[发明专利]应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器

说明书

技术领域

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。

背景技术

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。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。

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。

上述系统在激励信号输出链路的集成中存在以下问题：

（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。

（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。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。

（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：                                                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；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。

（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220V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。

本发明正是为了解决上述四点问题而提出来的。

发明内容

技术问题：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。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：