鋼軌損傷的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(1.南京航空航天大學(xué),南京 211106；2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，紐卡斯?fàn)?EUI 7RU)

鋼軌損傷的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王文皞1,王海濤1,胡泮1,劉強(qiáng)1,田貴云1,2,郭瑞鵬1

(1.南京航空航天大學(xué),南京 211106；2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，紐卡斯?fàn)?EUI 7RU)

由于傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備無(wú)法對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，漏檢、誤檢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)搭建了鋼軌損傷監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，在岔道軌腰布置壓電傳感器陣列，用Lamb波激勵(lì)壓電傳感器，對(duì)人工粘貼于軌頭表面不同長(zhǎng)度的模擬缺陷進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)出鋼軌中的損傷。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；壓電陣列；Lamb波

在最近十幾年我國(guó)對(duì)列車連續(xù)實(shí)施了6次大的提速，這在世界鐵路史上也很罕見[1]。但是，列車提速的同時(shí)也帶來(lái)了很大的安全隱患。而且，隨著高速列車行車密度的增加和運(yùn)行速度的提高，以及重載貨運(yùn)線路載重量的增加，鋼軌損傷和故障發(fā)生的概率也大量增加，這些損傷如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)引起列車的運(yùn)行故障，造成不可估量的損失。目前，對(duì)鋼軌的檢測(cè)已經(jīng)逐漸形成了一個(gè)新的研究方向[2]。鋼軌的檢測(cè)目前采用的主要技術(shù)有超聲波[3]、電磁[4]、磁粉、渦流[5]等, 但是這些方法還很難對(duì)軌道的特殊部位(如軌腰、軌底、道岔軌頭等)實(shí)現(xiàn)完全檢測(cè)，同時(shí)大多數(shù)的無(wú)損檢測(cè)方法也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)部位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指的是利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過對(duì)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化、制定延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命策略的目的[6]。近些年來(lái)，隨著科技發(fā)展以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化、智能化，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也向著結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、損傷定位等的方向發(fā)展。目前，基于Lamb波的損傷檢測(cè)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中[7]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)都是以布置的傳感器能準(zhǔn)確采集和傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)和前提的，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集都是采用有線傳感器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方法往往使得監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高、可靠性差。隨著傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)也得到了發(fā)展，并能夠克服有線傳感網(wǎng)絡(luò)的布線量大、維護(hù)費(fèi)用高等不足，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

筆者將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于鋼軌的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中[8]，通過利用壓電陶瓷晶片(PZT)傳感器陣列的檢測(cè)方法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼軌損傷，PZT可以同時(shí)作為激勵(lì)和接收傳感器。傳感網(wǎng)絡(luò)中采用單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)接收的方式，單點(diǎn)激勵(lì)出Lamb波信號(hào)，單點(diǎn)采集鋼軌在有損和無(wú)損狀態(tài)下的信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，識(shí)別判斷出損傷的信息。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法

1.1基本原理

整個(gè)系統(tǒng)為主動(dòng)式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在鋼軌軌腰上粘貼壓電陣列，對(duì)其中一個(gè)壓電片進(jìn)行激勵(lì)，導(dǎo)波在鋼軌上傳播時(shí)遇到缺陷后，其散射特性和頻譜特性等都會(huì)發(fā)生改變，在另外的壓電片接收點(diǎn)接收的波形也會(huì)發(fā)生改變，提取出其中的差異規(guī)律即可對(duì)損傷進(jìn)行分析。就算結(jié)構(gòu)僅有非常微小的變化，接收點(diǎn)的探測(cè)信號(hào)的變化都會(huì)以一定規(guī)律展現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，鋼軌作為波導(dǎo)彈性介質(zhì)，具有良好的聲導(dǎo)特性，導(dǎo)波在鋼軌中也可以傳播很長(zhǎng)的距離。

1.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，分別為：供電系統(tǒng)、壓電陣列、傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及PC機(jī)。無(wú)線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

(1) 供電系統(tǒng)

整個(gè)供電系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)框圖

在充電電路中主要是太陽(yáng)能供電方式，所獲得的電能通過相應(yīng)的充電管理芯片獲得一定范圍的電壓，將獲得的電壓經(jīng)過DC/DC處理得到能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)所用的電壓，并給每個(gè)模塊供電。整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)，若放電保護(hù)電路檢測(cè)到鋰電池出現(xiàn)供電不足的情況并影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作，放電保護(hù)電路將會(huì)阻止鋰電池繼續(xù)給系統(tǒng)供電；當(dāng)鋰電池通過充電系統(tǒng)獲得足夠的電能時(shí)，放電保護(hù)電路才能允許鋰電池給整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)供電。

(2) 壓電陣列

壓電材料具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)[9]，其能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)在材料中傳播，遇到不同結(jié)構(gòu)其振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。壓電材料還能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并收集結(jié)構(gòu)中傳播的振動(dòng)信號(hào)。導(dǎo)波的傳播過程包括振動(dòng)狀態(tài)和能量的傳播，在波導(dǎo)介質(zhì)中導(dǎo)波可以傳播很長(zhǎng)的距離，并可以覆蓋整個(gè)被檢物體的橫截面，這樣使得導(dǎo)波具有檢測(cè)頻率相對(duì)較低、傳播距離遠(yuǎn)、檢測(cè)距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。將壓電陣列粘貼在鋼軌相應(yīng)位置處，通過對(duì)其中一個(gè)壓電片進(jìn)行導(dǎo)波激勵(lì)，當(dāng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)在鋼軌中傳播并被其余的壓電片接收時(shí)，接收到的信息中不僅包含了導(dǎo)波的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)也包含了鋼軌結(jié)構(gòu)上的相關(guān)信息，通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理就可以識(shí)別出鋼軌的損傷信息。

(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線芯片JN5148(見圖3)、數(shù)據(jù)采集器以及多路調(diào)理電路組成，JN5148是由Jennic公司生產(chǎn)的一系列全面支持ZigBeePro、超低功耗，高性能無(wú)線SOC表面貼裝模塊。系統(tǒng)通過JN5148模塊來(lái)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)壓電陣列進(jìn)行激勵(lì)與接收。在采集接收數(shù)據(jù)時(shí)，考慮到JN5148自帶A/D模塊，采集速率較低，采用TMS320F2802型號(hào)的DSP(數(shù)字信號(hào)處理芯片)來(lái)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集。同時(shí)考慮到噪聲信號(hào)的干擾，接收的信號(hào)先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路再由DSP來(lái)采集。

圖3 JN5148外觀

(4) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是接收來(lái)自同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過RS232串口向PC機(jī)發(fā)送其接收到的數(shù)據(jù)。

(5) PC

分析接收到的超聲導(dǎo)波信號(hào)，并提取其中的特征參數(shù)，再對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別。

該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，減少了整個(gè)系統(tǒng)的布線量，避免了在大規(guī)模布線情況下的檢測(cè)，排除了故障布線的麻煩，減少了日常維護(hù)的工作量。采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄撥壍膶?shí)時(shí)損傷信息傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)就可以遠(yuǎn)離鋼軌，不會(huì)干擾到鐵路的正常運(yùn)行以及危及高速列車的行駛安全。

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)過一定的自組網(wǎng)算法來(lái)組網(wǎng)[10]，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在生成網(wǎng)絡(luò)之后就處于監(jiān)聽狀態(tài)，在沒有收到外界命令的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠的狀態(tài)；當(dāng)接收到外界喚醒命令的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)喚醒并進(jìn)行初始化；當(dāng)接收到傳輸數(shù)據(jù)命令的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)開始傳輸采集到的信息，發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給上位機(jī)，對(duì)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的鋼軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析與處理。整個(gè)工作簡(jiǎn)單便捷，即使系統(tǒng)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，也只需要對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)。

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

仿真部分主要分為二維截面和三維結(jié)構(gòu)的分析，分析對(duì)象為道岔中容易發(fā)生損傷的尖軌。對(duì)試驗(yàn)鋼軌進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合國(guó)家鋼軌標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼軌的建模，并在軌頭處添加損傷位置。尖軌模型如圖4所示，損傷及PZT的布置示意如圖5所示。

圖4 尖軌模型

圖5 損傷及PZT的布置示意

在仿真試驗(yàn)中，鋼軌軌腰處相距10 cm處設(shè)置了接收點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)上加Lamb波激勵(lì)信號(hào)，Lamb波激勵(lì)信號(hào)如圖6所示。對(duì)激勵(lì)點(diǎn)施加相同激勵(lì)信號(hào)的情況下，分別對(duì)兩點(diǎn)之間無(wú)損傷，寬0.4 cm、高0.1 cm、長(zhǎng)度分別為2，3，4，6 cm損傷的情況進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖6 Lamb波激勵(lì)信號(hào)

圖7 不同長(zhǎng)度損傷接收信號(hào)

在圖7中的橢圓虛線標(biāo)注的地方，可以明顯發(fā)現(xiàn)無(wú)損以及其他不同長(zhǎng)度損傷的接收信號(hào)在此處有明顯的差異，無(wú)損傷情況下的接收信號(hào)的幅值小于有損傷情況下的幅值；而在有損傷情況下的接收信號(hào)中，其信號(hào)的幅值隨著損傷長(zhǎng)度的增大而增大，這為損傷的判別提供了依據(jù)。

圖8為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，所選用的鋼軌長(zhǎng)度約為1 m，在鋼軌軌腰的位置用耦合劑粘貼了兩個(gè)壓電片，在兩個(gè)壓電片中間位置的軌頭上同樣用耦合劑粘貼不同長(zhǎng)度的損傷，損傷材料為復(fù)合材料。在圖中的相應(yīng)位置處依次標(biāo)記了傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、DSP、調(diào)理電路以及PC(計(jì)算機(jī))，整個(gè)試驗(yàn)的條件與仿真試驗(yàn)的條件相同。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)采用基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)損傷識(shí)別方法的波傳播檢測(cè)法[11]，使用兩片壓電片，一片作為發(fā)送器，另一片作為接收器，發(fā)送器產(chǎn)生Lamb波并沿著結(jié)構(gòu)傳播，Lamb波在傳播過程中遇到各類缺陷或者損傷會(huì)發(fā)生波形的變化，然后通過壓電效應(yīng)，在接收器上接收到電信號(hào)，最后通過分析處理此電信號(hào)，提取出能夠用來(lái)識(shí)別損傷的信號(hào)。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，給左邊的壓電片一個(gè)40 kHz頻率的Lamb波激勵(lì)信號(hào)，右邊的壓電片接收相應(yīng)的信號(hào)。對(duì)不粘貼損傷、粘貼2，3，4，6 cm損傷的情況分別進(jìn)行試驗(yàn)。

將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過消除串?dāng)_及噪聲信號(hào)后的處理結(jié)果如圖9所示，對(duì)比其中的不同損傷條件下接收信號(hào)的幅值。在橢圓虛線標(biāo)注出來(lái)的位置上，不同損傷幅值大小出現(xiàn)明顯的區(qū)別，其所有損傷信號(hào)幅值變化的趨勢(shì)基本與仿真試驗(yàn)的趨勢(shì)相同，在幅值具體大小上存在差別，這與硬件自身的精度有關(guān)。

圖9 不同損傷試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析每種損傷的情況，對(duì)采集到的噪聲、無(wú)損傷、2，3，4，6 cm損傷的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，通過觀察其頻譜圖來(lái)分析其中的差別，不同損傷的快速傅里葉變換結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同損傷的快速傅里葉變換(FFT)結(jié)果

在圖10(a)的干擾信號(hào)頻譜中，可以看出干擾信號(hào)主要為低頻諧波信號(hào)以及一個(gè)頻率約為40 kHz的串?dāng)_(在重構(gòu)信號(hào)曲線時(shí)應(yīng)該將干擾信號(hào)濾除)。圖10(b)～10(f)中，在頻率40 kHz左右都有一個(gè)較大的幅值，這與試驗(yàn)所用的激勵(lì)Lamb波頻率相同。在其余無(wú)損傷和添加人工損傷信號(hào)的頻譜圖中，在最高頻率處的幅值都隨著添加損傷長(zhǎng)度的增加而不斷減小，說(shuō)明長(zhǎng)度越長(zhǎng)的損傷對(duì)信號(hào)的散射越強(qiáng)，這使得接收到的信號(hào)越弱。通過對(duì)不同頻譜的分析可以用來(lái)判斷損傷程度的大小。

為了直觀顯示不同長(zhǎng)度損傷的接收幅值大小，通過MATLAB軟件對(duì)得到的損傷信號(hào)在40 kHz處的峰值幅值進(jìn)行擬合，具體的擬合曲線如圖11所示, 從擬合的曲線可以更直觀地觀察出接收信號(hào)的幅值與損傷長(zhǎng)度變化的關(guān)系。

圖11 不同長(zhǎng)度損傷幅值擬合曲線

試驗(yàn)驗(yàn)證了不同長(zhǎng)度的損傷對(duì)接收信號(hào)的影響，結(jié)果表明，該硬件試驗(yàn)系統(tǒng)可以用來(lái)判別不同長(zhǎng)度的損傷，并且和預(yù)期的仿真試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)搭建的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以Lamb波為激勵(lì)信號(hào)，采用JN5148為主芯片，利用DSP的采集功能使得整個(gè)硬件系統(tǒng)能夠無(wú)線傳輸傳感器接收的數(shù)據(jù)。通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也表明了該系統(tǒng)損傷判別的效果。

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WirelessSensorNetworksDamageMonitoringSystemofRail

WANG Wenhao1, WANG Haitao1，HU Pan1, LIU Qiang1, TIAN Guiyun1,2, GUO Ruipeng1

(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106,China; 2.Newcastle University, Newcastle NUI 7RU, UK)

The traditional test equipments fail to monitor the rail real-time, which leads to the occurrence of leak and mistakenly identified. And the monitoring of rail damage has become an important issue in the development of national railway. In this paper, a rail damage monitoring hardware system has been built based on the internet of things and structural health monitoring technology. With the piezoelectric sensor array placed in fork rail waist, piezoelectric excited by the Lamb wave sensor, experiments on the artificial paste in different lengths of rail head surface damage were carried out. The results show that the system can effectively detect the rail damage information.

wireless sensor network; structural health monitoring; piezoelectric array; Lamb wave

2017-06-25

王文皞(1994-),男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究工作

王海濤,htwang2002@126.com

10.11973/wsjc201711003

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0012-04