基于无线传感器网络的混凝土坝弹性波CT测试系统及方法

摘要

本发明涉及水利工程无损检测技术领域，旨在提供一种基于无线传感器网络的混凝土坝弹性波CT测试系统及方法。该系统包括人工振源模块、振动信号采集模块和无线传感器模块。振动信号采集模块包括分别与计算机相连的无线传感器传输组件、信号调理仪和信号采集仪；无线传感器模块由多个无线传感器网络节点组成，均包括：分别与控制单元相连的三分量加速度传感器、GPS一机多天线定位组件和无线传感器传输组件；人工振源模块或振动信号采集模块中设置GPS一机多天线定位组件。本发明测试安全性高，振源激发操作简便；测点定位更加准确和智能化；避免了现场测试时的大量连线作业；能够实现测试过程中的“一发多收”，可大大提高测试效率。

说明书

技术领域

本发明属于水利工程无损检测技术领域，特别涉及一种适用于大体积混凝土坝体无损检测的智能化弹性波CT测试方法与系统。

背景技术

自1971年研制成功第一台医学CT机以来，CT技术已广泛应用于工业、地球物理等领域。近年来弹性波CT技术被引入到混凝土坝安全检测领域中，弹性波CT成像的主要技术要点包括正演和反演两部分。就其成像计算方法而言，基于射线理论的图像重建技术已比较成熟，基于波动方程的图像重建技术也逐步开始应用。但是，与弹性波CT计算方法方面所取得的巨大进步相比，弹性波CT测试技术相对比较滞后，特别是对于像大坝这样的大体积结构，现有CT测试技术的低效率极大制约弹性波CT的发展，所存在的主要问题是：

（1）振源控制不方便。常规的超声波发射振源仅能用于尺寸1～2米以内的小型混凝土构件测试。因混凝土坝体体积很大，在没有高精度、高灵敏度测试系统的情况下，需要非常大的能量才能对坝体产生激励振动信号。当前常规的人工激励振源包括：炸药、电火花振源、超磁致伸缩声波发射振源等。其中，炸药和电火花能量较大，但是现场操作不够方便，而且炸药爆炸或电火花放电作业会对周边环境产生振动、冲击、噪声等次生危害；特别是大坝CT需要进行很多次数据采样，炸药和电火花成本较高，环境不够友好。超磁致伸缩声波发射振源一般仅适于数米以内的声波测试，无法用于数十米、甚至上百米的混凝土坝体CT测试。

（2）测点定位不方便。为了进行大坝CT测试，需要对弹性波的发射点和接收点进行准确定位。但是由于大坝几何形状复杂，例如拱坝是一个复杂的空间曲面结构，在测试现场采用全站仪测量技术进行测点定位费时、费力，而且精度难以保证，极大地制约了弹性波CT数据采集的效率。

（3）现有的弹性波测试系统的主机与传感器之间采用数据线电连接，在进行大坝CT测试时，因坝体尺寸很大，需要很长的连接线，造成现场测试操作不方便，而且数据线过长还降低了数据传输的效率、降低了系统整体可靠性。

（4）从测试方式上来看，由于受现有测试系统数据采集模式的限制，在进行大坝CT测试时，往往是“一发一收”型式，即一个激振点发射弹性波，由一个接收传感器接收。当对大坝进行弹性波覆盖扫描测试时，往往有需要进行数十至数百次收发测试，采取“一发一收”型式必然效率很低。

综上所述，现有的弹性波CT测试系统仅适用于较小体积的构件，而不适于像大坝这样大体积的结构；从现场测点布置定位、测试数据采集方式等方面来看，现有的测试系统均存在操作不方便、效率低等问题，因此亟待开发新的检测系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种新型、智能化的大坝CT测试系统，该测试系统的主要测试任务是：记录若干组发射振源信号及大坝各测点位置上的接收振动信号，记录人工振源点及接收测点的空间坐标位置。在获得这些测试数据后即可计算混凝土坝各空间测点之间的弹性波走时，利用获得的弹性波走时数据开展正反演计算后即可进行坝体的弹性波层析成像。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

提供一种基于无线传感器网络的混凝土坝弹性波CT测试系统，包括人工振源模块，该模块中有一用于产生振动激励信号的力锤，该系统还包括振动信号采集模块和无线传感器模块；

所述振动信号采集模块，包括分别与计算机相连的无线传感器传输组件、信号调理仪和信号采集仪，无线传感器传输组件、信号调理仪和信号采集仪依次连接；

所述无线传感器模块由多个无线传感器网络节点组成，每个无线传感器网络节点均包括：分别与控制单元相连的三分量加速度传感器、GPS一机多天线定位组件和无线传感器传输组件；

该系统还包括设置于人工振源模块或振动信号采集模块中的GPS一机多天线定位组件：如设置于人工振源模块中，则力锤和GPS一机多天线定位组件分别通过信号线与一个无线传感器传输组件相接；如设置于振动信号采集模块中，则该组件直接与计算机相连，且力锤经数据线与信号调理仪连接。

本发明中，所述振动信号采集模块和每个无线传感器网络节点，均包括用于向各工作组件供电的电源。

本发明中，所述无线传感器网络节点的控制单元是单片机控制单元。

作为更进一步的发明目的，还提供了一种基于前述系统的混凝土坝弹性波CT测试方法，包括以下步骤：

（1）将各无线传感器网络节点、人工振源模块和振动信号采集模块布置在大坝上，无线传感器节点和人工振源模块的位置根据混凝土坝CT测试断面的要求和关注重点确定，振动信号采集模块与人工振源模块处于相邻位置；

（2）在进行大坝CT测试前，对各仪器部件进行自检；

（3）通过GPS一机多天线定位组件确定各无线传感器网络节点和人工振源模块的空间坐标位置，并存储于计算机；

（4）人工振源模块进行振动测试，采用力锤敲击激励振动，敲击力根据测试距离大小确定，以能够激励清晰振动信号为原则，敲击力由小到大通过试验确定；

（5）人工振源模块的激励振动信号通过与力锤连接的数据线直接传输至信号采集模块，或通过无线传感器传输组件传递至振动信号采集模块；

（6）人工振源模块进行激励振动的同时，振动信号经混凝土坝体向四周传播，当传播至预先布置的各个无线传感器节点时，经三分量加速度传感器拾取，采集到振动信号，并将其发回振动信号采集模块，实现“一发多收”采集；

（7）将振源和加速度传感器的位置信息、振源和加速度传感器之间的弹性波走时测试数据导入内置于计算机的弹性波CT计算软件，经正演和反演迭代计算，即可得到混凝土坝的弹性波CT图。

本发明中，还包括振动信号滤波处理的步骤：利用信号调理仪的低通滤波功能实现对高频部分滤波，去除混凝土坝体受脉冲力激励振动响应的高频成份。

本发明中，还包括振动信号放大处理的步骤：利用信号调理仪的电荷或电压放大功能，实现对所采集微弱振动信号的放大，以便于信号的有效识别和定量分析。

本发明的有益效果是：

（1）本测试系统撇弃传统的电火花和炸药振源，现场测试的安全性大大提高，振源激发操作简便，对环境无任何不利影响；

（2）测点定位更加准确和智能化，无需现场测量作业，所有测点的坐标能够自动记录并存储；

（3）采用无线传感器网络后，避免了现场测试时的大量连线作业，测试数据传输更便捷可靠；

（4）采用无线传感器网络后，实现了数据传输模式的重大改变，能够实现测试过程中的“一发多收”，可大大提高测试效率。

附图说明

图1为测试系统总体组成图；

图2为人工振源模块示意图；

图3为振动信号采集模块示意图；

图4为无线传感器网络节点；

图5大坝CT测试示意图；其中，1为布置于混凝土坝顶上游面的人工振源模块，2为与人工振源模块相连的振动信号采集模块，3为布置于混凝土坝下游坝面上的无线传感器网络节点。

具体实施方式

首先对本发明提及的技术术语进行确认。本发明使用到的人工振源模块1、振动信号采集模块2和无线传感器模块均为概括的功能性模块。其组成部件中的力锤、信号调理仪、信号采集仪、计算机、电源、GPS一机多天线定位组件、三分量加速度传感器、无线传感器传输组件等，均为可直接市购的现有器材，或者可通过惯用技术手段由本领域技术人员自行组装实现，故本发明对其具体实现方式不再赘述。

本发明的技术路线是：（1）采用力锤敲击产生振动激励信号，采用高精度的振动数据采集仪器获取各测点上的振动信号。为了能够获得大体积混凝土结构的微弱振动信号，采用信号调理仪进行信号的放大、降噪、滤波等信号处理操作。（2）为了解决现场测点定位不方便、精度不高的问题，采用GPS一机多天线技术进行所有振动测点的精确定位。（3）采用无线传感器网络技术设定振动传感器网络，避免了现场数据连线的繁琐操作，实现数据的多通道、多路径可靠传输。

本发明测试系统的主要组成包括：人工振源模块1、振动信号采集模块2和无线传感器模块。人工振源模块1主要由力锤、数据线组成。振动信号采集模块2由信号调理仪、信号采集仪、计算机、电源、GPS一机多天线定位组件、无线传感器传输组件组成。无线传感器模块有多个无线传感器网络节点3组成，每个无线传感器网络节点3由高灵敏度三分量加速度传感器、控制单元、GPS一机多天线定位组件、无线传感器传输组件、电源等组成。

系统组成如图1所示。人工振源模块1产生大坝CT测试的振源信号，该振源信号一方面通过数据线传输至信号采集模块并记录保存；另一方面在测试对象（即大坝）内部传播，经坝体上多个各测点位置的无线传感器节点接收后，通过无线方式发送至信号采集模块。

人工振源模块1如图2所示，各部分组成及功能如下：力锤通过数据线与信号采集模块中的信号调理仪连接。当采用力锤敲击混凝土坝体时，力锤对混凝土坝体施加了振动激励（即：人工激励源），并能够在产生人工激励振动的同时，将该人工激励振动信号通过数据线传输至信号采集模块记录保存。

振动信号采集模块2如图3 所示，各部分组成及功能如下：无线传感器传输组件与信号调理仪连接，信号调理仪与信号采集仪连接，经信号调理仪处理后的测试信号，可存储和显示在计算机上。电源向本模块各部件提供电源。信号调理仪的主要功能是实现对原始测试信号的电荷放大、电压放大、模拟积分、降噪、滤波等处理。信号采集仪的主要功能是实现多通道同步采集、AD转换、程控放大等。计算机可以设定信号调理仪、信号采集仪的有关参数，进行测试信号的文件操作。无线传感器传输组件的主要功能是实现信号采集模块与无线传感器模块之间的双向通讯和数据传输；一方面，可以通过计算机操控无线传感器传输组件向无线传感器模块发送仪器初始化指令、自检指令、自动采集指令等；另一方面，无线传感器模块检测到的振动信号经无线发送后，通过无线传感器传输组件接收，经信号调理仪、信号采集仪后被计算机存储或显示。一般地，力锤敲击产生的人工激励信号很微弱，但是经信号调理仪和信号采集仪进行滤波、降噪、放大等处理后，能够在本测试系统中有效拾取和分辨原本很微弱的振动信号，从而使测试精度和灵敏度大大提高。

无线传感器模块如图4所示，根据测试规模的大小，可以有多个无线传感器网络节点3，每个节点的组成及功能如下：单片机控制单元用于模块各部件的通讯控制、参数设置等简单操作，临时存放测试数据等。高灵敏三分量加速度传感器，用于拾取测点位置的振动信号。无线传感器传输组件，用于将拾取的振动信号通过无线的方式传输至信号采集模块。GPS一机多天线定位组件，用于确定三分量加速度传感器的空间位置。电源为无线传感器模块提供电能。

采用基于无线传感器网络的混凝土坝弹性波CT测试系统，进行大坝CT测试的实施示意图见图5。人工振源模块1与振动信号采集模块2之间采用数据线连接，振动信号采集模块2与多个无线传感器网络节点3之间通过无线网络方式通讯。

大坝CT测试步骤如下：

（1）首先将各无线传感器网络节点3、人工振源模块1（振源激发点）布置在大坝上。无线传感器网络节点3和人工振源激发点的位置主要根据混凝土坝CT测试断面的要求和关注重点确定。振动信号采集模块2一般与人工振源模块1处于相邻位置，如图2所示，其目的是以振动信号采集模块2中的GPS一机多天线定位组件为振源激发点定位。

（2）在进行大坝CT测试前，先进行仪器自检。检查项目包括：检查力锤的力传感器是否可靠连接，安装不牢会造成虚假振动信号；检查振动信号采集模块2中各部件是否处于正确的采集等待状态；检查无线传感器网络是否通讯正常；检查三分量振动加速度传感器是否与坝体可靠连接，并能够接收到振动信号。

（3）根据GPS一机多天线定位组件，确定各无线传感器网络节点3的空间坐标位置，并存储于计算机。

（4）进行振动测试。采用力锤敲击激励振动时，执锤要稳，落点要准，敲击力可根据测试距离大小定，以能够激励清晰振动信号为原则，敲击力由小到大通过试验确定。

（5）人工激励振动信号通过与力锤连接的数据线直接传输至振动信号采集模块2。

（6）在人工激励的同时，振源振动信号经混凝土坝体向四周传播，当传播至预先布置的各个无线传感器网络节点3时，经三分量加速度传感器拾取。采用无线传感器网络模式，传感器终端节点与汇聚节点能够自动形成一个自组织、多跳的网络，在进行一次人工激励振动操作的同时，多个无线传感器网络节点3都能够采集到振动信号，并将其发回信号采集模块，实现“一发多收”采集。

（7）振动信号滤波处理。混凝土坝体受锤击（脉冲力激励）后，其振动响应中会含有分析中所不需要的高频成份，这些高频成份会造成折叠失真，增加后期处理分析的难度。在本系统中采用信号调理仪的低通滤波功能实现对高频部分滤波。

（8）振动信号放大处理。人工力锤激励的振动信号很微弱，采用信号调理仪的电荷或电压放大功能，实现对所采集微弱振动信号的放大，以便于信号的有效识别和定量分析。

（9）对于大坝弹性波CT，所需要的测试数据主要是振源和加速度传感器的位置信息，振源和加速度传感器之间的弹性波走时。将这些测试数据导入内置于计算机的弹性波CT计算软件，经正演和反演迭代计算，即可得到大坝的弹性波CT图。

当然，本发明还可以有另一种实现方式：在人工振源模块1中设置一个GPS一机多天线定位组件用于为振源激发点定位。同时，在人工振源模块1中设置一个无线传感器传输组件，用于将GPS定位的数据和接收到的激励振动信号一并通过无线通讯网络传递给振动信号采集模块2的无线传感器传输组件。此时，力锤和GPS一机多天线定位组件分别通过信号线与该无线传感器传输组件相接，而振动信号采集模块2中的GPS一机多天线定位组件就可以取消了。

这个技术方案的好处是，振动信号采集模块2与人工振源模块1分离，无需数据线连接，可以更灵活地布置振源和信号采集模块，或干脆实现测试数据的远距离接收，避免测试过程受外界环境干扰。

采用本发明测试系统，可以避免依赖于炸药、电火花等不太方便的激振方法，而改用较轻便的力锤人工激励，消除了冲击波、噪声等次生危害；测试过程中能够实现无线数据传递，避免了常规方法布设很长数据线的繁琐操作；采用本发明测试系统，能够实现“一发多收”测试，大大提高了现场数据采集效率；能够精确快捷地对激振点和传感器网络进行空间定位，大大提高了测试精度，显著降低了外业测量工作强度。采用电荷放大和高频滤波后，使传统的数据采集系统能够采集和识别到更微弱的振动信号，拓展了弹性波的有效测试距离，更加适用于像大坝这样的大体积结构。