CN100441153C - 多通道集成压电扫查结构健康监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道集成压电扫查结构健康监测系统，包括终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块，除多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块外的各模块集成计算机总线上。本系统可对压电激励-传感网络进行多通道扫查，便于对大型工程结构实现在线实时的结构健康监测；系统集成度高，结构紧凑，使用方便；具有统一的集成化软件系统，可自动提取常见结构损伤特征，并损伤判别；操作方便，系统监测实时性好。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种结构健康监测系统，尤其涉及一种用于控制压电激励-传感网络实现结构健康监测的多通道集成扫查系统。
二、背景技术：
结构健康监测的基本思想是将传感器、信号信息处理元件，甚至驱动器，控制器和结构材料融合，从而使结构材料具有感知自身健康状态、诊断自身安全，甚至修复自身损伤、调整自身状态的功能，这样可大大增强结构的功能、提高结构的安全性可靠性、降低结构的维护费用，延长结构的使用寿命。
基于主动监测技术的结构健康监测方法是一种典型的、行之有效的热点研究方法。它的基本思想是通过压电元件对结构施加主动激励，同时使用单个或多个压电元件感知结构不同位置的响应信号，结构中的损伤会引起响应信号的改变，据此改变可对结构中的损伤进行判别。国际上已有大量文献报道基于主动监测技术的结构健康监测方法的研究进展，这些研究表明此方法行之有效，具有重要的应用前景。
目前，基于主动监测技术的结构健康监测方法所使用的仪器是由多个分散独立仪器搭建起来的一个包含多个独立仪器的大仪器系统。这个大仪器系统包含的独立仪器有：任意波形产生器(函数发生器)，宽带功率放大器，电荷放大器，基于数据采集卡的计算机数据采集系统或者示波器。这些独立的仪器设备使用不同的软件进行工作，这就使得由它们构成的大仪器系统软件不统一，用户使用起来极为不便，必须要对每个仪器进行手动调整，而且这个大仪器系统由于独立仪器很多导致硬件重量大、连线多，同样使得用户使用不方便，这样的大仪器系统不适合实际工程应用的需要。例如：飞行器结构的健康监测目前是结构健康监测技术应用的一个重要领域，应用于飞行器结构的健康监测系统必须体积小、重量轻、便于携带和安装、方便飞机维护人员使用；在对土木结构的健康监测中，健康监测控制室大小有限，而且还有其它一些监控设备，所以同样要求结构健康监测系统体积小，便于操作。对于这些要求，现有大仪器系统无法到达。因此迫切需要研制集成度高、体积小、重量轻、便携带的结构健康监系统。
此外，随着结构健康监测技术工程化应用的日益发展，结构健康监测所需要监测的结构体积逐步增大，压电元件更多的是以激励-传感网络阵列形式使用。现有的大仪器系统在压电激励-传感网络阵列各通道的切换上极为不便。此时针对压电激励-传感网络的多通道集成压电扫查结构健康监系统的实现变得至关重要。
三、发明内容
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种集成化的工程结构健康监测系统，用于控制由压电元件组成的激励-传感网络进行结构健康监测工作。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的多通道集成压电扫查结构健康监测系统包括终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块，其中，终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块连接在统一的计算机总线上，各模块和终端处理器之间通过总线进行通讯；终端处理器模块将数字量形式的激励信号通过总线传送到压电任意激励波形产生模块，压电任意激励波形产生模块通过D/A转换将激励信号以模拟量形式输出至高频宽带功率放大模块，高频宽带功率放大模块将激励信号的功率提升后传输至多通道扫查切换模块，多通道扫查切换模块再将激励信号输入到外界压电激励-传感网络中的激励压电元件；外界压电激励-传感网络中激励压电元件产生的模拟量形式的响应信号通过多通道扫查切换模块传输至程控增益电荷放大器模块进行放大，放大后的响应信号经压电响应高速数据采集模块通过A/D转换成为数字量后再传输至终端处理器；终端处理器产生的通道控制信号通过总线传送到数字I/O模块，数字I/O模块根据通道控制信号产生的数字I/O信号控制多通道扫查切换模块工作；终端处理器产生的放大倍数控制信号通过总线传送到程控增益电荷放大器模块控制其放大倍数。
上述的终端处理器实际上为一个计算机系统，为压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块提供一个统一的总线平台。其功能是发出对所有的硬件的控制指令，并且处理所有的监测数据结果。
上述的压电任意激励波形产生模块的功能是产生主动结构健康监测中的多种激励信号，它可以产生窄带Lamb波、宽带Lamb波以及正弦波波、方波等等常用的激励信号，也可以根据实际监测的需要进行编程产生各种特殊的激励信号，其产生的信号频率范围较宽，可以是从DC到5MHz连续频率范围的信号，信号幅值可以从0到10V连续可调，并且具备输出滤波功能，产生信号的精度较高。
上述的高频宽带功率放大模块的功能是提高由压电任意激励波形产生的激励信号的功率，由于实际监测结构面积大，由压电任意激励波形产生的激励信号需要经过高频宽带功率放大模块提高激励信号功率才能输入压电激励-传感网络。高频宽带功率放大模块的工作带宽能够达到1MHz的-3dB带宽，输出电压最高达到±70V。
上述的数字I/O模块的功能是产生数字I/O信号去控制多通道扫查切换模块中各继电器开关的切换，从而实现多通道扫查的功能，为大面积结构健康监测中使用压电激励
-传感网络提供了稳定准确的通道切换功能。
多通道扫查切换模块在数字I/O模块的控制下完成多通道切换工作，激励信号的施加和响应信号的采集在该模块中得到了有效的控制。
程控增益电荷放大器模块的功能是放大压电激励-传感网络的响应信号。它的放大倍数可以根据实际监测的需要，通过程序来调整；它的工作带宽为30KHz到500KHz。
压电响应高速数据采集模块的功能是对由压电元件组成的激励-传感网络的响应信号进行高速数据信号采集。它的采样率可以到达20MHz，而且具备四路同时采集功能。它的高速高精度性能保证了传感信号的精度，从而提高了损伤判别的准确性和实时性。
终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块集成在可防止电磁干扰的整体式铝合金散热外壳内。利用这种整体散热式铝合金机箱封装，可以实现集成度高、体积小、重量轻、便携带的多通道集成压电扫查结构健康监测系统。
程控增益电荷放大器一共有四级：第一级是电荷放大级，第二级是程控放大级，兼高通有源滤波，第三级是低通有源滤波级，第四极是反向放大极。
本发明的系统中，整体式铝合金散热外壳内嵌有系统用户操作界面，该系统用户操作界面通过计算机总线与终端处理器进行通讯，以利于用户对本系统的操作和控制。
3、有益效果：
本发明的多通道集成压电扫查结构健康监测系统的优点是可以方便的对压电激励-传感网络进行多通道扫查，便于对大型航空航天结构、土木结构实现在线实时的结构健康监测：(1)本系统提供高效，稳定的通道切换，便于实现用压电激励-传感网络对结构进行大范围的健康监测；(2)本系统集成度高，结构紧凑，使用方便；(3)本系统具有统一的集成化软件系统，可自动提取常见结构损伤特征，并损伤判别；(4)带有操作方便、使用灵活的用户界面，也可以很方便的配置、扩展结构健康监测软硬件；(5)系统监测实时性好，有利于推动主动结构健康监测技术在工程中的实际应用。
四、附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的程控增益电荷放大器模块原理图；
图3是本发明的软件模块逻辑关系以及各模块内部程序执行流程图；
图4是本发明的系统工作时硬件和软件逻辑关系图；
图5是本发明的系统工作的流程图。
五、具体实施方式
如图1所示，本实施例的多通道集成压电扫查结构健康监测系统包括终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块，其中，终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块连接在统一的计算机总线上，各模块和终端处理器之间通过总线进行通讯；终端处理器模块将数字量形式的激励信号通过总线传送到压电任意激励波形产生模块，压电任意激励波形产生模块通过D/A转换将激励信号以模拟量形式输出至高频宽带功率放大模块，高频宽带功率放大模块将激励信号的功率提升后传输至多通道扫查切换模块，多通道扫查切换模块再将激励信号输入到外界压电激励-传感网络中的激励压电元件；外界压电激励-传感网络中激励压电元件产生的模拟量形式的响应信号通过多通道扫查切换模块传输至程控增益电荷放大器模块进行放大，放大后的响应信号经压电响应高速数据采集模块通过A/D转换成为数字量后再传输至终端处理器；终端处理器产生的通道控制信号通过总线传送到数字I/O模块，数字I/O模块根据通道控制信号产生的数字I/O信号控制多通道扫查切换模块工作；终端处理器产生的放大倍数控制信号通过总线传送到程控增益电荷放大器模块控制其放大倍数。
本实施例中，终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块集成在可防止电磁干扰的整体式铝合金散热外壳内。终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块可在市场上根据需求选取。如图2所示，程控增益电荷放大器模块中程控增益电荷放大器一共有四级：第一级是电荷放大级，第二级是程控放大级，兼高通有源滤波，第三级是低通有源滤波级，第四极是反相放大极。
本实施例中，整体式铝合金散热外壳内嵌有系统用户操作界面，该系统用户操作界面通过计算机总线与终端处理器进行通讯，以利于用户对本系统的操作和控制。
实现本实施例系统功能的软件模块逻辑关系以及各模块内部程序执行流程图如附图3所示，该软件系统除了具备基本的硬件管理功能，还可提供结构健康监测中常用信号特征提取方法和损伤判别方法的相应程序：傅立叶变换程序、小波变换程序、黄氏变换程序、神经网络损伤判别程序、模式识别损伤判别程序。由于该软件系统能够对系统硬件进行管理，并且自动完成信号特征提取和损伤判别，所以实现了该系统对结构的在线实时健康监测，具体说明如下：
(1)系统交互界面模块：这个模块是整个软件系统的主界面，所有需要设定的和监测相关的参数都是在这个见面上进行输入或选择，参数包括波形参数、放大器倍数、采集参数、系统工作方式，然后该模块再将这些参数送相应硬件模块或软件模块。采集到的响应信号和监测报告也都在这个模块里显示；
(2)任意主动激励信号产生模块：该模块产生主动激励信号的波形数据可以通过事先在系统交互界面模块中设定的相应波形参数包括幅值、频率、波峰数(这个参数是对5波峰正弦调制信号来说的)，直接生成波形数据，也可以将监测前编辑好的波形数据文本文件导入该模块中。最后该模块根据这些波形数据控制压电任意激励波形(信号)产生模块产生相应的激励信号；
(3)压电元件响应数据采集模块：监测前在系统交互界面模块中设定好采集数据的相关参数包括采样率、触发电平、采集点数、循环次数、采集量程，然后该模块通过这些参数控制压电响应高速数据采集模块完成数据信号的采集工作。采集到的数据信号被自动存储到系统存储介质上；
(4)系统数字I/O控制模块：该模块根据监测前在系统交互界面模块中设定的激励-网络工作方式产生相应的I/O控制信号并输入到数字I/O模块令其产生I/O信号，多通道扫查切换模块根据这个I/O信号进行通道切换工作。系统的工作方式可以分为单通道测试和多通道扫查切换两种，其中多通道扫查方式又分为建立结构健康数据库和健康监测两种。在对结构正式健康监测之前系统需要收集结构在没有任何损伤时的状态数据。在对结构正式健康监测时，将获得的当前结构状态特征与结构健康时的状态特征比较，以此判断结构的损伤状况。当系统被设定为单通道工作方式时，只需要输入对应的激励通道和传感通道的号码就可以工作了；当系统被设定为多通道扫查切换工作方式时，只需要事先在文本文件中规定各通道的导通时序就可以工作了；
(5)系统增益调整模块：根据实际采集到的数据信号的大小在程序中设定电荷放大器放大倍数，这个放大倍数被转换成相应的控制信号控制程控增益电荷放大器模块调整增益以适合压电响应高速数据采集模块的采集量程；
(6)结构响应特征提取模块：该模块自动的对采集到的数据信号调用傅立叶变换，小波变换以及黄氏便换函数提取结构响应的时域、频域、时频域特征。这些特征包括压电响应信号的峰值、能量、飞行时间、中心频率、黄氏变换瞬时频率、边际谱能量，小波细节信号能量；
(7)结构损伤判别模块：该模块自动的根据结构响应的时域、频域、时频域特征调用神经网络函数和模式识别函数进行结构损伤判别，给出结构是否损伤，损伤程度及损伤位置的损伤报告。
本实施例的多通道压电扫查结构健康监系统工作时硬件和软件逻辑关系如图4所示。
如图5所示，本实施例的系统在工作时的具体流程如下：
(1)将压电激励-传感网络的信号引出线与系统硬件连接；
(2)系统用户操作界面里显示的是系统交互式界面模块：在模块中设置激励波形的波形参数或者直接使用预先准备好的激励波形数据；设置放大器的放大倍数；设置采集参数；设置系统工作方式；
(3)终端处理器将各参数送对应模块；
(4)任意主动激励信号产生模块、压电元件响应数据采集模块、系统增益调整模块、系统数字I/O控制模块根据系统交互式界面模块中设置的参数产生波形数据、采集参数、放大倍数控制参数、I/O控制信号；
(5)终端处理器将以上各软件产生的控制信号和数据送相应的硬件；
(6)压电任意激励波形(信号)产生模块根据波形数据输出激励信号；压电响应高速数据采集模块根据采集参数准备采集响应信号，等待压电激励-传感通道打开；程控增益电荷放大器模块根据放大器控制信号控制放大器倍数；数字I/O模块根据I/O控制信号产生I/O信号；
(7)高频宽带功率放大模块提升激励信号功率并送多通道扫查切换模块，等待压电激励-传感通道打开；
(8)多通道扫查切换模块根据I/O信号打开相应激励-传感通道并输入激励信号到激励压电元件；压电响应高速数据采集模块开始采集传感压电元件的响应信号；
(9)判断扫查是否完毕。如果没有完毕，就再转数字I/O模块产生I/O信号，继续进行本轮扫查。如果扫查完毕，终端处理器将响应数据送结构特征提取模块；
(10)结构响应特征提取模块根据采集到的响应调用相应函数提取其特征参数；
(11)结构损伤判别模块根据特征参数判别损伤状态并生成损伤报告；
(12)系统可以在线实时的监测结构的健康情况，如果停止监测，则系统停止运行扫查过程，监测工作结束，如果不停止就继续进行下轮扫查过程。
Claims (3)
1、一种多通道集成压电扫查结构健康监测系统，其特征在于，包括终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块，其中，终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块连接在统一的计算机总线上，各模块和终端处理器之间通过总线进行通讯；终端处理器将数字量形式的激励信号通过总线传送到压电任意激励波形产生模块，压电任意激励波形产生模块通过D/A转换将激励信号以模拟量形式输出至高频宽带功率放大模块，高频宽带功率放大模块将激励信号的功率提升后传输至多通道扫查切换模块，多通道扫查切换模块再将激励信号输入到外界压电激励-传感网络中的激励压电元件；外界压电激励-传感网络中激励压电元件产生的模拟量形式的响应信号通过多通道扫查切换模块传输至程控增益电荷放大器模块进行放大，放大后的响应信号经压电响应高速数据采集模块通过A/D转换成为数字量后再传输至终端处理器；终端处理器产生的通道控制信号通过总线传送到数字I/O模块，数字I/O模块根据通道控制信号产生的数字I/O信号控制多通道扫查切换模块工作；终端处理器产生的放大倍数控制信号通过总线传送到程控增益电荷放大器模块控制其放大倍数。
2、如权利要求1所述的多通道集成压电扫查结构健康监测系统，其特征在于，终端处理器、压电任意激励波形产生模块、压电响应高速数据采集模块、数字I/O模块、程控增益电荷放大器模块、多通道扫查切换模块和高频宽带功率放大模块集成在可防止电磁干扰的整体式铝合金散热外壳内。
3、如权利要求2所述的多通道集成压电扫查结构健康监测系统，其特征在于，整体式铝合金散热外壳内嵌有系统用户操作界面，该系统用户操作界面通过计算机总线与终端处理器进行通讯。
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| DISP系统在结构健康监测中的应用. 徐颖娣，袁慎芳，彭鸽.测控技术，第23卷第9期. 2004 * |
| 面向结构健康监测的集成软件系统的研究. 施益峰.南京航空航天大学硕士学位论文. 2005 |
| 面向结构健康监测的集成软件系统的研究. 施益峰.南京航空航天大学硕士学位论文. 2005 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102156171A (zh) * | 2011-03-28 | 2011-08-17 | 南京航空航天大学 | 应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器 |
| CN102156171B (zh) * | 2011-03-28 | 2013-04-24 | 南京航空航天大学 | 应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100998521A (zh) | 2007-07-18 |
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