102[工学-固体力学] 

主      题：结构健康监测 NFC 无源无线 螺栓预紧力 锚杆轴力 

摘      要：近年来随着城市化进程的加快,为了保证一些结构的安全运行需要安装健康监测系统对结构进行健康监测。随着建设的工程结构越来越复杂,健康参数监测要求越来越高。目前,结构健康监测系统在能量供应、传输方式、系统集成度、功耗等方面仍存在许多技术难题。NFC(Near Field Communication)无源无线测量系统作为近年来发展起来的一种无源无线检测方式,有着集成度高、建立时间短、无线通信稳定以及可靠信高等优点,本文将NFC无源无线监测技术应用到结构健康监测领域,满足某些结构对于结构健康监测系统的需求。本文利用NFC技术,针对不同结构的健康监测设计了相应的无源无线结构健康监测系统,主要完成了以下三方面的内容:(1)基于ISO15693协议开发设计了一个读写控制器,可以与PC端进行通信,用来与采集端配合完成结构健康参数信息的采集,包括硬件电路设计、软件设计、天线设计等,试验结果表明该读写控制器可以满足要求。(2)针对螺栓结构健康监测中预紧力这一健康参数,设计了一个智能垫圈与读写控制器组成无源无线螺栓结构健康监测系统。经过标准设备对系统进行标定校准,得到该系统的线性度为0.7770%,灵敏度为0.0093V/k N,重复性误差为1.1356%,迟滞为1.1556%。并进行了不确定度分析得到系统的合成标准不确定度为±0.0029V。通过在结构上进行验证实验,表明该系统相比于传统扭矩扳手的方法具有更高的精度,为目前螺栓预紧力监测面临的难题提供了新的解决思路。(3)针对锚杆结构健康监测中锚杆轴力这一健康参数,设计了一个一体式动态采集端与读写控制器组成无源无线锚杆结构健康监测系统。设计中详细描述了天线设计的优化过程,并在矢量网络分析仪上进行检测对比。通过设计锚杆实验,模拟使用环境中产生的锚杆轴力,利用该系统设计实验采集分析锚杆轴力参数,结果表明该系统的线性度好、灵敏度高,而且输出电压为0.578V时相对误差最大,为4.1%。为锚杆结构健康检测提供了新思路。