專利名稱：用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)調(diào)理設(shè)備，尤其涉及一種用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工程結(jié)構(gòu)(特別是航空航天結(jié)構(gòu))運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜和設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。所謂結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是將傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想，完成先進(jìn)傳感/驅(qū)動(dòng)元件網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)的融合，達(dá)到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安全健康情況的目的，并對(duì)可能給結(jié)構(gòu)造成損傷的事件進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)使用的傳感器類型，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以分為壓電、光纖光柵、電阻應(yīng)變片、電渦流等類型。其中，壓電材料以其輕質(zhì)、響應(yīng)速度快、頻帶寬、傳感/驅(qū)動(dòng)一體等特點(diǎn)成為了目前健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的熱門傳感器。它能直接轉(zhuǎn)化機(jī)械量和電學(xué)量，將結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)用于后續(xù)系統(tǒng)的采集與處理，使用方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。傳統(tǒng)的基于壓電材料的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)通常采用在結(jié)構(gòu)中布置傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，采集結(jié)構(gòu)中彈性波的信號(hào)，結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理方式和分析方法，根據(jù)信號(hào)之間的時(shí)間差異定位載荷位置或損傷位置。這種監(jiān)測(cè)手段需要提前知道彈性波在結(jié)構(gòu)中的傳播速度，然而對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素(如溫度)，結(jié)構(gòu)中彈性波的傳播速度大不相同，這使得傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和各向異性的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)難以應(yīng)用。含金屬芯壓電纖維(Metal-core Piezoelectric Fiber MPF)是適應(yīng)二十一世紀(jì)智能傳感器發(fā)展的產(chǎn)物。利用MPF進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷和損傷定位的技術(shù)已卓有成效。它不僅具有體積小、重量輕、傳感性能好(具有方向性)、需要的外部設(shè)備少、能最大限度地減少對(duì)基體材料的影響的優(yōu)點(diǎn)，又可以作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器使用，這些優(yōu)點(diǎn)使得MPF具有在未來航空飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得以使用的誘人前景。與傳統(tǒng)壓電傳感器的巨大差異在于，MPF能夠通過分析彈性波的方向特性對(duì)結(jié)構(gòu)的載荷和損傷進(jìn)行定位，無需知道彈性波傳播速度，更加適合在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。目前，根據(jù)MPF實(shí)際工程應(yīng)用的需求，集成多根MPF的智能夾層傳感器已經(jīng)研制成功并投入了使用。考慮到MPF智能夾層與傳統(tǒng)壓電器件的區(qū)別，采用單一的電壓調(diào)理設(shè)備對(duì)MPF智能夾層信號(hào)進(jìn)行處理變得繁瑣，需要的設(shè)備多，而且專用程度很低。所以如何根據(jù)MPF智能夾層傳感器的特點(diǎn)完成傳感信號(hào)的調(diào)理成為了基于MPF智能夾層傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)中的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種針對(duì)MPF智能夾層傳感特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且性能符合要求的信號(hào)調(diào)理設(shè)備方案，用于MPF智能夾層的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，降低信號(hào)受到的環(huán)境噪聲的影響，放大信號(hào)中有效的頻率信息，完成對(duì)MPF智能夾層的信號(hào)調(diào)理過程，便于后續(xù)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集。技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的用于MPF智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，包括與MPF智能夾層連接的接口模塊、電壓放大模塊和信號(hào)濾波模塊。所述的接口模塊包括信號(hào)輸入接口單元和信號(hào)輸出接口單元；所述的電壓放大模塊包括第一級(jí)電壓放大單元和第二級(jí)電壓放大單元；所述的信號(hào)濾波模塊包括低通濾波單元和高通濾波單元。MPF智能夾層的信號(hào)經(jīng)信號(hào)輸入接口單元依次經(jīng)過第一級(jí)電壓放大單元、低通濾波單元、高通濾波單元和第二級(jí)電壓放大單元進(jìn)行處理，最后經(jīng)信號(hào)輸出接口單元輸出。其中，所述MPF智能夾層的接線端口設(shè)計(jì)了端口的尺寸和信號(hào)接線形式；所述的電壓放大模塊采用了二級(jí)放大的方案，首先一級(jí)放大單元提高了信號(hào)的幅值，增加了信號(hào)的信噪比，便于后續(xù)的濾波處理，其次第二級(jí)放大單元使信號(hào)幅值提高到適合系統(tǒng)采樣與分析的范圍；所述的濾波模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的使用要求，提取了信號(hào)中具有有效信息的頻帶，降低了信號(hào)噪聲的分量。更進(jìn)一步地，所述的第一級(jí)電壓放大單元中，MPF智能夾層的電壓信號(hào)經(jīng)第一電阻輸入第一運(yùn)算放大器的反相輸入端，第一運(yùn)算放大器的正向輸入端通過第二電阻接地，第一運(yùn)算放大器的反相輸入端通過第三電阻與輸出端連接。更進(jìn)一步地，所述的低通濾波單元中，第一電容一端與第一運(yùn)算放大器的輸出端連接，另一端通過第二電容與第二運(yùn)算放大器的正向輸入端連接，第二運(yùn)算放大器的正向輸入端通過第五電阻接地，第四電阻一端接于第一電容和第二電容之間，另一端分別與第二運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端連接。更進(jìn)一步地，所述的高通濾波模塊中，第六電阻一端與第二運(yùn)算放大器的輸出端連接，另一端通過第三電容分別與第三運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端連接，第七電阻位于第六電阻和第三運(yùn)算放大器的同相輸入端之間，第三運(yùn)算放大器的同相輸入端通過第四電容接地。更進(jìn)一步地，所述的第二級(jí)電壓放大模塊中，第八電阻一端與第三運(yùn)算放大器的輸出端連接，另一端與第四運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，第四運(yùn)算放大器的同相輸入端通過第十電阻接地，第四運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間連接有第九電阻。更進(jìn)一步地，為了實(shí)現(xiàn)MPF智能夾層信號(hào)的便捷式輸入，MPF智能夾層的信號(hào)接口包含四根信號(hào)線，分別對(duì)應(yīng)為MPF1，MPF2，MPF3的陶瓷表面金屬電極還有金屬芯處電極，三根MPF的金屬芯公用一個(gè)設(shè)備地線且與MPF智能夾層中的環(huán)繞電線連接。這樣的設(shè)計(jì)將MPF智能夾層中的八根線集成到了一個(gè)四線接口上。設(shè)備的輸出采用SMA接頭將調(diào)理好的信號(hào)輸出到后續(xù)設(shè)備中。如果有兩組MPF智能夾層的信號(hào)需要進(jìn)行調(diào)理，則共有兩個(gè)輸入接口和六個(gè)輸出接口，依次增加。有益效果
本發(fā)明的用于MPF智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備針對(duì)MPF智能夾層在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用需求，能夠完成對(duì)智能夾層信號(hào)的調(diào)理過程以及信號(hào)在各設(shè)備中的連接。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可根據(jù)智能夾層中壓電纖維的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展。


圖1本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理設(shè)備的原理 圖2本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電路原理圖，其中(a)為第一級(jí)電壓放大單元與低通濾波單元電路示意圖，(b)為高通濾波單元與第二級(jí)電壓放大單元電路示意 圖3本發(fā)明的接口模塊中輸入接口結(jié)構(gòu)示意 圖4本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例與MPF智能夾層連接結(jié)構(gòu)示意 圖5本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的頻響曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步描述。如圖1所示，本實(shí)施例的用于MPF智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備包括與MPF智能夾層連接的接口模塊、電壓放大模塊和信號(hào)濾波模塊，所述的接口模塊包括信號(hào)輸入接口單元和信號(hào)輸出接口單元，其中，所述的電壓放大模塊包括第一級(jí)電壓放大單元和第二級(jí)電壓放大單元，所述的信號(hào)濾波模塊包括低通濾波單元和高通濾波單元，MPF智能夾層的信號(hào)經(jīng)信號(hào)輸入接口單元依次經(jīng)過第一級(jí)電壓放大單元、低通濾波單元、高通濾波單元和第二級(jí)電壓放大單元進(jìn)行處理，最后經(jīng)信號(hào)輸出接口單元輸出。電路中的各個(gè)模塊采用串聯(lián)的形式，每組電路用于一路信號(hào)的調(diào)理。最后的設(shè)備集成了六路信號(hào)調(diào)理電路，用于六路MPF信號(hào)，即兩組MPF智能夾層的使用。如圖2所示，為一路信號(hào)調(diào)理電路示意圖，其中，MPF智能夾層中的電壓信號(hào)直接作為輸入信號(hào)進(jìn)入模塊當(dāng)中，其中第一電阻R1、第二電阻R3和第一運(yùn)算放大器OPAl構(gòu)成第一級(jí)電壓放大單元，本實(shí)施例設(shè)計(jì)增益G1=R3/R1為8倍，適當(dāng)調(diào)節(jié)第二電阻R2控制失調(diào)電流引起的誤差。第四電阻R4、第五電阻R5、第一電容Cl、第二電容C2和第二運(yùn)算放大器0PA2構(gòu)成了低通濾波單元，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)際使用信號(hào)在IOOkHz以下，選擇的第一電容Cl、第二電容C2的值在15nF-20nF之間，R5=2*R4在150k Ω左右。第六電阻R6、第七電阻R7和第三電容C3、第四電容C4以及第四運(yùn)算放大器0PA3構(gòu)成了信號(hào)的高通濾波單元，為了抑制工頻干擾和壓電信號(hào)中不準(zhǔn)確的低頻部分，選擇通頻帶的截止下限為100Hz，根據(jù)電路設(shè)計(jì)公式選擇電阻R6=R7在7.5 kQ左右，電容C3=2*C4在150pF_200pF之間。最后，第八電阻R8、第九電阻R9和第四運(yùn)算放大器0PA4構(gòu)成了第二級(jí)電壓放大單元，將信號(hào)提高到后續(xù)采集設(shè)備需要的電壓幅值范圍。設(shè)計(jì)第二級(jí)電壓放大單元的電壓增益為10倍，選擇G2=R9/R8=10，適當(dāng)調(diào)節(jié)第十電阻RlO減小運(yùn)算放大器由于失調(diào)電流引起的誤差。如圖3所示為輸入接口結(jié)構(gòu)示意圖，其采用四線形式，分別布置MPF1、MPF2、MPF3的壓電陶瓷表面金屬電極和地線(MPF中金屬芯處的電極)。為了確保設(shè)備與MPF智能夾層的連接，接口處設(shè)置固定扣1，用于鎖緊MPF智能夾層的輸出端，固定扣2用于將接口固定在所述信號(hào)調(diào)理設(shè)備中。如圖4所示，為對(duì)兩路MPF智能夾層進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的系統(tǒng)示意圖，MPF智能夾層分別通過輸入接口與信號(hào)調(diào)理設(shè)備連接，最后輸出的信號(hào)使用SMA信號(hào)接口輸出。規(guī)范的輸入輸出接口能夠保證設(shè)備的連接并保持較高的信噪比。整個(gè)設(shè)備輸入輸出采用共地的方式，設(shè)備的供電采用直流12V、-12V和地的形式，降低了實(shí)現(xiàn)的難度。圖5給出了設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓頻響函數(shù)的幅頻曲線，從輸出曲線上看，設(shè)計(jì)滿足MPF智能夾層信號(hào)調(diào)理的要求，通頻帶增益為80倍，通頻帶范圍為IOOHz-1OOkHz ο
權(quán)利要求
1.一種用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其特征在于，包括與含金屬芯壓電纖維智能夾層連接的接口模塊、電壓放大模塊和信號(hào)濾波模塊，所述的接口模塊包括信號(hào)輸入接口單元和信號(hào)輸出接口單元，其中，所述的電壓放大模塊包括第一級(jí)電壓放大單元和第二級(jí)電壓放大單元，所述的信號(hào)濾波模塊包括低通濾波單元和高通濾波單元，含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)經(jīng)信號(hào)輸入接口單元依次經(jīng)過第一級(jí)電壓放大單元、低通濾波單元、高通濾波單元和第二級(jí)電壓放大單元進(jìn)行處理，最后經(jīng)信號(hào)輸出接口單元輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其特征在于，所述的第一級(jí)電壓放大單元中，含金屬芯壓電纖維智能夾層的電壓信號(hào)經(jīng)第一電阻(Rl)輸入第一運(yùn)算放大器(OPAl)的反相輸入端，第一運(yùn)算放大器(OPAl)的正向輸入端通過第二電阻(R2)接地，第一運(yùn)算放大器(OPAl)的反相輸入端通過第三電阻(R3)與輸出端連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其特征在于，所述的低通濾波單兀中，第一電容(Cl) 一端與第一運(yùn)算放大器(OPAl)的輸出端連接，另一端通過第二電容(C2)與第二運(yùn)算放大器(OPAl)的正向輸入端連接，第二運(yùn)算放大器(0PA2)的正向輸入端通過第五電阻(R5)接地，第四電阻(R4)—端接于第一電容(Cl)和第二電容(C2)之間，另一端分別與第二運(yùn)算放大器(0PA2)的反相輸入端和輸出端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其特征在于，所述的高通濾波單元中，第六電阻(R6) —端與第二運(yùn)算放大器(0PA2)的輸出端連接，另一端通過第三電容(C3)分別與第三運(yùn)算放大器(0PA3)的反相輸入端和輸出端連接，第七電阻(R7)位于第六電阻(R6)和第三運(yùn)算放大器(0PA3)的同相輸入端之間，第三運(yùn)算放大器(0PA3)的同相輸入端通過第四電容(C4)接地。
5.如權(quán)利要求4所述的用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其特征在于，所述的第二級(jí)電壓放大模塊中，第八電阻(R8) —端與第三運(yùn)算放大器(0PA3)的輸出端連接，另一端與第四運(yùn)算放大器(0PA4)的反相輸入端連接，第四運(yùn)算放大器(0PA4)的同相輸入端通過第十電阻(RlO)接地，第四運(yùn)算放大器(0PA4)的反相輸入端和輸出端之間連接有第九電阻(R9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于含金屬芯壓電纖維智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備，其包括與含金屬芯壓電纖維智能夾層連接的接口模塊、電壓放大模塊和信號(hào)濾波模塊，所述的接口模塊包括信號(hào)輸入接口單元和信號(hào)輸出接口單元，所述的電壓放大模塊包括第一級(jí)電壓放大單元和第二級(jí)電壓放大單元，所述的信號(hào)濾波模塊包括低通濾波單元和高通濾波單元。本發(fā)明的用于MPF智能夾層的信號(hào)調(diào)理設(shè)備針對(duì)MPF智能夾層在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用需求，能夠完成對(duì)智能夾層信號(hào)的調(diào)理過程以及信號(hào)在各設(shè)備中的連接。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可根據(jù)智能夾層中壓電纖維的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展。
文檔編號(hào)G01D3/036GK103196467SQ20131008731
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者裘進(jìn)浩, 張超, 單勝博, 徐姣, 閻志坤, 季宏麗, 吳郁程 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)