基于兰姆波的半双工通信装置及其通信方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于兰姆波的半双工通信装置及其通信方法。所述基于兰姆波的半双工通信装置包括：传感器主控模块、第一信号处理电路、第一换能器、金属薄板件、第二换能器、第二信号处理电路和控制机。本发明专利技术以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，以金属薄板件为传输媒介，以无线方式进行半双工通信，为金属薄板件上的结构健康监测用传感器的数据结果提供通讯功能；降低了传统传感器系统的数据传输布线和维护成本，改变了传统的电磁信号传输方法，适用于多种场合，提高了整个系统的稳定性，换能效率高，体积小，成本低，能量衰减小，传递效率高，传输距离长。

Half duplex communication device based on Lamb wave and communication method thereof

The invention discloses a half duplex communication device based on Lamb wave and a communication method thereof. The half duplex communication device based on Lamb wave comprises a sensor main control module, a first signal processing circuit, a first transducer, a metal sheet element, a second transducer, a second signal processing circuit and a control machine. In the invention, the sheet metal pieces of Lamb wave as the carrier signal, the sheet metal as the transmission media for half duplex communication in a wireless way, for structural health monitoring of sheet metal results on sensor data provide communication function; to reduce data transmission system of the traditional sensor wiring and maintenance costs, change the traditional method of electromagnetic signal transmission, is suitable for various occasions, improve the system stability, high conversion efficiency, small volume, low cost, small energy attenuation, high transmission efficiency, long transmission distance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声波数据通信
，特别涉及一种基于兰姆波的半双工通信装置及其通信方法。
技术介绍
金属板形构件应用的范围涉及航空航天、汽车、船舶制造、压力容器和大型化工容器等领域；其中，厚度小于8mm的金属板形构件的使用尤其广泛。由于金属板形构件在生产和使用过程中易损伤，因而对其结构的安全性构成了极大的威胁。因此，利用结构健康检测技术进行在线、实施有效的监测，及时发现金属板形构件中的损伤，对于预防事故的发生尤为重要。结构健康检测技术需要利用集成或粘附在金属板形构件上的传感系统，获得与结构健康状况相关的实时信息，并结合信号信息处理方法提取特征参数，实现诊断，以保证安全，同时控制维修费用。进行结构健康检测时所用的传感系统无需大规模数据传输，只需要将检测结果与控制机通信，然后由控制机将控制命令(数据量一般在kbps量级)发送给检测系统；无需进行双向通信，因此半双工系统就可以满足需要。目前，无线通信技术已经较为成熟，大多数无线通信技术都是基于电磁波进行的。因此，在需要进行电磁屏蔽的场合(结构健康检测即属于这种情况)难以使用，此时往往还要在传感系统中单独加入通信系统，这样便会增加整个系统的体积和重量，稳定性降低，装置复杂性大幅提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于兰姆波的半双工通信装置及其通信方法。为此，本专利技术技术方案如下：一种基于兰姆波的半双工通信装置，包括：传感器主控模块、第一信号处理电路、第一换能器、金属薄板件、第二换能器、第二信号处理电路和控制机；其中，第一换能器的上表面设有第一上电极和第一下电极；第二换能器的上表面设有第二上电极和第二下电极；第一换能器和第二换能器间隔距离分别固定在金属薄板件的表面；传感器主控模块的输出端与第一信号处理电路电连接；第一信号处理电路的输出端与第一上电极电连接，输入端与第一下电极电连接；第二信号处理电路的输出端与控制机电连接，输入端与第二上电极电连接，接地端与第二下电极电连接。所述第一信号处理电路包括：第一DSP核心系统模块、第一DSP芯片第一DAC转换模块、第一电压参考模块、第一重构滤波模块、第一功率放大模块、第一电荷放大模块、第一电压放大模块、第一滤波模块、第一ADC转换模块；其中，第一DSP芯片分别与传感器主控模块、第一DSP核心系统模块、第一DAC转换模块和第一ADC转换模块连接；第一DAC转换模块依次通过第一重构滤波模块、第一功率放大模块连接至第一换能器；第一ADC转换模块依次通过第一滤波模块、第一电压放大模块、第一电荷放大模块与第一换能器连接；第一DAC转换模块还与第一电压参考模块连接。所述第二信号处理电路包括：第二DSP核心系统模块、第二DSP芯片、第二DAC转换模块、第二电压参考模块、第二重构滤波模块、第二功率放大模块、第二电荷放大模块、第二电压放大模块、第二滤波模块、第二ADC转换模块；其中，第二DSP芯片分别与控制机、第二DSP核心系统模块、第二DAC转换模块、第二ADC转换模块连接；第二DAC转换模块依次通过第二重构滤波模块、第二功率放大模块连接至第二换能器；第二ADC转换模块依次通过第二滤波模块、第二电压放大模块、第二电荷放大模块与第二换能器连接；第二DAC转换模块还与第二电压参考模块连接。所述第一换能器和第二换能器为形状完全相同的圆柱形结构，径向截面的直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。所述第一换能器和第二换能器的材料为PZT-5压电陶瓷。第一上电极、第二上电极、第一下电极和第二下电极为银电极或铜电极。所述金属薄板件的材料为铝合金、钛合金或钢合金中的至少一种；金属薄板件的厚度为0.5-8mm。所述第一换能器和第二换能器与金属薄板件采用医用超声耦合剂或者甘油和磁铁吸座的方式相互固定。一种如前所述的基于兰姆波的半双工通信装置的通信方法，包括按顺序进行的以下步骤：1)启动基于兰姆波的半双工通信装置，由控制机发出标志信号；2)标志信号通过第二信号处理电路调理后，发送给第二换能器，第二换能器将标志信号转换为协议信息，通过金属薄板件发送给第一换能器；3)第一换能器接收到协议信息，并与第一信号处理电路对接，由第一信号处理电路进行解码，然后传输给传感器主控模块；4)经传感器主控模块确认协议信息后，将协议信息转换为握手信号并输出；5)握手信号通过第一信号处理电路调理后，发送给第一换能器；6)第一换能器接收到握手信号，第一换能器将握手信号转换为协议信息，通过金属薄板件发送给第二换能器；7)第二换能器接收到协议信息，并与第二信号处理电路对接，由第二信号处理电路进行解码，然后传输给控制机；8)传感器主控模块和控制机完成连接，即可进行信息的双向发送。与现有技术相比，本专利技术提供的基于兰姆波的半双工通信装置及其通信方法至少具有以下有益效果：1)本专利技术以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，以金属薄板件为传输媒介，以无线方式进行半双工通信，为金属薄板件上的结构健康监测用传感器的数据结果提供通讯功能；2)本专利技术的基于兰姆波的半双工通信装置降低了传统传感器系统的数据传输布线和维护成本，改变了传统的电磁信号传输方法，适用于多种场合，提高了整个系统的稳定性；3)本专利技术的基于兰姆波的半双工通信装置以PZT-5压电陶瓷作为换能器的主要材料，换能效率高，体积小，成本低；4)本专利技术的基于兰姆波的半双工通信装置以超声导波——兰姆波作为信号载体，能量衰减小，传递效率高，传输距离长。附图说明图1为本专利技术的基于兰姆波的半双工通信装置的结构示意图。图2为第一换能器的结构示意图。图3为第二换能器的结构示意图。图4为第一信号处理电路的结构示意图。图5为第二信号处理电路的结构示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本专利技术有任何限制。如图1-5所示，该基于兰姆波的半双工通信装置包括：传感器主控模块1、第一信号处理电路2、第一换能器3、金属薄板件4、第二换能器5、第二信号处理电路6和控制机7；其中，第一换能器3的上表面设有第一上电极8和第一下电极9；第二换能器5的上表面设有第二上电极81和第二下电极91；第一换能器3和第二换能器5间隔距离分别固定在金属薄板件4的表面；传感器主控模块1的输出端与第一信号处理电路2电连接；第一信号处理电路2的输出端与第一上电极8电连接，输入端与第一下电极9电连接；第二信号处理电路6的输出端与控制机7电连接，输入端与第二上电极81电连接，接地端与第二下电极91电连接。第一信号处理电路2包括：第一DSP核心系统模块2-1、第一DSP芯片2-2、第一DAC转换模块2-3、第一电压参考模块2-4、第一重构滤波模块2-5、第一功率放大模块2-6、第一电荷放大模块2-7、第一电压放大模块2-8、第一滤波模块2-9、第一ADC转换模块2-10；其中，第一DSP芯片2-2分别与传感器主控模块1、第一DSP核心系统模块2-1、第一DAC转换模块2-3和第一ADC转换模块2-10连接；第一DAC转换模块2-3依次通过第一重构滤波模块2-5、第一功率放大模块2-6连接至第一换能器3；第一ADC转换模块2-10依次通过第一滤波模块2-9、第一电压放大模块2-8、第一电荷放大模块2-7与第一换能器3连接；第一DAC转换模块2-3还与第一电压参考模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于兰姆波的半双工通信装置，其特征在于，所述基于兰姆波的半双工通信装置包括：传感器主控模块(1)、第一信号处理电路(2)、第一换能器(3)、金属薄板件(4)、第二换能器(5)、第二信号处理电路(6)和控制机(7)；其中，第一换能器(3)的上表面设有第一上电极(8)和第一下电极(9)；第二换能器(5)的上表面设有第二上电极(81)和第二下电极(91)；第一换能器(3)和第二换能器(5)间隔距离分别固定在金属薄板件(4)的表面；传感器主控模块(1)的输出端与第一信号处理电路(2)电连接；第一信号处理电路(2)的输出端与第一上电极(8)电连接，输入端与第一下电极(9)电连接；第二信号处理电路(6)的输出端与控制机(7)电连接，输入端与第二上电极(81)电连接，接地端与第二下电极(91)电连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于兰姆波的半双工通信装置，其特征在于，所述基于兰姆波的半双工通信装置包括：传感器主控模块(1)、第一信号处理电路(2)、第一换能器(3)、金属薄板件(4)、第二换能器(5)、第二信号处理电路(6)和控制机(7)；其中，第一换能器(3)的上表面设有第一上电极(8)和第一下电极(9)；第二换能器(5)的上表面设有第二上电极(81)和第二下电极(91)；第一换能器(3)和第二换能器(5)间隔距离分别固定在金属薄板件(4)的表面；传感器主控模块(1)的输出端与第一信号处理电路(2)电连接；第一信号处理电路(2)的输出端与第一上电极(8)电连接，输入端与第一下电极(9)电连接；第二信号处理电路(6)的输出端与控制机(7)电连接，输入端与第二上电极(81)电连接，接地端与第二下电极(91)电连接。2.根据权利要求1所述的基于兰姆波的半双工通信装置，其特征在于，第一信号处理电路(2)包括：第一DSP核心系统模块(2-1)、第一DSP芯片(2-2)、第一DAC转换模块(2-3)、第一电压参考模块(2-4)、第一重构滤波模块(2-5)、第一功率放大模块(2-6)、第一电荷放大模块(2-7)、第一电压放大模块(2-8)、第一滤波模块(2-9)、第一ADC转换模块(2-10)；其中，第一DSP芯片(2-2)分别与传感器主控模块(1)、第一DSP核心系统模块(2-1)、第一DAC转换模块(2-3)和第一ADC转换模块(2-10)连接；第一DAC转换模块(2-3)依次通过第一重构滤波模块(2-5)、第一功率放大模块(2-6)连接至第一换能器(3)；第一ADC转换模块(2-10)依次通过第一滤波模块(2-9)、第一电压放大模块(2-8)、第一电荷放大模块(2-7)与第一换能器(3)连接；第一DAC转换模块(2-3)还与第一电压参考模块(2-4)连接。3.根据权利要求1所述的基于兰姆波的半双工通信装置，其特征在于，第二信号处理电路(6)包括：第二DSP核心系统模块(6-1)、第二DSP芯片(6-2)、第二DAC转换模块(6-3)、第二电压参考模块(6-4)、第二重构滤波模块(6-5)、第二功率放大模块(6-6)、第二电荷放大模块(6-7)、第二电压放大模块(6-8)、第二滤波模块(6-9)、第二ADC转换模块(6-10)；其中，第二DSP芯片(6-2)分别与控制机(7)、第二DSP核心系统模块(6-1)、第二DAC转换模块(6-3)、第二ADC转...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮小博，李一博，曾周末，刘圆圆，封皓，黄新敬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12