[发明专利]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

说明书

技术领域：

本发明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。

背景技术：

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。

发明内容

发明目的：

本发明的所要解决的技术问题是针对上述背景技术下提供一种低串扰、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：

本发明为实现上述发明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。