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摘要：疲劳监测数据以其对于判定结构安全状况的重要作用而引起业内专家的广泛关注。因此，文中设计了一种基于无线传感技术的智能疲劳监测系统，该系统可实现无线低频检测，以判定结构的疲劳损伤，进而识别结构的安全状况。文章同时提出了系统的总体架构并确定了核心算法，完成了智能无线疲劳监测系统的设计，并通过实验验证了该系统的可行性。结果表明：该无线智能疲劳监测系统无需布线、安装方便，具有良好的工程适用性，在低频结构的疲劳监测中具有很好的应用前景。
关键词：疲劳；智能监测；雨流计数法；DSP；无线传感网
中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：2095－1302(2011)09－0069－04
引言
材料在反复承受低于其自身拉伸强度极限的交变应力(或应变)作用下，也会产生裂纹和裂纹扩展现象并导致材料突然断裂，通常把这样的失效方式称为疲劳破坏。疲劳问题可能会导致结构的直接失效。据调查统计，约有50％～90％的机械部件的失效是由于疲劳破坏所引起的。因此，设计与开发一种具有疲劳寿命预估和预警功能的嵌入式智能疲劳监测系统，对于解决工程结构疲劳问题将有很大的帮助。
疲劳监测的基本原理是利用传感器提取结构物的振动信号，通过智能算法对振动数据进行分析处理，最后获知结构的疲劳损伤情况以采取相应的措施。目前，疲劳问题在结构监测领域所面临的主要问题：一是疲劳寿命涉及到的范围广，影响因素多，现有的疲劳寿命估计理论的预测值与实际疲劳寿命之间还有很大差距；二是监测的数据量庞大，冗余多，处理时既浪费时间又浪费资源，如何更好的通过数据反映出疲劳寿命，是今后研究的主要问题之一；三是在工程中缺少一种原理明确，功能强大，且具有疲劳寿命预估和预警功能的智能疲劳监测系统。因此，本文所设计无线智能疲劳监测系统的目的就在于，希望其监测出结构的疲劳寿命，以将疲劳破坏带来的灾害最小化。
本文首先介绍了一种智能疲劳监测的优化算法，并给出了其基于DSP芯片TMS920F28335的实现方法，然后进行了实验测试分析，得到了系统的相关实验数据和分析结果。
1.无线智能疲劳监测系统架构
本系统可分为应变放大部分、数据处理部分和无线传输部分，整个无线振动检测系统的架构如图1所示。
设计时通常把电阻应变片与精密电阻接成惠斯通半桥形式，以将形变量转化为电信号，同时用应变放大模块对其进行放大、滤波，送给数据处理模块，然后由后者进行数模转化，再应用相关算法处理数据，最后把结果存入FLASH中保存，同时无线发送给PC。
2.基于雨流计数法的智能疲劳监测算法
雨流计数法，又叫塔顶法，是由英国的Matsuiski和Endo等人考虑了材料应力和应变而提出的。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命估计中运用非常广泛。其示意图如图2所示。把荷载一时间历程翻转，时间轴竖直向下，这样就好比一座宝塔，故名为塔顶法。在这种状态下，假设雨流从塔顶开始不断往下流，遇到塔尖之后，就可以根据相应的规则完成循环数的统计。具体规则如下：
(1)雨流的起点依次在每个峰(谷)值的内侧；
(2)雨流在下一个峰(谷)值处落下，直到对面的峰(谷)值；比开始时更大(小)为止；
(3)雨流遇到上面屋顶流下的雨时，就停止；
(4)取出所有的全循环，并统计各自的幅值和均值；
(5)按正、负斜率取出所有的半循环，并统计各自的幅值和均值；
(6)把取出的半循环按雨流法第二阶段的计数法则进行处理并计数。
经过上述规则进行计数后，剩下的半循环数据的曲线将转化为一个发散的收敛曲线，此时已经不能再用上述规则进行雨流计数，需要对这些数据进行一定的规则转化之后，再进行二次雨流计数，并统计出半循环数。而对于相应的转化规则，国内外许多文献都提出了不同的解决办法。在诸多方法中，其中杨永吉、邓速提出的将发散收敛谱转化为收敛发散谱，然后按照第一阶段雨流计数法的规则进行计数的办法比较方便、实用。该方法虽然会有一些误差，但对总体来讲，不影响疲劳寿命的估计，误差可以忽略。
4.实验数据分析
本实验以等强度梁作为被测结构，图5为此实验的原理示意图，图6为其相应的实物图。
实验时，将贴于等强度梁两侧的电阻应变片与系统输入端连接，以使其通过配套的无线接收模块与PC端实现信息传输。实验中，可用信号发生器调节等强度梁振动的频率，用功率放大器调节振动的幅度。振动频率为5 Hz，采样频率250 Hz，单次采样点数4000点。
图7所示是第一次采样的结果曲线，该结果存入数组Sample0中对其进行滤波、分析、处理之后，即可得到统计结果。在此过程中，数组Samplel同时也进行采样。由图7可知，当数组Sample0处理完成之后，数组Samplel在处理过程中共采集了27个数，如此就避免了数据处理过程中造成的的数据丢失。
图8所示是本实验的具体数据结果。由图8可知，总循环数为0x8725 0x23CE＝0xAAF3，即十进制43763。由信号频率可知，5 Hz的频率，运行2小时30分钟之后，应有2.5×5×3600＝45000个循环，这期间落了1237个循环，误差为2.7％，故可将误差降低至3％以内。2.7％的误差是由系统引起的，改进方法为增加每一次处理的信息量，从而降低丢失信息在其中所占的百分比即可。
通过初步实验可见，本文提出的系统可以进行疲劳监测的传感器数据准确提取，进而为后期的疲劳损伤、安全评定提供可靠的数据保证。表1所列是本系统的主要指标。
5.结论
本文针对结构材料的疲劳损伤监测，结合无线传感技术，给出了一种无线智能疲劳监测系统的设计方法。该系统集成了应变放大模块、DSP核心处理模块、无线发送模块等装置。并进行了等强度梁激振测试实验，实验结果表明，本系统采样信息量大、采样数据准确可靠，适合应用在结构材料的疲劳损伤监测中。总之，所设计的无线智能疲劳监测系统具有低功耗、方便安装等特点，可为结构材料的疲劳损伤监测提供一种新方法，具有广阔的应用前景。
关键词：疲劳；智能监测；雨流计数法；DSP；无线传感网
中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：2095－1302(2011)09－0069－04
引言
材料在反复承受低于其自身拉伸强度极限的交变应力(或应变)作用下，也会产生裂纹和裂纹扩展现象并导致材料突然断裂，通常把这样的失效方式称为疲劳破坏。疲劳问题可能会导致结构的直接失效。据调查统计，约有50％～90％的机械部件的失效是由于疲劳破坏所引起的。因此，设计与开发一种具有疲劳寿命预估和预警功能的嵌入式智能疲劳监测系统，对于解决工程结构疲劳问题将有很大的帮助。
疲劳监测的基本原理是利用传感器提取结构物的振动信号，通过智能算法对振动数据进行分析处理，最后获知结构的疲劳损伤情况以采取相应的措施。目前，疲劳问题在结构监测领域所面临的主要问题：一是疲劳寿命涉及到的范围广，影响因素多，现有的疲劳寿命估计理论的预测值与实际疲劳寿命之间还有很大差距；二是监测的数据量庞大，冗余多，处理时既浪费时间又浪费资源，如何更好的通过数据反映出疲劳寿命，是今后研究的主要问题之一；三是在工程中缺少一种原理明确，功能强大，且具有疲劳寿命预估和预警功能的智能疲劳监测系统。因此，本文所设计无线智能疲劳监测系统的目的就在于，希望其监测出结构的疲劳寿命，以将疲劳破坏带来的灾害最小化。
本文首先介绍了一种智能疲劳监测的优化算法，并给出了其基于DSP芯片TMS920F28335的实现方法，然后进行了实验测试分析，得到了系统的相关实验数据和分析结果。
1.无线智能疲劳监测系统架构
本系统可分为应变放大部分、数据处理部分和无线传输部分，整个无线振动检测系统的架构如图1所示。
设计时通常把电阻应变片与精密电阻接成惠斯通半桥形式，以将形变量转化为电信号，同时用应变放大模块对其进行放大、滤波，送给数据处理模块，然后由后者进行数模转化，再应用相关算法处理数据，最后把结果存入FLASH中保存，同时无线发送给PC。
2.基于雨流计数法的智能疲劳监测算法
雨流计数法，又叫塔顶法，是由英国的Matsuiski和Endo等人考虑了材料应力和应变而提出的。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命估计中运用非常广泛。其示意图如图2所示。把荷载一时间历程翻转，时间轴竖直向下，这样就好比一座宝塔，故名为塔顶法。在这种状态下，假设雨流从塔顶开始不断往下流，遇到塔尖之后，就可以根据相应的规则完成循环数的统计。具体规则如下：
(1)雨流的起点依次在每个峰(谷)值的内侧；
(2)雨流在下一个峰(谷)值处落下，直到对面的峰(谷)值；比开始时更大(小)为止；
(3)雨流遇到上面屋顶流下的雨时，就停止；
(4)取出所有的全循环，并统计各自的幅值和均值；
(5)按正、负斜率取出所有的半循环，并统计各自的幅值和均值；
(6)把取出的半循环按雨流法第二阶段的计数法则进行处理并计数。
经过上述规则进行计数后，剩下的半循环数据的曲线将转化为一个发散的收敛曲线，此时已经不能再用上述规则进行雨流计数，需要对这些数据进行一定的规则转化之后，再进行二次雨流计数，并统计出半循环数。而对于相应的转化规则，国内外许多文献都提出了不同的解决办法。在诸多方法中，其中杨永吉、邓速提出的将发散收敛谱转化为收敛发散谱，然后按照第一阶段雨流计数法的规则进行计数的办法比较方便、实用。该方法虽然会有一些误差，但对总体来讲，不影响疲劳寿命的估计，误差可以忽略。
4.实验数据分析
本实验以等强度梁作为被测结构，图5为此实验的原理示意图，图6为其相应的实物图。
实验时，将贴于等强度梁两侧的电阻应变片与系统输入端连接，以使其通过配套的无线接收模块与PC端实现信息传输。实验中，可用信号发生器调节等强度梁振动的频率，用功率放大器调节振动的幅度。振动频率为5 Hz，采样频率250 Hz，单次采样点数4000点。
图7所示是第一次采样的结果曲线，该结果存入数组Sample0中对其进行滤波、分析、处理之后，即可得到统计结果。在此过程中，数组Samplel同时也进行采样。由图7可知，当数组Sample0处理完成之后，数组Samplel在处理过程中共采集了27个数，如此就避免了数据处理过程中造成的的数据丢失。
图8所示是本实验的具体数据结果。由图8可知，总循环数为0x8725 0x23CE＝0xAAF3，即十进制43763。由信号频率可知，5 Hz的频率，运行2小时30分钟之后，应有2.5×5×3600＝45000个循环，这期间落了1237个循环，误差为2.7％，故可将误差降低至3％以内。2.7％的误差是由系统引起的，改进方法为增加每一次处理的信息量，从而降低丢失信息在其中所占的百分比即可。
通过初步实验可见，本文提出的系统可以进行疲劳监测的传感器数据准确提取，进而为后期的疲劳损伤、安全评定提供可靠的数据保证。表1所列是本系统的主要指标。
5.结论
本文针对结构材料的疲劳损伤监测，结合无线传感技术，给出了一种无线智能疲劳监测系统的设计方法。该系统集成了应变放大模块、DSP核心处理模块、无线发送模块等装置。并进行了等强度梁激振测试实验，实验结果表明，本系统采样信息量大、采样数据准确可靠，适合应用在结构材料的疲劳损伤监测中。总之，所设计的无线智能疲劳监测系统具有低功耗、方便安装等特点，可为结构材料的疲劳损伤监测提供一种新方法，具有广阔的应用前景。