应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器

1.一种应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器，其特征在于：包括计算机总线接口模块、逻辑管理模块、高电压宽带激励信号输出模块、DC/DC电源模块和输出通断控制模块；其中计算机总线接口模块与计算机总线相连；逻辑管理模块与计算机总线接口模块相连，并向高电压宽带激励信号输出模块和输出通断控制模块输出控制信号，向外部数据采集设备发出数字同步信号；高电压宽带激励信号输出模块需要高压和低压两种电源同时供电，DC/DC电源模块接收总线低压直流电源后通过电压转换，为高电压宽带激励信号输出模块提供高电压供电，总线低压直流电源直接对高电压宽带激励信号输出模块提供低电压供电；高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号驱动压电元件工作。
2.根据权利要求1所述的应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器，其特征在于：计算机总线接口模块采用总线桥芯片或配置总线通信协议的数字逻辑芯片。
3.根据权利要求1所述的应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器，其特征在于：逻辑管理模块采用单片机或CPLD或FPGA。
4.根据权利要求1所述的应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器，其特征在于：高电压宽带激励信号输出模块采用小型化的数字模拟混合集成的高电压宽带信号产生芯片。

应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及结构健康监测领域应用的一种宽带Lamb波激励信号产生器，尤其涉及一种可以基于计算机总线，信号输出通断可程控的低功耗、小型化、高输出电压的宽带激励信号产生器。\n背景技术\n[0002] 在结构健康监测领域中，基于压电元件的主动Lamb波结构健康监测方法对结构的小损伤，如金属裂纹、复合材料脱层等非常敏感，是目前国内外的研究和应用热点之一。\n压电元件在主动Lamb波结构健康监测方法中既被用作驱动元件也被用作传感元件。当其作为驱动元件时，由结构健康监测系统向其输入激励信号，触发其在结构上激发Lamb波。\n[0003] 基于压电元件和Lamb波的集成结构健康监测系统的组成如图1所示。集成系统的软件产生一段激励信号，然后驱动任意波形产生器发出一个低电压、低功率的激励信号，该信号通过高频功率放大器进行电压和功率提升以后通过多通道切换设备输出至压电元件，使其在结构上激发Lamb波。主动Lamb波信号在结构上传播的能量随传播距离衰减很快，所以为了使信号能够在结构上传播的距离更远，集成结构健康监测系统必须配有驱动压电元件的高频功率放大器。\n[0004] 上述系统在激励信号输出链路的集成中存在以下问题：\n[0005] （1）常用的激励信号为正弦调制信号，该信号为一种频率窄带信号，因此该信号在时域上持续时间较长，使得高频功率放大器需要消耗较大的功率来维持输出激励信号的高电压和大功率。这种情况使得整个集成结构健康监测系统的功耗有一半以上都消耗在激励信号的功率提升上面。\n[0006] （2）激励信号输出链路中包含两部分，分别是任意波形产生器和高频功率放大器。\n常规的主动Lamb波结构健康监测方法使用的激励信号一般在15KHz~500KHz的频率范围内，并且对激励信号波形的精度有一定要求。这就要求任意波形产生器的输出精度至少14位、输出时钟的更新率至少50MHz，所以任意波形产生器的成本较高。且基于上述频率范围，高频功率放大器的工作带宽也至少包含这个频率段，并且要在高输出频率的情况下维持功率，所以高频功率放大器的工作带宽至少需要达到500KHz，而在500KHz窄带激励信号输出的情况下，功率至少需要50W~60W。其实现成本也较高。\n[0007] （3）在目前集成结构健康监测的应用中，对系统的小型化、便携化甚至机载化也提出了很高的要求。小型化的途径一般有两种：①将整个系统的各个功能模块独立实现，然后封装在一个小体积的机箱中；②将整个系统的各个功能模块以卡式仪器的方式实现，然后集成在计算机总线上，形成一种基于计算机总线的集成结构健康监测系统。针对第一种小型化途径，将激励信号的产生和功率提升分别实现，首先提高了系统电路的复杂程度，降低了系统可靠性，不利于系统的小型化；针对第二种小型化途径，将激励信号的产生和功率提升分别实现，需要占用系统两个槽位，并且不利于系统的整体散热，同样也降低了系统的可靠性，同样不利于系统的小型化。\n[0008] （4）高频功率放大器由于其输出功率的需要，对内部的电源模块的要求也较高。其内部电源模块的实现形式一般有两种：（1）基于大功率变压器或AC/DC模块，将外界提供的\n220V的交流电转换为内部需要的高电压直流电；（2）采用DC/DC模块，将计算机总线上或者其它途径提供的低电压直流电（如12V）转换成高电压直流电。电源模块的第一种实现形式不能满足系统小型化的要求；第二种实现形式对DC/DC模块的性能要求很高，因为该模块必须将低电压提升为高电压，两电压之间差距较大，该模块必须具有50W以上的额定功率才能持续的为高频功率放大器电路提供稳定的电源，所以成本较高。\n[0009] 本发明正是为了解决上述四点问题而提出来的。\n发明内容\n[0010] 本发明要解决的技术问题是针对结构健康监测系统的小型化集成的需求，提供一种基于计算机总线，程控信号输出通断的低功耗、小型化、高输出电压的宽带Lamb波激励信号产生器。\n[0011] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：\n[0012] 在信号处理领域，基于连续复数小波变换的信号处理方法已经得到了广泛的应用。连续复数小波变换具有高时频分辨率的特性，能够提取出原始信号中某个特定尺度下的频率信号成分。该方法在结构健康监测中也有广泛的应用。在主动Lamb波结构健康监测中使用宽带信号在结构中激发Lamb波的研究和应用也有相关报道。通过在结构中激发宽带Lamb波，然后利用连续复数小波变换提取压电元件响应信号中的窄带频率成分，与直接用相同频率的窄带信号激发Lamb波获取的压电元件的响应信号几乎一致。所以，使用宽带信号进行激励在结构中激发Lamb波，然后在通过后继的软件处理提取出期望的窄带频率成分的信号，可以达到直接使用窄带信号相同的应用效果。\n[0013] 基于该思想，本发明的应用于结构健康监测的高电压宽带Lamb波激励信号产生器，包括计算机总线接口模块、逻辑管理模块、高电压宽带激励信号输出模块、DC/DC电源模块和输出通断控制模块，如图2所示。DC/DC电源模块将计算机总线上的低电压直流电源转换成高电压宽带激励信号输出模块需要的高电压直流电源并对其供电；计算机总线接口模块与计算机总线相连；逻辑管理模块与计算机总线接口模块相连，该模块向高电压宽带激励信号输出模块发送输出控制信号，向输出通断控制模块发送输出通断控制信号，该模块也向外界其它设备发出数字同步信号；高电压宽带激励信号输出模块在接收到逻辑管理模块的指令后向外界输出高压宽带激励信号，该信号通过输出通断控制模块输出至外界压电元件。\n[0014] 计算机总线接口模块负责将总线信号进行逻辑解析，总线信号包括控制信号，地址信号和数据信号，这三种信号共同表征了对高电压宽带激励信号输出模块和输出通断控制模块的控制命令。计算机总线接口模块采用通用的总线桥芯片或可配置总线通信协议的数字逻辑芯片实现。\n[0015] 逻辑管理模块负责接收计算机总线接口模块发出的控制命令，根据该命令，驱动相应的高电压宽带激励信号输出模块和输出通断控制模块工作。工作状态分为两种：（1）在激励信号输出时，逻辑管理模块首先发出输出通断控制信号驱动输出通断控制模块开启输出信号通道，延迟时间T1（使输出信号通道稳定，一般50ms~100ms）后发出信号输出控制信号，触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号，并通过输出通断控制模块输出至外界压电元件。（2）在停止激励信号输出时，逻辑管理模块首先发出信号输出控制信号，停止高电压宽带激励信号输出模块的信号输出，延迟时间T2（使信号的输出停止，并稳定，一般10ms~20ms）后发出输出通断控制信号驱动输出通断控制模块关闭输出信号通道。逻辑管理模块的另一项重要功能是同步功能。在主动Lamb波结构健康监测的应用中，需要获取激励信号输出的时刻，所以高电压宽带激励信号产生器需要与数据采集设备进行同步。同步的方式为：逻辑管理模块在触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号的同时，发出数字同步信号，该同步信号输入到外部数据采集设备的数字触发端口实现与数据采集的同步。逻辑管理模块采用单片机、CPLD或FPGA等具有数字逻辑功能的芯片及其外围辅助电路实现。\n[0016] 高电压宽带激励信号输出模块输出阶跃或者时间窄脉冲信号，并根据逻辑管理模块发出的信号输出控制信号完成信号的输出或停止。考虑高电压信号输出的可靠性及整个高电压宽带激励信号产生器的小型化、集成化需求，该模块采用小型化的数字模拟混合集成的高电压宽带信号产生芯片及其外围辅助电路实现。芯片的数字逻辑部分用来接收控制信号，然后驱动内部的模拟部分完成相应的操作；芯片的模拟部分主要用来产生高电压的宽带激励信号。由于输出激励信号为瞬态的宽带激励信号，所以高电压宽带激励信号输出模块的功耗（含输出功率）只需4W~6W。由于宽带激励信号产生芯片具有数字逻辑和模拟两部分电路，所以需要两种电源进行供电：一种是满足模拟电路高压输出的高压电源，这部分电源由DC/DC电源模块提供；一种是给数字逻辑电路供电的低压电源，这部分电源由总线直接提供。\n[0017] 输出通断控制模块由超小型高压继电器及其驱动电路组成。驱动电路根据输出通断控制信号驱动继电器的闭合和断开，以此实现对输出信号的通断控制。\n[0018] DC/DC电源模块由低电压转高电压的DC/DC变换器及其外围辅助电路组成。\n[0019] 高电压宽带激励信号产生器的实现形式可以分为两种：（1）基于计算机外部总线，如USB总线等，形成独立的超小型化高电压宽带激励信号产生器。（2）基于计算机系统总线，如PCI、CPCI等，形成卡式高电压宽带激励信号产生器。\n[0020] 有益效果：本发明的优点是：（1)常用的宽带Lamb波激励信号一般有阶跃信号和脉冲信号两种。这两种信号在时域上的持续时间非常短，所以频带很宽。由于宽带激励信号时域持续时间短，其作用在压电元件上的时间也就非常短，可以理解为给压电元件施加一个瞬态的高电压激励信号，因此不需要长时间维持激励信号的输出功率，降低了系统功耗；\n（2）使用宽带激励，就不再需要集成结构健康监测系统的任意波形产生的硬件和相应的软件管理功能，进一步降低了系统功耗和集成的复杂度以及成本，同时也减小了集成结构健康监测系统软件管理的工作量，从软硬件两个方面都提高了系统的稳定性；（3）本发明在保证集成结构健康监测系统激励信号输出功能完备性的同时，降低了系统的功耗，增强了系统的集成性，因此可以促进便携式结构健康监测系统的发展以及飞机机载结构健康监测系统的实现。\n附图说明\n[0021] 图1基于压电元件和Lamb波的集成结构健康监测系统的组成图；\n[0022] 图2本发明的高电压宽带Lamb波激励信号产生器组成图；\n[0023] 图3实施方式一的高电压宽带Lamb波激励信号产生器的实现方案；\n[0024] 图4实施方式一的控制程序基本运行流程图；\n[0025] 图5实施方式二的高电压宽带Lamb波激励信号产生器的实现方案；\n[0026] 图6实施方式二的控制程序基本运行流程图。\n具体实施方式\n[0027] 实施方式一：\n[0028] 如图2所示，本实施例的基于PCI/CPCI/PC104+计算机系统总线的高电压宽带Lamb波激励信号产生器包括PCI总线接口模块、单片机、高电压宽带激励信号输出模块、DC/DC电源模块和输出通断控制模块，整体实现方案如图3所示。\n[0029] PCI总线接口模块直接采用PCI总线桥接芯片及其外围辅助电路实现。\n[0030] 利用一个8位单片机作为逻辑管理模块的核心，通过PCI总线接口模块传递的命令，对高电压宽带激励信号输出模块和输出通断控制模块进行程控。在激励信号输出时，单片机首先发出输出通断控制信号驱动输出通断控制模块开启输出信号通道，延迟N1个时钟周期（N1根据单片机的时钟设定，以达到延迟时间50ms~100ms为宜，目的是使输出通断控制模块中的高压继电器达到稳定切换状态）后，发出信号输出控制信号，触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号，并通过输出通断控制模块输出至外界压电元件。在停止激励信号输出时，单片机首先发出信号输出控制信号，停止高电压宽带激励信号输出模块的信号输出，延迟时间N2个时钟周期（N2根据单片机的时钟设定，以达到延迟时间\n10ms~20ms为宜）后，发出输出通断控制信号驱动输出通断控制模块关闭输出信号通道。利用单片机实现的同步的方式为：单片机在触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号的同时，从其通用I/O端口发出数字同步信号，该同步信号输入到外部数据采集设备的数字触发端口实现与数据采集的同步。\n[0031] 高电压宽带激励信号输出模块输出时间窄带脉冲信号，该模块采用小型化的数字模拟混合集成的高电压宽带信号产生芯片及其外围辅助电路实现。芯片的数字逻辑部分用来接收控制信号，然后驱动内部的模拟部分完成相应的操作；芯片的模拟部分主要用来产生高电压的频域宽带激励信号。高电压宽带激励信号输出模块的功耗（含输出功率）为6W。\n[0032] 输出通断控制模块由超小型高压继电器及其驱动电路组成。驱动电路为常规的继电器驱动电路，根据输出通断控制信号驱动继电器的闭合和断开，以此实现对输出信号的通断控制。\n[0033] DC/DC电源模块将总线上的+12V直流电源转换为高电压宽带激励信号输出模块需要的±70V直流电源，其提供的电源功率为8W。总线的+5V电源直接对高电压宽带激励信号输出模块的数字逻辑部分进行供电，提供功率为0.5W。\n[0034] 本实施方式的基于PCI/CPCI/PC104+计算机系统总线的程控、低功耗的高电压宽带激励信号产生器的控制程序可以分为两种工作情况：（1）以图形用户界面实现；（2）作为一段代码嵌入其它应用程序。这两种实施情况的基本流程如图4所示。\n[0035] 工作情况（1）：\n[0036] 1）编写状态控制程序图形用户界面，这个图形用户界面可以用LabVIEW，Visual C，Visual C++等支持C语言的开发环境来实现。\n[0037] 2）运行控制程序，控制高电压宽带激励信号输出模块及输出通断控制模块工作。\n[0038] 工作情况（2）：\n[0039] 1）将控制程序写成待嵌入的应用程序的软件环境支持的代码，嵌入应用程序中。\n凡是支持C语言的应用程序都可将其嵌入。\n[0040] 2）运行控制程序，控制高电压宽带激励信号输出模块及输出通断控制模块工作。\n[0041] 实施方式二：\n[0042] 如图2所示，本实施例的基于USB计算机外部总线的高电压宽带Lamb波激励信号产生器包括单片机、高电压宽带激励信号输出模块、DC/DC电源模块和输出通断控制模块，整体实现方案如图5所示。\n[0043] USB总线接口通信直接采用单片机内部的USB桥接模块实现。单片机直接对高电压宽带激励信号输出模块和输出通断控制模块进行程控。在激励信号输出时，单片机首先发出输出通断控制信号驱动输出通断控制模块开启输出信号通道，延迟N1个时钟周期（N1根据单片机的时钟设定，以达到延迟时间50ms~100ms为宜，目的是使输出通断控制模块中的高压继电器达到稳定状态）后，发出信号输出控制信号，触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号，并通过输出通断控制模块输出至外界压电元件。在停止激励信号输出时，单片机首先发出信号输出控制信号，停止高电压宽带激励信号输出模块的信号输出，延迟时间N2个时钟周期（N2根据单片机的时钟设定，以达到延迟时间10ms~20ms为宜）后，发出输出通断控制信号，驱动输出通断控制模块关闭输出信号通道。利用单片机实现的同步的方式为：单片机在触发高电压宽带激励信号输出模块产生高电压宽带激励信号的同时，从其通用I/O端口发出数字同步信号，该同步信号输入到外部数据采集设备的数字触发端口实现与数据采集的同步。\n[0044] 高电压宽带激励信号输出模块输出时间窄带脉冲信号，该模块采用小型化的数字模拟混合集成的高电压宽带信号产生芯片及其外围辅助电路实现。芯片的数字逻辑部分用来接收控制信号，然后驱动内部的模拟部分完成相应的操作；芯片的模拟部分主要用来产生高电压的宽带激励信号。高电压宽带激励信号输出模块的功耗（含输出功率）4W。\n[0045] 输出通断控制模块由超小型高压继电器及其驱动电路组成。驱动电路为常规的继电器驱动电路，其根据输出通断控制信号驱动继电器的闭合和断开，以此实现对输出信号的通断控制。\n[0046] DC/DC电源模块将总线上的+5V直流电源转换为高电压宽带激励信号输出模块需要的±50V直流电源，其提供的电源功率为5W。总线的+5V电源直接对高电压宽带激励信号输出模块的数字逻辑部分进行供电，提供功率为0.5W。\n[0047] 本实施方式的基于USB计算机外部总线的程控、低功耗的高电压宽带激励信号产生器的控制程序可以分为两种工作情况：（1）以图形用户界面实现；（2）作为一段代码嵌入其它应用程序。这两种实施情况的基本流程如图6所示。\n[0048] 工作情况（1）：\n[0049] 1）编写状态控制程序图形用户界面，这个图形用户界面可以用LabVIEW，Visual C，Visual C++等支持C语言的开发环境来实现。\n[0050] 2）运行控制程序，控制高电压宽带激励信号输出模块及输出通断控制模块工作。\n[0051] 工作情况（2）：\n[0052] 1）将控制程序写成待嵌入的应用程序的软件环境支持的代码，嵌入应用程序中。\n凡是支持C语言的应用程序都可将其嵌入。\n[0053] 2）运行控制程序，控制高电压宽带激励信号输出模块及输出通断控制模块工作。