CN116520029B - 集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法，包括：容值测试单元用于通过生成阶跃信号为待测压电片充电，采用比较器确定跳变时刻，以得到待测压电片的自由电容值；频率测试单元用于通过生成不同频率的正弦波信号为待测压电片充电，采用比较器根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率检测谐振频率；主被动监测模块用于获取主动模式和被动模式下的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输；主控模块用于将自诊断结果和数字响应信号传输至导波主机。将压电片的响应信号通过数字信号与导波主机连接，在压电传感智能层上集主动损伤扫查与被动冲击损伤监测于一体，同时还实现对压电片状态的自诊断。

Description

集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，特别是涉及一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传感智能层是集成压电陶瓷传感器的柔性材料，在铜箔上蚀刻出设计需要的线路，利用表面封装技术装配多个压电元件，并将压电元件的引脚通过统一的接口引出，形成压电智能层。较多个单片式传感器而言，减少了线缆数量、提高了传感器布置效率和精度、可针对不同结构定制化设计，满足不同形状结构的监测需求。

如图1所示，传统的压电传感智能层将压电片的引线连接到接口处，并未对信号进行任何处理，智能层仅起到导线的作用，然后通过多芯线缆将智能层的接口与超声导波主机连接。主机发出约300kHz的高频高压超声信号，施加到激励压电片上，激励压电片会在结构中激发超声导波，接收压电片将超声导波转换成模拟弱电压信号，通过多芯线缆将模拟信号传递给导波主机，导波主机对信号进行放大、滤波等处理，进而判断结构是否发生损伤。

传统的模拟式压电传感智能层具有以下缺点：

(1)智能层输出的超声响应信号是模拟信号，幅值很弱，在传输给导波主机的过程中，极易受到外界环境的噪声干扰；同时在传输过程中，因为线缆电阻的存在，会导致信号幅值衰减，增加了损伤定位的难度。

(2)智能层在粘贴前与粘贴后均无法知道智能层上每个压电片是否是正常的；若想确认粘贴前后压电片是否正常，只能使用专用的阻抗测试仪，或连接导波主机测试信号波形。然而，在现场使用阻抗测试仪存在供电困难、操作不便等困难；若使用导波主机测试，需要导波主机根据超声响应信号的幅值判断粘贴效果，然而在线缆过长、环境噪声大等情况下，超声响应信号衰减会很大且极易被淹没在噪声中。因此通过信号幅值等参数的判断结果不一定是准确的。

(3)主机产生高压激励信号，在智能层与主机之间的线缆中传播时，会通过线芯之间的耦合作用，在各个响应压电片的线芯上产生高幅值的串扰信号，且线缆长度越长，串扰信号幅值越高。如图2所示为使用300kHz激励信号，不同线缆长度下得到的超声响应信号。因为串扰信号幅值会比有效信号幅值更高，为防止后级的运放输出饱和，因此无法对响应信号进行更大倍数的放大，影响损伤识别效果。

(4)激励超声信号的发出时间与响应超声信号的获取时间的差，定义为飞行时间，是判断结构是否出现损伤的重要参数。因为传统智能层的信号只能通过线缆传输到主机上才能判断信号的产生时间，因此无法知道准确的超声信号的飞行时间，只能根据主机获取信号的时间来代替准确的飞行时间，因线缆传输和主机信号处理产生会产生飞行时间的误差。

(5)为实现结构损伤的识别，每个智能层上的压电片数量是不确定的，因此线缆的芯数是不固定的，针对不同数量压电片的智能层需要定制线缆，当压电片数量较多时，会造成线缆直径大、重量轻、系统成本高。

此外，现有的一种传感智能层(申请号：CN201711287418.5)，虽然能够在智能层中将模拟信号转换成数字信号，但该智能层只能实现冲击损伤的被动监测，无法实现损伤的主动扫查识别，也无法实现主动扫查、被动监测的切换，同时不具备压电片状态的自诊断功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法，传感智能层上集主动损伤扫查与被动冲击损伤监测于一体，并在智能层中将压电片的模拟响应信号转换成数字信号传输给导波主机，同时还实现对压电片状态的自诊断。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，包括：压电片自诊断模块、主被动监测模块和主控模块；

所述压电片自诊断模块包括：

容值测试单元，用于通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试单元，用于通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率来检测谐振频率；

所述主被动监测模块，用于切换智能层主动损伤扫查和被动冲击监测的工作状态，获取主动模式和被动模式下压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号后进行传输；

所述主控模块，用于将压电片自诊断结果和数字响应信号传输至外部导波主机。

作为可选择的实施方式，所述数字式自诊断传感智能层还包括N个压电片，以及与压电片连接的N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关，以在不同模式下切换至对应的通路；

其中，在压电片自诊断模式下，N选1激励选择器和N路开关均断开，N选1采集选择器根据待测压电片序号闭合对应的开关通道，以对待测压电片进行容值测试和频率测试；

在主动模式下，N路开关均断开，根据发出激励的激励压电片序号，闭合N选1激励选择器中对应的开关通道，根据接收响应的接收压电片序号，闭合N选1采集选择器中对应的开关通道，以获取主动模式下压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号；

在被动模式下，N选1激励选择器和N选1采集选择器均断开，N路开关均闭合，以获取被动模式下压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号。

作为可选择的实施方式，所述数字式自诊断传感智能层还包括与电脑连接的USB接口和与外部导波主机连接的主机接口。

作为可选择的实施方式，所述数字式自诊断传感智能层具备电源切换功能，用于在电脑和外部导波主机同时供电时，切换为外部导波主机供电。

作为可选择的实施方式，所述容值测试单元包括阶跃信号生成器、第一电阻和第一比较器；所述阶跃信号生成器与第一电阻串联后连接在压电片的两端，第一参考电压和压电片两端的电压作为比较器的输入；

所述待测压电片的自由电容值为：

其中，v为待测压电片两端的电压，U为阶跃信号的幅值，t为施加阶跃信号后的时间，R2为已知的第一电阻值，C0为压电片静态电容，C1为压电片动态电容，C0+C1为自由电容值。

作为可选择的实施方式，所述频率测试单元包括正弦信号生成器、第二电阻、运算放大器和第二比较器；所述正弦信号生成器和电阻串联后连接在压电片的两端，运算放大器并联在第二电阻的两端，运算放大器的输出和第二参考电压为第二比较器的输入，通过运算放大器测试第二电阻两端电流的变化，并输出变化电压。

作为可选择的实施方式，所述压电片自诊断模块还包括粘贴效果检测单元，用于由任一压电片激励超声信号，采集其他接收压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号，比较不同距离下接收压电片数字响应信号的幅值，来判断是否存在异常压电片，若异常压电片的自由电容值和谐振频率均在规定范围内，则压电片的粘贴效果有误。

作为可选择的实施方式，所述主被动监测模块中：

在主动模式下，由激励压电片发出超声激励信号，并获取接收压电片的模拟响应信号，将模拟响应信号转换为数字响应信号后进行传输，以进行主动损伤扫查；

在被动模式下，获取压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟响应信号，并将模拟响应信号转换成数字响应信号进行传输，以进行被动冲击监测。

作为可选择的实施方式，所述主被动监测模块还包括激励到达时间检测单元，用于在主动模式下确定激励信号到达时刻；具体地，对发出的激励信号进行分压，将分压后的电压与第三参考电压采用比较器进行比较，根据比较后得到的高低电平的时间和激励信号的频率，确定激励信号到达时刻。

第二方面，本发明提供一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层的工作方法，包括：

将N个压电片与N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关进行连接，以在不同模式下切换至对应的通路；

在压电片自诊断模式下，N选1激励选择器和N路开关均断开，N选1采集选择器根据待测压电片序号闭合对应的开关通道，以对待测压电片进行容值测试、频率测试和粘贴效果检测；其中：

容值测试包括：通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试包括：通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率检测谐振频率；

粘贴效果检测包括：由任一压电片激励超声信号，采集其他接收压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号，比较不同距离下接收压电片数字响应信号的幅值，来判断是否存在异常压电片，若异常压电片的自由电容值和谐振频率均在规定范围内，则压电片的粘贴效果有误；

在主动模式下，N路开关均断开，根据发出激励和接收响应的压电片序号，闭合N选1激励选择器和N选1采集选择器中对应的开关通道，以获取对应压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输；

在被动模式下，N选1激励选择器和N选1采集选择器均断开，N路开关均闭合，以获取压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层及方法，将压电片的响应信号转换成数字信号与导波主机连接，增加信号的抗干扰能力，避免信号在传输过程中的衰减，避免因长线带来的强串扰信号，以及在压电传感智能层上集主动损伤扫查与被动冲击监测于一体，同时还实现对压电片状态的自诊断。

针对超声导波响应信号中含有大幅值串扰，易受到环境干扰且幅值衰减大的问题，本发明传输的是数字响应信号，相较于传统的模拟信号，有效提高了信号的抗干扰能力，避免出现信号幅值衰减，即使信号上叠加串扰信号，也不会影响信号的幅值，以能够更准确的进行压电片状态自诊断和结构损伤的识别。

针对无法判断压电片粘贴前后的质量问题，本发明改进的智能层集成压电片自由电容测试、谐振频率测试等功能，且智能层可直接通过USB接入电脑，实现在粘贴前和粘贴后对智能层上所有压电片性能的自诊断，及时发现并解决粘贴前后出现的问题。

针对传统导波系统飞行时间获取不准确的问题，本发明设计激励到达时间检测单元，根据比较器输出电平变化时刻推算激励信号到达时间，避免使用高采样率的采样芯片，降低系统成本和功耗，同时能够更准确的得到超声信号飞行时间，有助于提高损伤的识别效果。

针对传统智能层的线芯数量不固定问题，本发明改进智能层上采用统一接口，线缆的线芯数量是固定的，节约线缆成本，减少线缆种类，方便物料统一管理。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为传统模拟式压电传感智能层示意图；

图2为传统模拟式压电传感智能层串扰与有效信号对比图；

图3为本发明实施例1提供的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层框图；

图4为本发明实施例1提供的数字式自诊断传感智能层工作模式设置示意图；

图5为本发明实施例1提供的电源自动切换原理图；

图6为本发明实施例1提供的压电片等效电路示意图；

图7为本发明实施例1提供的三合一功能接口电路示意图；

图8为本发明实施例1提供的容值测试单元等效电路示意图；

图9为本发明实施例1提供的充电时间仿真结果图；

图10为本发明实施例1提供的改变容值后的容值测试单元等效电路示意图；

图11为本发明实施例1提供的改变容值后的充电时间仿真结果图；

图12为本发明实施例1提供的频率测试单元等效电路示意图；

图13(a)-图13(b)为本发明实施例1提供的R3电流与V2频率的幅频和相频曲线图；

图14为本发明实施例1提供的压电片的谐振频率和反谐振频率趋势图；

图15为本发明实施例1提供的激励到达时间检测单元等效电路示意图；

图16为本发明实施例1提供的激励到达时间检测单元仿真结果图；

图17为本发明实施例1提供的激励信号波形图；

图18为本发明实施例1提供的衰减后的激励信号波形图；

图19为本发明实施例1提供的比较器U6输出跳变时间点的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提出一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，包括：压电片自诊断模块、主被动监测模块和主控模块；

所述压电片自诊断模块包括：

容值测试单元，用于通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容的充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试单元，用于通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率来检测谐振频率；

所述主被动监测模块，用于切换智能层主动损伤扫查和被动冲击监测的工作状态，获取主动模式和被动模式下压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号后进行传输；

所述主控模块，用于将压电片自诊断结果和数字响应信号传输至外部导波主机。

在本实施例中，所述主动模式为主动损伤扫查，所述被动模式为被动冲击监测，根据使用需要，该传感智能层可任意选择压电片自诊断、主动损伤扫查与被动冲击监测三种工作模式。

如图3-图4所示，传感智能层包括N个压电片(PZT)，所述压电片通过N选1激励选择器S1接入超声激励，通过S1可以选择某个压电片接收由导波主机发出的超声激励，以使其在结构中激发超声导波；所述压电片通过N选1采集选择器S2连接三合一功能接口，其中三合一功能接口用于接入容值测试、频率测试和主动信号调理模式；通过N路开关S3接入被动冲击监测模式；通过N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关的配合，在不同工作模式下切换至不同的通路，使智能层可以同时实现主动损伤扫查与被动冲击监测功能，且能够实现对压电片状态的自诊断。

具体地：

当工作在压电片自诊断模式时，S1和S3的所有开关通道均断开，S2开关根据待测压电片的序号，闭合对应的开关通道，即将待测压电片与三合一功能接口连接，通过容值测试和频率测试对压电片的状态进行检测，并由主控单片机将压电片自诊断结果通过485通信传输给导波主机。

当工作在主动损伤扫查模式时，S3的所有开关通道均断开，根据接入超声激励的激励压电片的序号，闭合S1中对应的开关通道，根据接收响应的接收压电片的序号，闭合S2中对应的开关通道，如PZT1激励超声信号，PZT2接收超声响应信号时，那么S1中的第一通道闭合，而S2中第二通道闭合；

同时，接收压电片的超声响应信号通过三合一功能接口接入主动信号调理电路，以用于对模拟的超声响应信号进行放大、滤波和模数转换的操作，最后由主控单片机将数字响应信号通过485通信传输给导波主机。

当工作在被动冲击监测模式时，S1和S2的所有开关通道均断开，S3的所有开关通道全部闭合，待结构出现冲击事件时，采集所有压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟超声响应信号，并对其进行放大、滤波和模数转换的操作后，由主控单片机将数字响应信号通过485通信传输给导波主机。

如图3所示，本实施例的传感智能层的对外接口有两个，分别为与电脑连接的USB接口和与导波主机连接的主机接口；其中，USB接口为标准接口，能够给传感智能层提供5V/500mA的供电，同时实现传感智能层与电脑的通信；主机接口为多芯线缆(本实施例以5芯线缆为例)，包括高压供电、485差分通信、超声激励及地信号等；而传统智能层仅有与导波主机的接口，且线缆的芯数由智能层中的压电片数量决定。

在本实施例中，设计电源自切换电路，能够同时兼容检测导波主机与电脑USB供电，并实现供电的自动切换；智能层由导波主机提供高压直流或电脑提供5V供电，并利用电源切换功能实现在两个电源同时供电时，由高压直流供电，减少线缆中的电流，降低系统能量损耗。如图5所示为常用的电源自动切换原理图，当外部直流110V和直流5V同时给负载RL供电时，由110V提供系统电源。

在本实施例中，所述压电片自诊断模块包括容值测试单元和频率测试单元，容值测试和频率测试可直接通过USB供电实现；本实施例通过对压电片的性能参数进行测试，确定压电片的等效电路，如图6所示，其中C0为压电片的静态电容，C1为动态电容，R1为动态电阻，L1为动态电感，自由电容值由C0和C1求和得到，即万用表测试压电片的电容值，压电片的谐振频率为265.4.8kHz，反谐振频率为305.938kHz。

为实现压电片不同工作状态间的切换，并尽可能减少电路的元件数量，本实施例设计三合一功能接口，如图7所示，同时实现对压电片的自由电容值检测、谐振频率检测以及模拟信号的调理功能；其中，区域1为压电片的等效电路，区域2为容值测试单元，区域3为频率测试单元；通过设计相关电路，使智能层实现对压电片的自由电容、谐振频率和粘贴效果的测试，综合判断压电片的状态，保障压电片性能诊断的准确性。

在本实施例中，所述容值测试单元包括：阶跃信号生成器V1、电阻R2和比较器U2；所述阶跃信号生成器V1与电阻R2串联后连接在压电片的两端，同时，第一参考电压REF1和压电片两端的电压作为比较器U2的输入，比较器的输出连接MCU。当测试压电片的自由电容值时，区域3的输入阻抗相对于压电片等效电路的阻抗而言是断路，因此，容值测试单元的等效电路如图8所示。

通过控制V1输出给定幅值U的阶跃信号，因R2阻值较大，压电片两端的电压会缓慢上升，当经过一断时间后，电压会变成最大值，如图9所示。为验证不同容值下的效果，将C0的值增加1nF，如图10所示，仿真结果如图11所示。

在图7和图8中，V1是3.3V的阶跃信号，将其通过电阻R2施加到压电片两端时，压电片两端的电压v是随着时间t逐渐增加的，即图9中的缓慢增长的曲线，该曲线的公式即为：

设置第一参考电压REF1(比如2V)，当压电片两端的电压没有增长到超过2V前，U2的输出是高电平，当电压值超过2V后，比较器的输出是低电平；比如在施加电压后的98.8μs后，压电片两端的电压超过2V，此时比较器的输出从高变成低，由此确定该跳变时刻；对于智能层的单片机而言，从阶跃信号产生到比较器输出变化的这个时间是可以得到的(即98.8μs)，第一参考电压2V也是已知的，将这些参数代入公式中(R2是定值100kΩ，U是阶跃信号的幅值3.3V，t是得到的跳变时刻98.8μs，v是代表比较器跳变时刻下的压电片的电压值，是与第一参考电压REF1一样的，是2V)，由此便可以求出自由电容值(C0+C1)的值，从而判断压电片的自由电容值是否是正常的，在正常情况下，压电片的自由电容值的范围为标称值的±20％。

在本实施例中，所述频率测试单元包括正弦信号生成器V2、电阻R3、运算放大器U3和比较器U1；所述正弦信号生成器V2和电阻R3串联后连接在压电片的两端，运算放大器U3并联在电阻R3的两端，运算放大器U3的输出和第二参考电压REF2为比较器U1的输入，比较器U1的输出连接MCU。

当测试压电片的谐振频率和反谐振频率时，区域2的输入阻抗相对于压电片等效电路的阻抗而言是短路，因此，频率测试单元的等效电路如图12所示。正弦信号生成器V2提供幅值固定的正弦波，使用交流仿真测试V2在不同输入频率下，电阻R3两端的电流值，其幅频与相频曲线如图13(a)-图13(b)所示，可以看到，R3的电流在谐振频率点幅值最大，在反谐振频率点的幅值最小，这与仪器测试的压电片的等效阻抗曲线是对应的。

因此，为测试压电片的谐振频率和反谐振频率，驱动正弦信号生成器V2(如DDS芯片)输出不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过运算放大器U3测试电阻R3两端电流的变化，并输出变化电压。R3两端的电流在在谐振频率时，输出电流最大，即阻抗最小，在反谐振频率时，输出电流最小，即阻抗最大，与电流曲线与阻抗测试仪测试的压电片阻抗曲线Z的趋势是对应的，如图14所示。

将变化电压与第二参考电压REF2采用比较器U1进行比较。当把第二参考电压REF2设置成稍小于谐振频率下对应最大电流的值时，随着正弦波信号频率的不断增加，比较器输出会从高电平变成低电平，然后再变成高电平，低电平频率范围中一定包含谐振频率；

当把第二参考电压REF2设置成稍高于反谐振频率下对应最小电流的值时，随着正弦波信号频率的不断增加，比较器输出会从低电平变成高电平，然后再变成低电平，高电平频率范围中一定包含反谐振频率；

若REF2设置合适，比如本例中的1mA，随着正弦波频率的增加，比较器的输出会从高电平变成低电平，再从低电平变成高电平(低电平期间经过了谐振频率)，又从高电平变成低电平(高电平期间经过了反谐振频率)，最后又变成高电平；

由此，根据比较结果中高电平、低电平的出现规律和对应的正弦波信号的频率范围，可判断压电片的谐振频率和反谐振频率；若压电片损坏，比较器输出不会出现高低电平的变化规律。

在本实施例中，压电片自诊断结果除了自由电容值检测结果和谐振频率检测结果外，还包括粘贴效果检测结果，粘贴效果检测需要搭配主机实现。具体地：使用任一压电片激励超声信号，采集其他压电片的响应信号，并转换成数字信号，激励超声的压电片与接收超声的压电片之间的距离越远，响应信号的幅值就越小，呈负相关的关系，因此，比较多个不同距离下接收压电片的幅值大小，来判断是否有异常的压电片存在；如果压电片的自由电容值和谐振频率均在压电片的规定范围内，那么说明是压电片的粘贴有问题，通过更换不同的压电片激励超声信号，来综合多次测试结果，来判断所有压电片的粘贴效果。

传统的模拟式超声导波系统传输的模拟信号，而模拟信号容易淹没在噪声中，因此判断结果不准确。本实施例改进的智能层将模拟信号转换成数字信号，避免了信号幅值衰减，即使有很强的串扰，很大幅值的噪声，也不会对粘贴效果的判断产生影响；且智能层无需连接系统主机，仅通过USB接入电脑，由智能层上的单片机控制发出激励信号，虽然该激励信号的幅值比接入主机时低，不过理论上同样可以直接检测出粘贴效果，可实现对压电片性能的测试，操作简单，可实施性强，调试方便；而传统的导波检测系统只能通过给主机上电获取波形来判断压电片的性能及粘贴质量，但由于项目现场因条件限制，难以实现随时给主机提高电源。

传统的导波检测系统在检测压电片性能及粘贴质量时，需要主机激励超声信号，并根据采集到的超声响应信号的幅值来进行判断；同时，对结构损伤进行识别也严重依赖响应信号的质量，包括幅值大小、信噪比等。因此，传统的导波检测系统对超声响应信号的要求高；然而，主机与智能层间的线缆长度长达几十米，外界干扰、激励信号的强串扰、线阻造成的衰减等因素均严重影响超声信号的幅值及信噪比，所以响应信号在线缆中传播时，会造成信号衰减，同时会叠加宽频带环境噪声和同频率的大幅值串扰信号，极有可能出现响应信号完全被其他信号淹没的情况。因此，在主机与智能层连接线缆较长的应用场景下，即便主机对信号进行滤波等处理，依然难以有效判断出响应信号的波形，进而会出现对粘贴质量的误判。

本实施例数字式的智能层，超声响应信号在智能层处被采集转换成数字信号，使用差分通信传输给上位机，增加信号的抗干扰能力，避免信号在传输过程中的衰减、避免因长线带来的强串扰信号，能够更有效的实现对压电片粘贴质量的判断，也能够更准确的判断压电片的粘贴质量和结构损伤，解决模拟信号在传输中存在的上述问题。

在本实施例中，还包括主动信号调理单元，如图7所示，所述压电片连接运算放大器U5，通过运算放大器U5实现对激励压电片和接收压电片的超声响应信号的放大、滤波等调理功能，自由电容值测试、谐振频率测试及主动信号调理使用同一个电路接口，根据功能需要自动切换功能，降低电路尺寸；当智能层工作在主动损伤扫查模式时使用，使用U5进行信号调理时，V1和V2均不输出信号，减少其他电路对响应信号的影响。

在本实施例中，在主动损伤扫查模式下，为了得到更准确的损伤识别结果，需要明确超声信号在结构中的传输时间，即超声信号的飞行时间；其中，超声信号的到达时间可由接收压电片的响应信号的时间得到，而超声信号的开始时间由激励信号到达时间得到。

如图15所示为激励到达时间检测单元的等效电路示意图；通过N选1激励选择器接入激励压电片，由V3发出正弦激励信号，并通过电阻R4和R5对正弦激励信号进行分压，将分压后的电压与第三参考电压REF3输入比较器U6；仿真结果如图16所示，分压后的波形与激励信号是同频的。当分压后的电压幅值大于REF3时，比较器U6输出低电平，否则输出高电平，根据比较器输出的高低电平的时间以及正弦激励信号的频率，判断出激励信号到达时刻。

假设激励信号V3为300kHz的正弦波，幅值为0-100V，只有1个周期，其从0时刻开始，其电压公式为：

U＝50sin(300000t)+50

激励信号波形如图17所示，利用99.7k和0.3K电阻分压后得到的衰减后的激励信号波形如图18所示。比较器U6的正极输入REF3为0.2V，将其代入上式左边，可求得t分别为0.18μs和1.49μs，如图19所示，因此，在0.18μs-1.49μs之间，比较器U6输出为低电平，其余时间输出为高电平。这意味着，对于固定的300kHz激励信号而言，单片机通过捕获比较器输出从高电平到低电平的跳变沿，将该时刻减去0.18μs，即激励信号的起始时刻。对于其他频率的激励信号，可通过第三参考电压REF3和激励频率，计算激励开始时刻到比较器输出时刻的时间差，进而可根据比较器的输出跳变计算激励开始时刻。实际情况下，比较器的输入与输出之间是有ns级的延时的，可通过在计算中加入比较器的延时参数，来降低计算误差。

虽然比较器的动作时间会存在误差，随着半导体工艺的提升，该误差的量级为几ns到十几ns，但即使使用导波主机判断飞行时间，这些误差仍然会存在。而且理想情况下，电信号在线缆中的传输速度约为2.4*10^8m/s，10m的线缆会形成20m的传输距离，造成的信号传输延时为83ns，且该误差随着线缆长度的增加而增加，该延时远大于智能层上检测激励信号到达时间的测量误差。因此，在智能层上进行激励信号到达时间的判断是合理的。

在本实施例中，基于压电片的等效电路，设计RC充电、电压电流检测等，使智能层实现对压电片的自由电容值、谐振频率等参数的自诊断测试，同时在容值测试、频率测试、激励到达时间检测等阶段，均利用比较器的输出电平进行判定，而非采用高采样率的数模转换芯片(要实现us级的检测，至少需要10MSPS的芯片才能较好的复现待采样的信号。使用单片机做主控芯片时，若不增加缓存芯片等难以实现如此高速率的采样，使用FPGA做主控芯片，电路复杂)，电路简单，功耗小，成本低，有利于降低智能层尺寸。

在本实施例中，使用数字信号进行传输，线缆的线芯数量和定义不会随着压电片数量的改变而改变，传统智能层的线缆会因智能层压电片数量导致的线芯数量的变化，会因压电片的布局位置导致的线芯定义不同。因此，本实施例改进的智能层减少了定制化线缆的使用，降低了系统成本。

本实施例所提出的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层可实现激励时间到达测试、容值测试、频率测试、调理与采集、电源切换等功能，可实现压电片状态测试、主动损伤扫查与被动冲击监测三种工作模式的切换。当测试压电片状态时，智能层可根据压电片的自由电容值、谐振频率等特征参数，实现对压电片性能状态自诊断；当工作在主动扫查模式时，智能层按照主机要求闭合激励压电片和接收压电片的开关通道，并将模拟响应信号转换成数字信号，传输给主机；当工作在被动扫查模式时，智能层同时监测所有压电片的响应信号，并将被触发后的信号转换成数字信号传输给主机。而传统智能层仅引出所有压电片的连线，并无上述功能。

实施例2

本实施例提高一种上述集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层的工作方法，包括：

将N个压电片与N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关进行连接，以在不同模式下切换至对应的通路；

在压电片自诊断模式下，N选1激励选择器和N路开关均断开，N选1采集选择器根据待测压电片序号闭合对应的开关通道，以对待测压电片进行容值测试、频率测试和粘贴效果检测；其中：

容值测试包括：通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试包括：通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率检测谐振频率；

粘贴效果检测包括：由任一压电片激励超声信号，采集其他接收压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号，比较不同距离下接收压电片数字响应信号的幅值，来判断是否存在异常压电片，若异常压电片的自由电容值和谐振频率均在规定范围内，则压电片的粘贴效果有误；

在主动模式下，N路开关均断开，根据发出激励和接收响应的压电片序号，闭合N选1激励选择器和N选1采集选择器中对应的开关通道，以获取对应压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输；

在被动模式下，N选1激励选择器和N选1采集选择器均断开，N路开关均闭合，以获取压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输。

本发明首次提出数字式自诊断传感智能层的概念，将超声响应信号变换成数字量进行传输以提高信号传输的抗干扰能力，同时集成压电片自诊断功能。相关的智能层改进方案均属于在本发明基础上的改进。

本发明是利用的数字差分电平信号进行传输，是提高信号传输过程中抗干扰能力的一种方式；也可以使用4-20mA的电流信号进行数据传输，但因为长线电阻大，因此本发明未采取4-20mA的模拟电流的方式进行传输，但其也可以作为提高信号传输过程中抗干扰能力的一种方案。

本发明为降低电路的体积、成本和功耗，使用电阻、电容和比较器进行自由电容值和谐振频率的测试。这种检测方式是第一次被集成在智能层中，形成能够自诊断的智能层，其他无论是使用集成芯片或其他搭建电路进行容值和谐振频率检测，原理上均是可行的。

本发明为降低功耗、减小电路体积、降低电路成本，在激励到达时间检测单元、容值检测单元和频率检测单元中使用了比较器输出高低电平来进行相应的事件判断，如果不考虑上述因素，完全可以使用模数转换电路，去采集信号的波形，进而判断激励信号的时间。

本发明中压电片粘贴效果检测需要配合导波主机使用，是因为需要主机提供大功率高压信号驱动压电片才能得到幅值更高的响应，进而准确判断压电片的粘贴效果。如果使用电脑的USB供电，可增加功率放大电路实现高压驱动，或直接使用低压信号驱动压电片，获取较弱的响应信号，均能够实现对压电片粘贴效果的判断。本发明从考虑减小智能层的尺寸、降低成本等因素考虑，未在方案中增加USB供电下的压电片驱动电路。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，包括：压电片自诊断模块、主被动监测模块和主控模块；

所述压电片自诊断模块包括：

容值测试单元，用于通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试单元，用于通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率来检测谐振频率；

所述主被动监测模块，用于获取主动模式和被动模式下压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号后进行传输；

所述主控模块，用于将压电片自诊断结果和数字响应信号传输至外部导波主机；

所述数字式自诊断传感智能层还包括N个压电片，以及与压电片连接的N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关，以在不同模式下切换至对应的通路；

其中，在压电片自诊断模式下，N选1激励选择器和N路开关均断开，N选1采集选择器根据待测压电片序号闭合对应的开关通道，以对待测压电片进行容值测试和频率测试；

在主动模式下，N路开关均断开，根据发出激励的激励压电片序号，闭合N选1激励选择器中对应的开关通道，根据接收响应的接收压电片序号，闭合N选1采集选择器中对应的开关通道，以获取主动模式下压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号；

在被动模式下，N选1激励选择器和N选1采集选择器均断开，N路开关均闭合，以获取被动模式下压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号。

2.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述数字式自诊断传感智能层还包括与电脑连接的USB接口和与外部导波主机连接的主机接口。

3.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述数字式自诊断传感智能层具备电源切换功能，用于在电脑和外部导波主机同时供电时，切换为外部导波主机供电。

4.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述容值测试单元包括阶跃信号生成器、第一电阻和第一比较器；所述阶跃信号生成器与第一电阻串联后连接在压电片的两端，第一参考电压和压电片两端的电压作为比较器的输入；

所述待测压电片的自由电容值为：

其中，v为待测压电片两端的电压，U为阶跃信号的幅值，t为施加阶跃信号后的时间，R2为已知的第一电阻值，C0为压电片静态电容，C1为压电片动态电容，C0+C1为自由电容值。

5.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述频率测试单元包括正弦信号生成器、第二电阻、运算放大器和第二比较器；所述正弦信号生成器和电阻串联后连接在压电片的两端，运算放大器并联在第二电阻的两端，运算放大器的输出和第二参考电压为第二比较器的输入，通过运算放大器测试第二电阻两端电流的变化，并输出变化电压。

6.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述压电片自诊断模块还包括粘贴效果检测单元，用于由任一压电片激励超声信号，采集其他接收压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号，比较不同距离下接收压电片数字响应信号的幅值，来判断是否存在异常压电片，若异常压电片的自由电容值和谐振频率均在规定范围内，则说明压电片的粘贴效果有误。

7.如权利要求1所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述主被动监测模块中：

在主动模式下，由激励压电片发出超声激励信号，并获取接收压电片的模拟响应信号，将模拟响应信号转换为数字响应信号后进行传输，以进行主动损伤扫查；

在被动模式下，获取压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟响应信号，并将模拟响应信号转换成数字响应信号进行传输，以进行被动冲击监测。

8.如权利要求7所述的集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层，其特征在于，所述主被动监测模块还包括激励到达时间检测单元，用于在主动模式下确定激励信号到达时刻；具体地，对发出的激励信号进行分压，将分压后的电压与第三参考电压采用比较器进行比较，根据比较后得到的高低电平的时间和激励信号的频率，确定激励信号到达时刻。

9.一种集主被动监测于一体的数字式自诊断传感智能层的工作方法，其特征在于，包括：

将N个压电片与N选1激励选择器、N选1采集选择器和N路开关进行连接，以在不同模式下切换至对应的通路；

在压电片自诊断模式下，N选1激励选择器和N路开关均断开，N选1采集选择器根据待测压电片序号闭合对应的开关通道，以对待测压电片进行容值测试、频率测试和粘贴效果检测；其中：

容值测试包括：通过生成给定幅值的阶跃信号为待测压电片充电，通过待测压电片两端的电压与第一参考电压的比较确定跳变时刻，以此确定电容充电时间，进而得到待测压电片的自由电容值，从而判断自由电容值是否正常；

频率测试包括：通过生成不同频率且固定幅值的正弦波信号为待测压电片充电，通过待测压电片的电流确定变化电压，并将其与第二参考电压进行比较，根据比较结果中高低电平的跳变时刻所对应的正弦波信号的频率检测谐振频率；

粘贴效果检测包括：由任一压电片激励超声信号，采集其他接收压电片的模拟响应信号，并将其转换成数字响应信号，比较不同距离下接收压电片数字响应信号的幅值，来判断是否存在异常压电片，若异常压电片的自由电容值和谐振频率均在规定范围内，则压电片的粘贴效果有误；

在主动模式下，N路开关均断开，根据发出激励和接收响应的压电片序号，闭合N选1激励选择器和N选1采集选择器中对应的开关通道，以获取对应压电片的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输；

在被动模式下，N选1激励选择器和N选1采集选择器均断开，N路开关均闭合，以获取压电片在经冲击事件的触发后所接收的模拟响应信号，并转换成数字响应信号进行传输。