分布式结构健康监测数据同步采集仪器的研制

The structure health monitoring system of the key engineering structure have the features such as huge volume of sensors, high synchronous signal sampling, good durability and powerful real-time data sampling and processing. This project will develop a distributed data acquisition system with multiple types of sensors based in PAC platform technology. It will realize several functions such as synchronous data sampling of multiple types of sensors including FBG, voltage, current and digital I/O and different data acquisition terminals, real-time signal analysis in the firmware interface and a modularized and normalized software platform with multithreading operation function. This system will satisfy the demands of data acquisition system in the field of structure health monitoring, provide detailed and accurate data for structural analysis and improve the level of structure health monitoring technology.

重大工程结构的健康监测项目具有传感器容量大、信号同步采集精度需求高、长期稳定性好、数据采集及分析实时性要求高的特点。本项目针对重大工程结构健康监测的需求，开发一款基于PAC平台分布式多类传感器同步采集仪器,实现多类传感器(光纤光栅、电压、电流和数字I/O)和多终端设备的精准同步采集，信号实时“硬”处理分析功能以及多线程运行的模块化、规范化的软件平台。本仪器的开发完成，可以满足结构健康监测的数据采集需求，为结构分析提供详实准确的数据，提高现有结构健康监测的技术水平。

针对重大工程结构健康监测中的传感器种类多、数量大、分布广、信号测量精度和同步性要求高、信号分析处理实时性强的需求，本项目自主研发完成了“分布式多类型传感器同步采集仪”，实现了仅用一台设备就能对“光纤、电压、电流、电桥和IEPE”五类监测信号的同时控制、同步采集、高速解调、即时分析四项功能。形成了以下创新点：. 1.硬件平台设计模式的创新：设计出了基于PAC平台的模块化、嵌入式硬件平台架构；内嵌的FPGA实时批处理程序实现了不同信号调理模块的高速同步采集功能、基于TCP/IP的数据传输协议和无损压缩算法。. 2.电类信号同步模块的创新:自行研制了桥式电路、IEPE传感信号、电压 和电流传感器信号的同步调理模块；开发了自主IP核的高速全双工并行控制协议及控制电路，解决了单通道难以自由切换信号类型以及通道间信号串扰的监测难题，实现了由用户自主定义每个传感器采集通道信号类型的功能。. 3.光纤光栅解调模块化设计与解调技术创新:设计了基于宽光谱波长扫描 型光纤激光器的光纤光栅解调模块，其光谱动态范围可达90nm，扫描光脉冲功率为1dbm；自主研发了高速全双工协议的光纤弱信号转换放大电路模块，实现了30dB的弱光信号增益。. 4.信号实时硬处理功能创新:针对大型结构安全监测常用的传感器信号类型，研制出了具有自主IP核基于FPGA的信号实时自适应滤波、时频分析和动态阈值触发算法，利用硬件并行优势和硬件定时的速度与稳定性，实现了真正意义上的无延时、高速度、分布式的监测信号实时“硬”处理功能。. 5.嵌入式操作平台架构创新:开发了与硬件设备配套的状态机和循环事件结构互耦合的软件架构，设计出了结构安全监测中的基本域，给出了各个域内部数据特性及相应的状态和伪状态，并建立了相应的转换和连接机制，实现了与嵌入式硬件平台无缝结合、程序功能模块化、多线程并行运行的功能。. 本项目研究成果已经在多项重大工程结构安全监测系统的设计与实施中取得了良好的效果，产生了显著的经济和社会效益，提高了我国在结构健康监测领域的研究水平。