低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统及实现方法技术方案

本发明专利技术提供一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，属于主被动Ｌａｍｂ波和压电阵列传感器的结构健康监测技术领域。本发明专利技术包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块。系统将主动和被动结构健康监测技术需要的通道切换功能集成在了一起。在主动工作模式下，通道切换系统可以实现单个压电传感器激励，多个压电传感器同时响应的低串扰、快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，通道切换系统可以实现任意压电传感器声发射响应通道的选通。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术的结构健康监测系统 用通道切换系统。在主动工作模式下，多通道切换系统可以实现单个压电传感器激励，多个 压电传感器同时响应的低串扰、快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，多通道切换系统 可以实现任意压电传感器声发射响应通道的选通。
技术介绍
结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的传感/驱 动元件，在线实时地获取与结构健康状态相关的信息，从而达到在线结构状态评估的目的。 复合材料以其比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好及材料性能可设计等一系列优点，在航 空、航天、汽车等工程领域得到了日益广泛的应用。与金属结构相比，复合材料结构力学及 损伤特性复杂，结构健康监测技术能够有效的保障结构的安全。层合板复合材料在服役过 程中不可避免的要承受各种能量物体的冲击。这些冲击容易造成复合材料结构的内部分 层、基体开裂和纤维断裂等损伤。这些内部损伤破坏将使层合结构的力学性能退化，承载能 力降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在的威胁。而且这些损伤多发生在材料内部不易 从表面发现，留下隐患。常规的无损检测方法，如超声、X射线、电涡流射线及电位测量等， 设备复杂，而且需要对损伤的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役环 境下的实时在线监测。所以利用被动式结构健康监测技术对复合材料结构的冲击事件进行 在线监测是十分必要的。对于复合材料结构的分层、基体开裂、纤维断裂、脱粘等损伤以及 金属材料结构的疲劳裂纹等损伤可以结合主动式结构健康监测技术，对其进行在线监测。随着结构健康监测技术工程化应用的日益发展，所需要监测的结构体积逐步增 大，压电传感器是以阵列形式使用。因此需要一种能够实现激励-传感通道切换和传感器 通道选通功能的多通道切换系统。该多通道切换系统需要具有以下几个特点(1)快速通道切换与扫查被监测结构的体积大，传感器数目多，要求多通道切换 系统能够快速高效的轮询传感器组成的激励-传感网络通道，保证结构健康监测的时效 性。例如由16个压电传感器组成的120路激励-传感通道，每通道切换的平均时间为0.5 秒钟，如果使用单个传感器激励_单个传感器响应的通道切换模式，那么将所有120通道切 换一次的时间为60秒。而如果使用单个传感器激励-N个传感器同时响应的通道切换模式， 那么所有120通道切换一次的时间为120/N秒。(2)低串扰当作为激励和传感的两个压电传感器在结构上的布置距离较远时， 为了提高信号的信噪比，一般需要采用高频功率放大器提高激励信号的能量。对于通道切 换系统来说，高频大功率激励信号为一个强干扰源，在其内部会引起通道之间存在较强的 串扰信号，不利于信号的后继处理。因此需要一种具有低串扰特性的通道切换系统，保证信号质量。(3)主动和被动工作模式兼容同一台结构健康监测系统，同一个压电传感器网 络，要求它们既能完成主动式的结构健康监测任务，又能完成被动式的结构健康监测任务， 因此需要一种既能够工作在主动模式下，按照主动模式的通道切换要求进行通道切换，又 能够工作在被动模式下，按照被动模式的通道切换要求进行通道切换的多通道切换系统。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
下提供一种低串扰、快速和主 被动兼容型压电通道切换系统，在主动工作模式下，通道切换系统可以实现单个压电传感 器激励，多个压电传感器同时响应的快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，通道切换系 统可以实现任意传感器声发射响应通道的选通。通道切换系统具有低串扰特性。技术方案本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，包括通道控制中央处理器 模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开 关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块；其中系统电源转换模块用于供电，所述通 道控制中央处理器模块分别与被动切换控制模块、主动切换控制模块、主被动工作方式切 换开关阵列连接，被动切换控制模块的输出端与被动开关切换阵列连接，主动切换控制模 块的输出端与主动切换开关阵列连接，主被动工作方式切换开关阵列分别与被动切换开关 阵列、主动切换开关阵列的输入端连接。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中通道控制中央处 理器模块由模块电源、微控制器及其外围辅助电路、主被动工作方式切换开关阵列驱动模 块组成，其中微控制器为单片机或可编程逻辑器件或DSP。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中主动切换控制模 块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入器。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中被动切换控制模 块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入器。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中被动切换开关阵 列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M均为大于1的正整数，且 M^N ；每个开关至少存在K1 K3三个触点；N个压电传感器通过主被动工作方式切换开 关阵列后接通被动切换开关阵列，与其第一列每个开关的K1连接；初始状态下，所有开关 的K1触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接；被动切换开关阵列中 的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中主动切换开关阵 列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M均为大于1的正整数，且 M^N ；每个开关至少存在K1 K3三个触点；N个压电传感器通过主被动工作方式切换开 关阵列后接通主动切换开关阵列，与其第一列每个开关的K1连接；初始状态下，所有开关 的K1触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接；被动切换开关阵列中 的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。一种应用上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统的实现方法，系统 整体的实现方法是一个封装在机壳中的独立仪器，由计算机通过计算机外部总线或者自定 义总线对其进行控制；或者是一个卡式仪器，插接在计算机系统总线上，由计算机通过计算 机系统总线对其进行控制。有益效果本专利技术的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，能够实现压电传感器 阵列的多通道切换(1)将主动和被动结构健康监测技术需要的通道切换功能集成在了一 起；(2)实现了单激励_多传感工作模式的快速通道切换与扫查；(3)实现任意声发射传感 器通道的选通；(4)通道切换系统的信号串扰低，对信号影响小；(5)整套系统既能独立使 用也能集成在计算机系统总线上使用，应用范围广。附图说明图1是本专利技术的系统整体结构示意图；图2是本专利技术的主被动工作方式切换开关阵列及通道切换示意图；图3是本专利技术的被动切换开关阵列及通道切换示意图；图4是本专利技术的主动切换开关阵列及通道切换示意图；图5是本专利技术的通道控制中央处理器模块示意图；图6是本专利技术的被动切换控制模块示意图；图7是本专利技术的主动切换控制模块示意图；图8是本专利技术的系统电源模块示意图。具体实施方案下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述实施例(1)如图1所示，本实施例是一种外部独立仪器式的低串扰、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在于，包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块；其中系统电源转换模块用于供电，所述通道控制中央处理器模块分别与被动切换控制模块、主动切换控制模块、主被动工作方式切换开关阵列连接，被动切换控制模块的输出端与被动开关切换阵列连接，主动切换控制模块的输出端与主动切换开关阵列连接，主被动工作方式切换开关阵列分别与被动切换开关阵列、主动切换开关阵列的输入端连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱雷，袁慎芳，张炳良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]