用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备制造技术

本发明专利技术公开了一种用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备，其包括与含金属芯压电纤维智能夹层连接的接口模块、电压放大模块和信号滤波模块，所述的接口模块包括信号输入接口单元和信号输出接口单元，所述的电压放大模块包括第一级电压放大单元和第二级电压放大单元，所述的信号滤波模块包括低通滤波单元和高通滤波单元。本发明专利技术的用于MPF智能夹层的信号调理设备针对MPF智能夹层在结构健康监测技术中的应用需求，能够完成对智能夹层信号的调理过程以及信号在各设备中的连接。结构简单，并可根据智能夹层中压电纤维的数量进行扩展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种信号调理设备，尤其涉及一种用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备，属于结构健康监测

技术介绍
随着工程结构(特别是航空航天结构)运行环境的日益复杂和设计中对结构安全与稳定要求的不断提高，结构健康监测技术得到了越来越多的关注。所谓结构健康监测技术是将传统的无损检测技术进行优化和改进，结合结构设计的思想，完成先进传感/驱动元件网络与结构的融合，达到在线实时监测结构安全健康情况的目的，并对可能给结构造成损伤的事件进行预警。根据使用的传感器类型，结构健康监测技术可以分为压电、光纤光栅、电阻应变片、电涡流等类型。其中，压电材料以其轻质、响应速度快、频带宽、传感/驱动一体等特点成为了目前健康监测技术的热门传感器。它能直接转化机械量和电学量，将结构中的应力信息转化为电压信号用于后续系统的采集与处理，使用方便、系统简洁。传统的基于压电材料的健康监测技术通常采用在结构中布置传感网络的方式，采集结构中弹性波的信号，结合先进的信号处理方式和分析方法，根据信号之间的时间差异定位载荷位置或损伤位置。这种监测手段需要提前知道弹性波在结构中的传播速度，然而对于不同的结构和环境因素(如温度)，结构中弹性波的传播速度大不相同，这使得传统技术对于复杂结构和各向异性的复合材料结构难以应用。含金属芯压电纤维(Metal-core Piezoelectric Fiber MPF)是适应二十一世纪智能传感器发展的产物。利用MPF进行结构载荷和损伤定位的技术已卓有成效。它不仅具有体积小、重量轻、传感性能好(具有方向性)、需要的外部设备少、能最大限度地减少对基体材料的影响的优点，又可以作为结构健康监测的传感器和驱动器使用，这些优点使得MPF具有在未来航空飞行器的结构健康监测中得以使用的诱人前景。与传统压电传感器的巨大差异在于，MPF能够通过分析弹性波的方向特性对结构的载荷和损伤进行定位，无需知道弹性波传播速度，更加适合在复杂结构和复合材料结构中应用。目前，根据MPF实际工程应用的需求，集成多根MPF的智能夹层传感器已经研制成功并投入了使用。考虑到MPF智能夹层与传统压电器件的区别，采用单一的电压调理设备对MPF智能夹层信号进行处理变得繁琐，需要的设备多，而且专用程度很低。所以如何根据MPF智能夹层传感器的特点完成传感信号的调理成为了基于MPF智能夹层传感器监测技术中的难点。
技术实现思路
技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供一种针对MPF智能夹层传感特点，结构简单、易于实现且性能符合要求的信号调理设备方案，用于MPF智能夹层的健康监测技术，降低信号受到的环境噪声的影响，放大信号中有效的频率信息，完成对MPF智能夹层的信号调理过程，便于后续系统对信号的采集。技术方案 为了解决上述的技术问题，本专利技术的用于MPF智能夹层的信号调理设备，包括与MPF智能夹层连接的接口模块、电压放大模块和信号滤波模块。所述的接口模块包括信号输入接口单元和信号输出接口单元；所述的电压放大模块包括第一级电压放大单元和第二级电压放大单元；所述的信号滤波模块包括低通滤波单元和高通滤波单元。MPF智能夹层的信号经信号输入接口单元依次经过第一级电压放大单元、低通滤波单元、高通滤波单元和第二级电压放大单元进行处理，最后经信号输出接口单元输出。其中，所述MPF智能夹层的接线端口设计了端口的尺寸和信号接线形式；所述的电压放大模块采用了二级放大的方案，首先一级放大单元提高了信号的幅值，增加了信号的信噪比，便于后续的滤波处理，其次第二级放大单元使信号幅值提高到适合系统采样与分析的范围；所述的滤波模块根据监测技术的使用要求，提取了信号中具有有效信息的频带，降低了信号噪声的分量。更进一步地，所述的第一级电压放大单元中，MPF智能夹层的电压信号经第一电阻输入第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的正向输入端通过第二电阻接地，第一运算放大器的反相输入端通过第三电阻与输出端连接。更进一步地，所述的低通滤波单元中，第一电容一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端通过第二电容与第二运算放大器的正向输入端连接，第二运算放大器的正向输入端通过第五电阻接地，第四电阻一端接于第一电容和第二电容之间，另一端分别与第二运算放大器的反相输入端和输出端连接。更进一步地，所述的高通滤波模块中，第六电阻一端与第二运算放大器的输出端连接，另一端通过第三电容分别与第三运算放大器的反相输入端和输出端连接，第七电阻位于第六电阻和第三运算放大器的同相输入端之间，第三运算放大器的同相输入端通过第四电容接地。更进一步地，所述的第二级电压放大模块中，第八电阻一端与第三运算放大器的输出端连接，另一端与第四运算放大器的反相输入端连接，第四运算放大器的同相输入端通过第十电阻接地，第四运算放大器的反相输入端和输出端之间连接有第九电阻。更进一步地，为了实现MPF智能夹层信号的便捷式输入，MPF智能夹层的信号接口包含四根信号线，分别对应为MPF1，MPF2，MPF3的陶瓷表面金属电极还有金属芯处电极，三根MPF的金属芯公用一个设备地线且与MPF智能夹层中的环绕电线连接。这样的设计将MPF智能夹层中的八根线集成到了一个四线接口上。设备的输出采用SMA接头将调理好的信号输出到后续设备中。如果有两组MPF智能夹层的信号需要进行调理，则共有两个输入接口和六个输出接口，依次增加。有益效果 本专利技术的用于MPF智能夹层的信号调理设备针对MPF智能夹层在结构健康监测技术中的应用需求，能够完成对智能夹层信号的调理过程以及信号在各设备中的连接。结构简单，并可根据智能夹层中压电纤维的数量进行扩展。附图说明图1本专利技术的信号调理设备的原理 图2本专利技术的一个实施方式的电路原理图，其中(a)为第一级电压放大单元与低通滤波单元电路示意图，(b)为高通滤波单元与第二级电压放大单元电路示意 图3本专利技术的接口模块中输入接口结构示意 图4本专利技术一个实施例与MPF智能夹层连接结构示意 图5本专利技术一个实施例的频响曲线示意图。具体实施例方式以下将结合附图对本专利技术的技术方案进行进一步描述。如图1所示，本实施例的用于MPF智能夹层的信号调理设备包括与MPF智能夹层连接的接口模块、电压放大模块和信号滤波模块，所述的接口模块包括信号输入接口单元和信号输出接口单元，其中，所述的电压放大模块包括第一级电压放大单元和第二级电压放大单元，所述的信号滤波模块包括低通滤波单元和高通滤波单元，MPF智能夹层的信号经信号输入接口单元依次经过第一级电压放大单元、低通滤波单元、高通滤波单元和第二级电压放大单元进行处理，最后经信号输出接口单元输出。电路中的各个模块采用串联的形式，每组电路用于一路信号的调理。最后的设备集成了六路信号调理电路，用于六路MPF信号，即两组MPF智能夹层的使用。如图2所示，为一路信号调理电路示意图，其中，MPF智能夹层中的电压信号直接作为输入信号进入模块当中，其中第一电阻R1、第二电阻R3和第一运算放大器OPAl构成第一级电压放大单元，本实施例设计增益G1=R3/R1为8倍，适当调节第二电阻R2控制失调电流引起的误差。第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容Cl、第二电容C2和第二运算放大器0PA2构成了低通滤波单元，设计时考虑到实际使用信号在IOOkH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备，其特征在于，包括与含金属芯压电纤维智能夹层连接的接口模块、电压放大模块和信号滤波模块，所述的接口模块包括信号输入接口单元和信号输出接口单元，其中，所述的电压放大模块包括第一级电压放大单元和第二级电压放大单元，所述的信号滤波模块包括低通滤波单元和高通滤波单元，含金属芯压电纤维智能夹层的信号经信号输入接口单元依次经过第一级电压放大单元、低通滤波单元、高通滤波单元和第二级电压放大单元进行处理，最后经信号输出接口单元输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：裘进浩，张超，单胜博，徐姣，阎志坤，季宏丽，吴郁程，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：