一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法制造方法及图纸

一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法。装置包括传感器数据处理模块、信号驱动电路、激发换能器、金属薄板件、接收换能器、信号处理电路和上位机；本发明专利技术效果：以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，能够以无线的方式进行单工通信，可在电磁屏蔽场合使用，降低了传统金属结构健康监测传感器系统的布线及维护成本，提高了系统的稳定性。压电陶瓷换能器作为主要组成部分，换能效率高，体积小，成本低。以属于超声导波的兰姆波作为信号载体，因此能量衰减小传递效率高，可以在远距离进行传输。

【技术实现步骤摘要】
一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法
本专利技术属于超声波数据通信
，特别是涉及一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法。
技术介绍
金属板形构件，尤其是厚度在8mm以下的金属薄板件，无论是在航空航天、汽车、船舶领域，还是在压力容器、大型化工容器方面均有广泛的应用。由于金属板状构件在生产过程中与使用过程中会产生损伤与破坏，从而对其结构的安全性构成了极大威胁。通过结构健康监测技术进行在线、实时有效的监测，从而及时发现这些材料中的疲劳与损伤对于预防事故的发生是非常重要的。结构健康监测技术需要利用集成或贴附于结构上的传感系统，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，并结合信号信息处理方法提取特征参数，实现结构健康诊断，以保证结构安全和降低维修费用。一个完整的传感系统需要利用数据线进行数据传输，不仅具有昂贵的通信供电电缆的安装和维护费用，而且其整体系统稳定性与鲁棒性也受到电缆的限制。结构健康监测系统在应用中不需要传输大量的数据，只需要将监测结果与上位机进行通信，数据量一般在kbps量级。目前无线通信技术已经比较成熟，在空气中大多数技术都是基于电磁波，在需要进行电磁屏蔽的场合难易适用，且还要在传感系统中单独加入通信系统，增加系统的体积与重量。
技术实现思路
为了解决上述问题，基于现有技术中所存在的缺陷与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于兰姆波的无线单工通信装置和方法，用于解决现有技术中金属薄板件健康监测传感器在电磁屏蔽场合利用电缆进行单工通信的问题，以提供一种更稳定、装置更简单的无线数据通信技术。为了达到上述目的，本专利技术提供的基于兰姆波的无线通信装置包括传感器数据处理模块、信号驱动电路、压电激发换能器、金属薄板件、压电接收换能器、信号处理电路、上位机；其中激发换能器和接收换能器间隔设置在金属薄板件的表面，并且上端面设有上电极和下电极；传感器数据处理模块的输出端与信号驱动电路的输入端相连且共地；信号驱动电路的输出端与接地端分别与激发换能器的上电极和下电极用导线连接；接收换能器的上电极和下电极分别与信号处理电路的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路的输出端连接主机。所述的激发换能器和接收换能器形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。所述的上电极和下电极选用银电极或铜电极。所述的金属薄板件采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。所述的信号驱动电路由第一DSP核心系统电路、第一DSP芯片、DAC转换电路、重构滤波电路、功率放大电路组成；其中第一DSP芯片同时与第一DSP核心系统电路、DAC转换电路以及传感器数据处理模块相连接；DAC转换电路依次通过重构滤波电路、功率放大电路与激发换能器相连接。所述的信号处理电路由电荷放大电路、电压放大电路、滤波电路、ADC转换电路、DSP芯片、DSP核心系统电路组成；其中电荷放大电路与接收换能器相连接，同时依次通过电压放大电路、滤波电路、ADC转换电路、第二DSP芯片与上位机相连接，而第二DSP芯片还同时与第二DSP核心系统电路相连接。所述的换能器采用医用超声耦合剂或甘油和磁铁吸座固定在金属薄板件的表面。本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置的无线单工通信方法包括按顺序进行的下列步骤：1)首先启动基于兰姆波的无线单工通信装置，利用集成或贴附于待进行健康监测的结构上的传感器数据处理模块实时对该结构的健康状况进行监测，并将监测信号进行处理，以提取出特征值，然后传输给信号驱动电路；2)信号驱动电路对接收到的信号进行编码及调制，然后输出电压激励信号给激发换能器；3)激发换能器收到上述电压激励信号激发后产生机械振动并将其耦合到金属薄板件中，以激发金属薄板件中的兰姆波；4)上述兰姆波将沿着金属薄板件的板面方向传播，金属薄板件上远处设置的接收换能器将携带有调制信号的兰姆波机械振动转换成具有电势差的压电信号并输出给信号处理电路；5)信号处理电路将上述压电交流信号进行解调与信道解码，并将结果传输给上位机进行监视。本专利技术提供的基于兰姆波的无线输出传输装置和方法具有以下有益效果：(1)本专利技术以金属薄板件中的兰姆波作为信号的载体，以金属薄板为传输媒介，能够以无线的方式进行单工通信，为金属薄板件上的结构健康监测传感器的数据结果提供通讯功能。(2)本专利技术降低了传统传感器系统的数据传输布线及维护成本，摆脱了传统的电磁信号传输方法，可以适用于更多的场合，提高了系统的稳定性。(3)本专利技术以压电陶瓷换能器作为主要组成部分，换能效率高，体积小，成本低。(4)本专利技术以属于超声导波的兰姆波作为信号载体，因为兰姆波的能量衰减小传递效率高，因此该方法能够传输的距离较远。附图说明图1是本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置结构示意图；图2是本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中激发换能器和接收换能器结构示意图；图3是本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中信号驱动电路的结构示意图；图4是本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置中信号处理电路的结构示意图；图5是本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信方法流程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功能。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为了使本领域技术人员能够更好地理解本专利技术中的技术方案，这里对下面将要涉及的技术予以解释说明。基于现有技术中所存在的缺陷与不足，本专利技术提出一种基于超声兰姆波的无线单工通信装置和方法，兰姆波是薄板材料中的超声导波，在数据传输方面，兰姆波的优势在于能量衰减小，适合于长距离的传输。如图1-2所示，本专利技术提供的基于兰姆波的无线单工通信装置包括传感器数据处理模块1、信号驱动电路2、激发换能器3、金属薄板件4、接收换能器5、信号处理电路6和上位机7；其中激发换能器3和接收换能器5间隔设置在金属薄板件4的表面，并且上端面设有上电极8和下电极9；传感器数据处理模块1集成或贴附于待进行健康监测的结构上，输出端连接信号驱动电路2；信号驱动电路2的输出端与接地端分别与激发换能器3的上电极8和下电极9用导线连接；接收换能器5的上电极8和下电极9分别与信号处理电路6的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路6的输出端连接上位机7。所述的激发换能器3和接收换能器5形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。所述的激发换能器3采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器。PZT-4材料具有较低的机械损耗和介电损耗、较大的交流退极化场，并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数，特别适合于强电场、大机械振幅的激励使用。而PZT-8材料具有比PZT-4材料更低的机械损耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的基于兰姆波的无线单工通信装置包括传感器数据处理模块(1)、信号驱动电路(2)、激发换能器(3)、金属薄板件(4)、接收换能器(5)、信号处理电路(6)和上位机(7)；其中激发换能器(3)和接收换能器(5)间隔设置在金属薄板件(4)的表面，并且上端面均设有上电极(8)和下电极(9)；传感器数据处理模块(1)集成或贴附于待进行健康监测的结构上，输出端连接信号驱动电路(2)；信号驱动电路(2)的输出端与接地端分别与激发换能器(3)的上电极(8)和下电极(9)用导线连接；接收换能器(5)的上电极(8)和下电极(9)分别与信号处理电路(6)的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路(6)的输出端连接上位机(7)。

【技术特征摘要】
1.一种基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的基于兰姆波的无线单工通信装置包括传感器数据处理模块(1)、信号驱动电路(2)、激发换能器(3)、金属薄板件(4)、接收换能器(5)、信号处理电路(6)和上位机(7)；其中激发换能器(3)和接收换能器(5)间隔设置在金属薄板件(4)的表面，并且上端面均设有上电极(8)和下电极(9)；传感器数据处理模块(1)集成或贴附于待进行健康监测的结构上，输出端连接信号驱动电路(2)；信号驱动电路(2)的输出端与接地端分别与激发换能器(3)的上电极(8)和下电极(9)用导线连接；接收换能器(5)的上电极(8)和下电极(9)分别与信号处理电路(6)的输入端及接地端用导线连接；信号处理电路(6)的输出端连接上位机(7)。2.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的激发换能器(3)和接收换能器(5)形状相同，均采用扁平圆片状压电陶瓷换能器，直径为2-5个兰姆波A0模态的波长。3.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的激发换能器(3)采用由PZT-4或PZT-8材料制成的发射型压电陶瓷换能器；所述的接收换能器(5)采用由PZT-5材料制成的接收型压电陶瓷换能器。4.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的上电极(8)和下电极(9)选用银电极和铜电极。5.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的金属薄板件(4)采用铝合金、钛合金、钢合金材料，厚度在0.5-8mm之间。6.根据权利要求1所述的基于兰姆波的无线单工通信装置，其特征在于：所述的信号驱动电路(2)由第一DSP核心系统电路(2-1)、第一DSP芯片(2-2)、DAC转换电路(2-3)、重构滤波电路(2-4)、功率放大电路(2-5)组成；其中第一DSP芯片(2-2)同时与第一DSP核心系统电路(2-1)、DAC转换电路(...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮小博，李一博，曾周末，刘圆圆，封皓，黄新敬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12