材料在反復承受低于其自身拉伸強度極限的交變應力（或應變）作用下，也會產(chǎn)生裂紋和裂紋擴展現(xiàn)象并導致材料突然斷裂,通常把這樣的失效方式稱為疲勞破壞。疲勞問題可能會導致結構的直接失效。據(jù)調査統(tǒng)計，約有50%?90%的機械部件的失效是由于疲勞破壞所引起的因此，設計與開發(fā)一種具有疲勞壽命預估和預警功能的嵌入式智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，對于解決工程結構疲勞問題將有很大的幫助。

疲勞監(jiān)測的基本原理是利用傳感器提取結構物的振動信號，通過智能算法對振動數(shù)據(jù)進行分析處理，最后獲知結構的疲勞損傷情況以采取相應的措施。目前，疲勞問題在結構監(jiān)測領域所面臨的主要問題:一是疲勞壽命涉及到的范圍廣，影響因素多，現(xiàn)有的疲勞壽命估計理論的預測值與實際疲勞壽命之間還有很大差距;二是監(jiān)測的數(shù)據(jù)量龐大,冗余多，處理時既浪費時間又浪費資源，如何更好的通過數(shù)據(jù)反映出疲勞壽命，是今后研究的主要問題之一；三是在工程中缺少一種原理明確，功能強大,且具有疲勞壽命預估和預警功能的智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。因此，本文所設計無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的目的就在于，希望其監(jiān)測出結構的疲勞壽命，以將疲勞破壞帶來的災害最小化。

本文首先介紹了一種智能疲勞監(jiān)測的優(yōu)化算法，并給出了其基于DSP芯片TMS320F28335的實現(xiàn)方法，然后進行了實驗測試分析，得到了系統(tǒng)的相關實驗數(shù)據(jù)和分析結果。

1  無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)可分為應變放大部分、數(shù)據(jù)處理部分和無線傳輸部分,整個無線振動檢測系統(tǒng)的架構如圖1所示。

設計時通常把電阻應變片與精密電阻接成惠斯通半橋形式，以將形變量轉化為電信號，同時用應變放大模塊對其進行放大、濾波，送給數(shù)據(jù)處理模塊，然后由后者進行數(shù)模轉化，再應用相關算法處理數(shù)據(jù)，最后把結果存入FLASH中保存，同時無線發(fā)送給PC。

2  基于雨流計數(shù)法的智能疲勞監(jiān)測算法

雨流計數(shù)法，又叫塔頂法，是由英國的Matsuiski和Endo等人考慮了材料應力和應變而提出的。雨流計數(shù)法主要用于工程界，特別在疲勞壽命估計中運用非常廣泛。其示意圖如圖2所示。把荷載一時間歷程翻轉，時間軸豎直向下,這樣就好比一座寶塔，故名為塔頂法。在這種狀態(tài)下，假設雨流從塔頂開始不斷往下流，遇到塔尖之后，就可以根據(jù)相應的規(guī)則完成循環(huán)數(shù)的統(tǒng)計。具體規(guī)則如下:

(1) 雨流的起點依次在每個峰(谷)值的內側；

(2) 雨流在下一個峰(谷)值處落下，直到對面的峰(谷)值；比開始時更大(小)為止；

(3) 雨流遇到上面屋頂流下的雨時，就停止；

(4) 取出所有的全循環(huán)，并統(tǒng)計各自的幅值和均值；

(5) 按正、負斜率取出所有的半循環(huán)，并統(tǒng)計各自的幅值和均值；

(6) 把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段的計數(shù)法則進行處理并計數(shù)。

經(jīng)過上述規(guī)則進行計數(shù)后,剩下的半循環(huán)數(shù)據(jù)的曲線將轉化為一個發(fā)散的收斂曲線，此時已經(jīng)不能再用上述規(guī)則進行雨流計數(shù)，需要對這些數(shù)據(jù)進行一定的規(guī)則轉化之后,再進行二次雨流計數(shù)，并統(tǒng)計出半循環(huán)數(shù)。而對于相應的轉化規(guī)則，國內外許多文獻都提出了不同的解決辦法。在諸多方法中，其中楊永吉、鄧速提出的將發(fā)散收斂譜轉化為收斂發(fā)散譜，然后按照第一階段雨流計數(shù)法的規(guī)則進行計數(shù)的辦法比較方便、實用。該方法雖然會有一些誤差,但對總體來講，不影響疲勞壽命的估計，誤差可以忽略。

3  無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設計

無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化的設計方式，由應變放大模塊、DSP核心處理模塊、無線發(fā)送模塊及電源管理模塊等部分組成。圖3所示是無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成框圖。

圖3中的應變放大模塊可選用HK9421動態(tài)信號調理器，該器件可應用惠斯通電橋原理，配接不同類型的應變片或應變式傳感器,除測量結構和材料的應變外，還可以測量力、壓力、扭矩、溫度等物理量。此外，HK9421內部有3個120Q標準無感電阻，應用不同的接線方式,可方便地組成1/4橋、半橋、全橋等測量方式。HK9421還可通過內部電路對橋壓信號進行放大、濾波及提升，以使得電橋平衡時的輸出電壓為供電電壓的一半。

DSP核心處理模塊選用TMS320C2000系列的TMS320F28335芯片。F28335芯片是TI公司近幾年最新推出的產(chǎn)品，擁有32位運算精度和高達150MHz的CPU頻率。相比以往的產(chǎn)品，F(xiàn)28335片內存儲容量進一步擴大,片內外設模塊的功能也得到了進一步擴展，并具備浮點運算功能。該芯片能夠快速地執(zhí)行雨流計數(shù)算法,而且還適于此疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的進一步擴展。

無線發(fā)送模塊選用STR-30型微功率無線數(shù)傳模塊，其優(yōu)點是發(fā)射功率極小、傳輸距離遠（在視距情況下，天線高度〉1.5m,可靠傳輸距離＞800m）、誤碼率低、體積小、重量輕等。

電源管理模塊由包括YSD-12-5鋰電池和B0503M-1WDC-DC電源模塊的兩部分組成。前者提供穩(wěn)定的5V電壓輸出，且容量高達9000mAh,可充電實現(xiàn)循環(huán)使用;后者適用于分布式電源供電系統(tǒng)及使用小功率電源供電的電路。因為應變放大模塊需要5V供電，而DSP核心處理模塊和無線發(fā)送模塊需要3.3V供電，所以用其DC-DC可以進行電壓轉換。圖4為其實際模塊圖。

4  實驗數(shù)據(jù)分析

本實驗以等強度梁作為被測結構，圖5為此實驗的原理示意圖，圖6為其相應的實物圖。

       實驗時，將貼于等強度梁兩側的電阻應變片與系統(tǒng)輸入端連接，以使其通過配套的無線接收模塊與PC端實現(xiàn)信息傳輸。實驗中，可用信號發(fā)生器調節(jié)等強度梁振動的頻率，用功率放大器調節(jié)振動的幅度。振動頻率為5Hz,采樣頻率250Hz,單次釆樣點數(shù)4000點。

圖7所示是第一次采樣的結果曲線，該結果存入數(shù)組SampleO中對其進行濾波、分析、處理之后，即可得到統(tǒng)計結果。在此過程中，數(shù)組Samplel同時也進行采樣。由圖7可知，當數(shù)組SampleO處理完成之后，數(shù)組Samplel在處理過程中共采集了27個數(shù)，如此就避免了數(shù)據(jù)處理過程中造成的的數(shù)據(jù)丟失。

圖8所示是本實驗的具體數(shù)據(jù)結果。由圖8可知，總循環(huán)數(shù)為0x8725+0x23CE=0xAAF3,即十進制43763。由信號頻率可知，5Hz的頻率，運行2小時30分鐘之后，應有2.5X5X3600=45000個循環(huán)，這期間落了1237個循環(huán)，誤差為2.7%,故可將誤差降低至3%以內。2.7%的誤差是由系統(tǒng)引起的，改進方法為增加每一次處理的信息量，從而降低丟失信息在其中所占的百分比即可。

通過初步實驗可見,本文提出的系統(tǒng)可以進行疲勞監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)準確提取,進而為后期的疲勞損傷、安全評定提供可靠的數(shù)據(jù)保證。表1所列是本系統(tǒng)的主要指標。

5  結論

本文針對結構材料的疲勞損傷監(jiān)測，結合無線傳感技術，給出了一種無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法。該系統(tǒng)集成了應變放大模塊、DSP核心處理模塊、無線發(fā)送模塊等裝置。并進行了等強度梁激振測試實驗，實驗結果表明，本系統(tǒng)釆樣信息量大、釆樣數(shù)據(jù)準確可靠，適合應用在結構材料的疲勞損傷監(jiān)測中?？傊?，所設計的無線智能疲勞監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗、方便安裝等特點，可為結構材料的疲勞損傷監(jiān)測提供一種新方法，具有廣闊的應用前景。