CN107124202A - 一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法。装置包括传感器数据处理模块、信号驱动电路、激发换能器、金属薄板件、接收换能器、信号处理电路和上位机；本发明效果：以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，能够以无线的方式进行单工通信，可在电磁屏蔽场合使用，降低了传统金属结构健康监测传感器系统的布线及维护成本，提高了系统的稳定性。压电陶瓷换能器作为主要组成部分，换能效率高，体积小，成本低。以属于超声导波的兰姆波作为信号载体，因此能量衰减小传递效率高，可以在远距离进行传输。
Description
技术领域
本发明属于超声波数据通信技术领域，特别是涉及一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法。
背景技术
金属板形构件，尤其是厚度在8mm以下的金属薄板件，无论是在航空航天、汽车、船舶领域，还是在压力容器、大型化工容器方面均有广泛的应用。由于金属板状构件在生产过程中与使用过程中会产生损伤与破坏，从而对其结构的安全性构成了极大威胁。通过结构健康监测技术进行在线、实时有效的监测，从而及时发现这些材料中的疲劳与损伤对于预防事故的发生是非常重要的。
结构健康监测技术需要利用集成或贴附于结构上的传感系统，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，并结合信号信息处理方法提取特征参数，实现结构健康诊断，以保证结构安全和降低维修费用。一个完整的传感系统需要利用数据线进行数据传输，不仅具有昂贵的通信供电电缆的安装和维护费用，而且其整体系统稳定性与鲁棒性也受到电缆的限制。
结构健康监测系统在应用中不需要传输大量的数据，只需要将监测结果与上位机进行通信，数据量一般在kbps量级。目前无线通信技术已经比较成熟，在空气中大多数技术都是基于电磁波，在需要进行电磁屏蔽的场合难易适用，且还要在传感系统中单独加入通信系统，增加系统的体积与重量。
发明内容
为了解决上述问题，基于现有技术中所存在的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法，用于解决现有技术中金属薄板件健康监测传感器在电磁屏蔽场合利用电缆进行单工通信的问题，以提供一种更稳定、装置更简单的无线数据通信技术。
为了达到上述目的，本发明提供的基于兰姆波的无线通信装置包括传感器数据处理模块、信号驱动电路、压电激发换能器、金属薄板件、压电接收换能器、信号处理电路、上位机；其中激发换能器和接收换能器间隔设置在金属薄板件的表面，并且上端面设有上电极和下电极；传感器数据处理模块的输出端与信号驱动电路的输入端相连且共地；信号驱动电路的输出端与接地端分别与激发换能器的上电极和下电极用导线连接；接收换能器的上电极和下电极分别与信号处理电路的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路的输出端连接主机。
所述的激发换能器和接收换能器形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。
所述的上电极和下电极选用银电极或铜电极。
所述的金属薄板件采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。
所述的信号驱动电路由第一DSP核心系统电路、第一DSP芯片、DAC转换电路、重构滤波电路、功率放大电路组成；其中第一DSP芯片同时与第一DSP核心系统电路、DAC转换电路以及传感器数据处理模块相连接；DAC转换电路依次通过重构滤波电路、功率放大电路与激发换能器相连接。
所述的信号处理电路由电荷放大电路、电压放大电路、滤波电路、ADC转换电路、DSP芯片、DSP核心系统电路组成；其中电荷放大电路与接收换能器相连接，同时依次通过电压放大电路、滤波电路、ADC转换电路、第二DSP芯片与上位机相连接，而第二DSP芯片还同时与第二DSP核心系统电路相连接。
所述的换能器采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件的表面。
本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置的无线单工通信方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)首先启动基于兰姆波的无线单工通信装置，利用集成或贴附于待进行健康监测的结构上的传感器数据处理模块实时对该结构的健康状况进行监测，并将监测信号进行处理，以提取出特征值，然后传输给信号驱动电路；
2)信号驱动电路对接收到的信号进行编码及调制，然后输出电压激励信号给激发换能器；
3)激发换能器收到上述电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件中，以激发金属薄板件中的兰姆波；
4)上述兰姆波将沿着金属薄板件的板面方向传播，金属薄板件上远处设置的接收换能器将携带有调制信号的兰姆波机械振动转换成具有电势差的压电信号并输出给信号处理电路；
5)信号处理电路将上述压电交流信号进行解调与信道解码，并将结果传输给上位机进行监视。
本发明提供的基于兰姆波的无线输出传输装置和方法具有以下有益效果：
(1)本发明以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，以金属薄板为传输媒介，能够以无线的方式进行单工通信，为金属薄板件上的结构健康监测传感器的数据结果提供通讯功能。
(2)本发明降低了传统传感器系统的数据传输布线及维护成本，摆脱了传统的电磁信号传输方法，可以适用于更多的场合，提高了系统的稳定性。
(3)本发明以压电陶瓷换能器作为主要组成部分，换能效率高，体积小，成本低。
(4)本发明以属于超声导波的兰姆波作为信号载体，因为兰姆波的能量衰减小传递效率高，因此该方法能够传输的距离较远。
附图说明
图1是本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置结构示意图；
图2是本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中激发换能器和接收换能器结构示意图；
图3是本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中信号驱动电路的结构示意图；
图4是本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中信号处理电路的结构示意图；
图5是本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功能。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了使本领域技术人员能够更好地理解本发明中的技术方案，这里对下面将要涉及的技术予以解释说明。
基于现有技术中所存在的缺陷与不足，本发明提出一种基于超声兰姆波的无线单工通信装置和方法，兰姆波是薄板材料中的超声导波，在数据传输方面，兰姆波的优势在于能量衰减小，适合于长距离的传输。
如图1-2所示，本发明提供的基于兰姆波的无线单工通信装置包括传感器数据处理模块1、信号驱动电路2、激发换能器3、金属薄板件4、接收换能器5、信号处理电路6和上位机7；其中激发换能器3和接收换能器5间隔设置在金属薄板件4的表面，并且上端面设有上电极8和下电极9；传感器数据处理模块1集成或贴附于待进行健康监测的结构上，输出端连接信号驱动电路2；信号驱动电路2的输出端与接地端分别与激发换能器3的上电极8和下电极9用导线连接；接收换能器5的上电极8和下电极9分别与信号处理电路6的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路6的输出端连接上位机7。
所述的激发换能器3和接收换能器5形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。
所述的激发换能器3采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器。PZT-4材料具有较低的机械损耗和介电损耗、较大的交流退极化场，并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励使用。而PZT-8材料具有比PZT-4材料更低的机械损耗和介电损耗，介电常数、机械耦合系数、压电常数也比PZT-4材料的稍低，然而抗张强度和稳定性均优于PZT-4材料，也适合于高机械振幅的激励。
所述的接收换能器5采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。PZT-5材料具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有优异的时间稳定性和温度稳定性，因此对低功率共振和非共振场合都很适合。
所述的上电极8和下电极9选用银电极或铜电极。银电极与铜电极的参数差别不大，但因为银分子更为活泼，渗透力更强，其静电容量更大，因此可以优先选用银电极。
所述的金属薄板件4采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。
如图3所示，所述的信号驱动电路2由第一DSP核心系统电路2-1、第一DSP芯片2-2、DAC转换电路2-3、重构滤波电路2-4、功率放大电路2-5组成；其中第一DSP芯片2-2同时与第一DSP核心系统电路2-1、DAC转换电路2-3以及传感器数据处理模块1相连接；DAC转换电路2-3依次通过重构滤波电路2-4、功率放大电路2-5与激发换能器3相连接。信号驱动电路2的主要功能是将传感器数据处理模块1输出的信号利用第一DSP芯片2-2进行编码。但第一DSP芯片2-2无法独立工作，其需要第一DSP核心系统电路2-1的支持，包括复位电路、时钟电路、电源电路等。第一DSP芯片2-2编码得到的信号是以数字量存在的，首先需要经过DAC转换电路2-3将它转为模拟信号值。但数模转换以后的波形仍然是离散的，因此需要经过重构滤波电路2-4对离散信号进行调理，使输出波形更接近理想的信号。但是这时的信号电压较低、能提供的电流较小，带负载能力是比较弱的，不足以驱动激发换能器3，因此需要功率放大电路2-5将信号功率放大，以增加电路的驱动能力。
如图4所示，所述的信号处理电路6由电荷放大电路6-1、电压放大电路6-2、滤波电路6-3、ADC转换电路6-4、第二DSP芯片6-5、第二DSP第二核心系统电路6-6组成；其中电荷放大电路6-1与接收换能器5相连接，同时依次通过电压放大电路6-2、滤波电路6-3、ADC转换电路6-4、第二DSP芯片6-5与上位机7相连接，而第二DSP芯片6-5还同时与第二DSP核心系统电路6-6相连接。信号处理电路6的主要功能是将接收换能器5接收到的电荷信号利用电荷放大电路6-1转为电压信号，再将电压信号经过电压放大电路6-3及滤波电路6-3进行放大、滤波，然后输出信噪比较高的信号并通过ADC转换电路6-4进行模数转换，之后将数字信号输入第二DSP芯片6-5中进行解码，但第二DSP芯片6-5无法独立工作，其需要第二DSP核心系统电路6-6的支持，包括复位电路、时钟电路、电源电路等，第二DSP芯片6-5编码得到的信号最后传输给上位机7。
所述的激发换能器3和接收换能器5采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件4的表面，目的是减少换能器与金属薄板件4之间的空气间隙，提高耦合效率。其中医用超声耦合剂的黏度较大，安装时将医用超声耦合剂涂抹在金属薄板件4的表面，随后压紧换能器以挤压出多余的医用超声耦合剂。甘油的流动性更强，因此涂抹要求低，但是黏性低，对换能器无固定作用，且容易造成换能器的滑动，因此可以搭配磁铁吸座来固定换能器以增加压力。
如图5所示，采用上述基于兰姆波的无线单工通信装置的无线单工通信方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)首先启动基于兰姆波的无线单工通信装置，利用集成或贴附于待进行健康监测的结构上的传感器数据处理模块1实时对该结构的健康状况进行监测，并将监测信号进行处理，以提取出特征值，然后传输给信号驱动电路2；
2)信号驱动电路2对接收到的信号进行编码及调制，然后输出电压激励信号给激发换能器3；
3)激发换能器3收到上述电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件4中，以激发金属薄板件中的兰姆波；
4)上述兰姆波将沿着金属薄板件4的板面方向传播，金属薄板件4上远处设置的接收换能器5将携带有调制信号的兰姆波机械振动转换成具有电势差的压电信号并输出给信号处理电路6；
5)信号处理电路6将上述压电交流信号进行解调与信道解码，并将结果传输给上位机7进行监视。
所述的兰姆波在金属薄板件4中遵循瑞利-兰姆方程进行传播：
式中：ω为角频率，cL为纵波波速，cT为横波波速，k为沿水平方向的波数，h为金属薄板件4厚度的一半。
另外，激发换能器3和接收换能器5的尺寸选择与谐振频率相关，需要先选择信号传递使用的频率，本发明优选频率为10KHz-1MHz。通常金属薄板件4越厚频率选择越低，因为金属薄板件4厚度增加或频率增加将使兰姆波的群速度增加，群速度太快对于接收换能器5的接收准确率有影响。需要注意的是，谐振频率尽量与金属薄板件4、周边结构的谐振频率错开，因为如果与金属薄板件4谐振，容易引起宏观上的振动，对于结构的稳定性有影响。
总的来说，结合上述优选方式，系统的数据传输速度与误码率成正比，速度越高误码率越高。如要提高速度或准确性，可以通过优化编码解码算法或针对兰姆波的特点进行模态分解，这需要通过科学实验的对比分析，才能调试到装置达到最佳工作状态。除此之外，还可以通过较为先进的压电换能材料或形式达到更高的效率，比如选取新型的高压电系数复合材料等提高激发效率，但会提高整个装置的成本。
上述说明仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的基于兰姆波的无线单工通信装置包括传感器数据处理模块(1)、信号驱动电路(2)、激发换能器(3)、金属薄板件(4)、接收换能器(5)、信号处理电路(6)和上位机(7)；其中激发换能器(3)和接收换能器(5)间隔设置在金属薄板件(4)的表面，并且上端面均设有上电极(8)和下电极(9)；传感器数据处理模块(1)集成或贴附于待进行健康监测的结构上，输出端连接信号驱动电路(2)；信号驱动电路(2)的输出端与接地端分别与激发换能器(3)的上电极(8)和下电极(9)用导线连接；接收换能器(5)的上电极(8)和下电极(9)分别与信号处理电路(6)的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路(6)的输出端连接上位机(7)。
2.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的激发换能器(3)和接收换能器(5)形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。
3.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的激发换能器(3)采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器；所述的接收换能器(5)采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。
4.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的上电极(8)和下电极(9)选用银电极和铜电极。
5.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的金属薄板件(4)采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。
6.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的信号驱动电路(2)由第一DSP核心系统电路(2-1)、第一DSP芯片(2-2)、DAC转换电路(2-3)、重构滤波电路(2-4)、功率放大电路(2-5)组成；其中第一DSP芯片(2-2)同时与第一DSP核心系统电路(2-1)、DAC转换电路(2-3)以及传感器数据处理模块(1)相连接；DAC转换电路(2-3)依次通过重构滤波电路(2-4)、功率放大电路(2-5)与激发换能器(3)相连接。
7.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的信号处理电路(6)由电荷放大电路(6-1)、电压放大电路(6-2)、滤波电路(6-3)、ADC转换电路(6-4)、DSP芯片(6-5)、DSP核心系统电路(6-6)组成；其中电荷放大电路(6-1)与接收换能器(5)相连接，同时依次通过电压放大电路(6-2)、滤波电路(6-3)、ADC转换电路(6-4)、第二DSP芯片(6-5)与上位机(7)相连接，而第二DSP芯片(6-5)还同时与第二DSP核心系统电路(6-6)相连接。
8.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的激发换能器(3)和接收换能器(5)采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件(4)的表面。
9.一种采用如权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置的无线单工通信方法，其特征在于：所述的无线单工通信方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)首先启动基于兰姆波的无线单工通信装置，利用集成或贴附于待进行健康监测的结构上的传感器数据处理模块(1)实时对该结构的健康状况进行监测，并将监测信号进行处理，以提取出特征值，然后传输给信号驱动电路(2)；
2)信号驱动电路(2)对接收到的信号进行编码及调制，然后输出电压激励信号给激发换能器(3)；
3)激发换能器(3)收到上述电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件(4)中，以激发金属薄板件中的兰姆波；
4)上述兰姆波将沿着金属薄板件(4)的板面方向传播，金属薄板件(4)上远处设置的接收换能器(5)将携带有调制信号的兰姆波机械振动转换成具有电势差的压电信号并输出给信号处理电路(6)；
5)信号处理电路(6)将上述压电交流信号进行解调与信道解码，并将结果传输给上位机(7)进行监视。
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Patent Citations (3)
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