一種基于蘭姆波的無線單工通信裝置和方法與流程

本發明屬于超聲波數據通信技術領域，特別是涉及一種基于蘭姆波的無線單工通信裝置和方法。

背景技術：

金屬板形構件，尤其是厚度在8mm以下的金屬薄板件，無論是在航空航天、汽車、船舶領域，還是在壓力容器、大型化工容器方面均有廣泛的應用。由于金屬板狀構件在生產過程中與使用過程中會產生損傷與破壞，從而對其結構的安全性構成了極大威脅。通過結構健康監測技術進行在線、實時有效的監測，從而及時發現這些材料中的疲勞與損傷對于預防事故的發生是非常重要的。

結構健康監測技術需要利用集成或貼附于結構上的傳感系統，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，并結合信號信息處理方法提取特征參數，實現結構健康診斷，以保證結構安全和降低維修費用。一個完整的傳感系統需要利用數據線進行數據傳輸，不僅具有昂貴的通信供電電纜的安裝和維護費用，而且其整體系統穩定性與魯棒性也受到電纜的限制。

結構健康監測系統在應用中不需要傳輸大量的數據，只需要將監測結果與上位機進行通信，數據量一般在kbps量級。目前無線通信技術已經比較成熟，在空氣中大多數技術都是基于電磁波，在需要進行電磁屏蔽的場合難易適用，且還要在傳感系統中單獨加入通信系統，增加系統的體積與重量。

技術實現要素：

為了解決上述問題，基于現有技術中所存在的缺陷與不足，本發明的目的在于提供一種基于蘭姆波的無線單工通信裝置和方法，用于解決現有技術中金屬薄板件健康監測傳感器在電磁屏蔽場合利用電纜進行單工通信的問題，以提供一種更穩定、裝置更簡單的無線數據通信技術。

為了達到上述目的，本發明提供的基于蘭姆波的無線通信裝置包括傳感器數據處理模塊、信號驅動電路、壓電激發換能器、金屬薄板件、壓電接收換能器、信號處理電路、上位機；其中激發換能器和接收換能器間隔設置在金屬薄板件的表面，并且上端面設有上電極和下電極；傳感器數據處理模塊的輸出端與信號驅動電路的輸入端相連且共地；信號驅動電路的輸出端與接地端分別與激發換能器的上電極和下電極用導線連接；接收換能器的上電極和下電極分別與信號處理電路的輸入端及接地端用導線連接；信號處理電路的輸出端連接主機。

所述的激發換能器和接收換能器形狀相同，均采用扁平圓片狀壓電陶瓷換能器，直徑為2-5個蘭姆波a0模態的波長。

所述的上電極和下電極選用銀電極或銅電極。

所述的金屬薄板件采用鋁合金、鈦合金、鋼合金材料，厚度在0.5-8mm之間。

所述的信號驅動電路由第一dsp核心系統電路、第一dsp芯片、dac轉換電路、重構濾波電路、功率放大電路組成；其中第一dsp芯片同時與第一dsp核心系統電路、dac轉換電路以及傳感器數據處理模塊相連接；dac轉換電路依次通過重構濾波電路、功率放大電路與激發換能器相連接。

所述的信號處理電路由電荷放大電路、電壓放大電路、濾波電路、adc轉換電路、dsp芯片、dsp核心系統電路組成；其中電荷放大電路與接收換能器相連接，同時依次通過電壓放大電路、濾波電路、adc轉換電路、第二dsp芯片與上位機相連接，而第二dsp芯片還同時與第二dsp核心系統電路相連接。

所述的換能器采用醫用超聲耦合劑或甘油和磁鐵吸座固定在金屬薄板件的表面。

本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置的無線單工通信方法包括按順序進行的下列步驟：

1)首先啟動基于蘭姆波的無線單工通信裝置，利用集成或貼附于待進行健康監測的結構上的傳感器數據處理模塊實時對該結構的健康狀況進行監測，并將監測信號進行處理，以提取出特征值，然后傳輸給信號驅動電路；

2)信號驅動電路對接收到的信號進行編碼及調制，然后輸出電壓激勵信號給激發換能器；

3)激發換能器收到上述電壓激勵信號激發后產生機械振動并將其耦合到金屬薄板件中，以激發金屬薄板件中的蘭姆波；

4)上述蘭姆波將沿著金屬薄板件的板面方向傳播，金屬薄板件上遠處設置的接收換能器將攜帶有調制信號的蘭姆波機械振動轉換成具有電勢差的壓電信號并輸出給信號處理電路；

5)信號處理電路將上述壓電交流信號進行解調與信道解碼，并將結果傳輸給上位機進行監視。

本發明提供的基于蘭姆波的無線輸出傳輸裝置和方法具有以下有益效果：

(1)本發明以金屬薄板件中的蘭姆波作為信號的載體，以金屬薄板為傳輸媒介，能夠以無線的方式進行單工通信，為金屬薄板件上的結構健康監測傳感器的數據結果提供通訊功能。

(2)本發明降低了傳統傳感器系統的數據傳輸布線及維護成本，擺脫了傳統的電磁信號傳輸方法，可以適用于更多的場合，提高了系統的穩定性。

(3)本發明以壓電陶瓷換能器作為主要組成部分，換能效率高，體積小，成本低。

(4)本發明以屬于超聲導波的蘭姆波作為信號載體，因為蘭姆波的能量衰減小傳遞效率高，因此該方法能夠傳輸的距離較遠。

附圖說明

圖1是本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置結構示意圖；

圖2是本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置中激發換能器和接收換能器結構示意圖；

圖3是本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置中信號驅動電路的結構示意圖；

圖4是本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置中信號處理電路的結構示意圖；

圖5是本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信方法流程圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功能。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。

為了使本領域技術人員能夠更好地理解本發明中的技術方案，這里對下面將要涉及的技術予以解釋說明。

基于現有技術中所存在的缺陷與不足，本發明提出一種基于超聲蘭姆波的無線單工通信裝置和方法，蘭姆波是薄板材料中的超聲導波，在數據傳輸方面，蘭姆波的優勢在于能量衰減小，適合于長距離的傳輸。

如圖1-2所示，本發明提供的基于蘭姆波的無線單工通信裝置包括傳感器數據處理模塊1、信號驅動電路2、激發換能器3、金屬薄板件4、接收換能器5、信號處理電路6和上位機7；其中激發換能器3和接收換能器5間隔設置在金屬薄板件4的表面，并且上端面設有上電極8和下電極9；傳感器數據處理模塊1集成或貼附于待進行健康監測的結構上，輸出端連接信號驅動電路2；信號驅動電路2的輸出端與接地端分別與激發換能器3的上電極8和下電極9用導線連接；接收換能器5的上電極8和下電極9分別與信號處理電路6的輸入端及接地端用導線連接；信號處理電路6的輸出端連接上位機7。

所述的激發換能器3和接收換能器5形狀相同，均采用扁平圓片狀壓電陶瓷換能器，直徑為2-5個蘭姆波a0模態的波長。

所述的激發換能器3采用由pzt-4或pzt-8材料制成的發射型壓電陶瓷換能器。pzt-4材料具有較低的機械損耗和介電損耗、較大的交流退極化場，并具有較大的介電常數、機電耦合系數和壓電常數，特別適合于強電場、大機械振幅的激勵使用。而pzt-8材料具有比pzt-4材料更低的機械損耗和介電損耗，介電常數、機械耦合系數、壓電常數也比pzt-4材料的稍低，然而抗張強度和穩定性均優于pzt-4材料，也適合于高機械振幅的激勵。

所述的接收換能器5采用由pzt-5材料制成的接收型壓電陶瓷換能器。pzt-5材料具有高機電耦合系數、高壓電應變常數和高電阻率，各機電參數具有優異的時間穩定性和溫度穩定性，因此對低功率共振和非共振場合都很適合。

所述的上電極8和下電極9選用銀電極或銅電極。銀電極與銅電極的參數差別不大，但因為銀分子更為活潑，滲透力更強，其靜電容量更大，因此可以優先選用銀電極。

所述的金屬薄板件4采用鋁合金、鈦合金、鋼合金材料，厚度在0.5-8mm之間。

如圖3所示，所述的信號驅動電路2由第一dsp核心系統電路2-1、第一dsp芯片2-2、dac轉換電路2-3、重構濾波電路2-4、功率放大電路2-5組成；其中第一dsp芯片2-2同時與第一dsp核心系統電路2-1、dac轉換電路2-3以及傳感器數據處理模塊1相連接；dac轉換電路2-3依次通過重構濾波電路2-4、功率放大電路2-5與激發換能器3相連接。信號驅動電路2的主要功能是將傳感器數據處理模塊1輸出的信號利用第一dsp芯片2-2進行編碼。但第一dsp芯片2-2無法獨立工作，其需要第一dsp核心系統電路2-1的支持，包括復位電路、時鐘電路、電源電路等。第一dsp芯片2-2編碼得到的信號是以數字量存在的，首先需要經過dac轉換電路2-3將它轉為模擬信號值。但數模轉換以后的波形仍然是離散的，因此需要經過重構濾波電路2-4對離散信號進行調理，使輸出波形更接近理想的信號。但是這時的信號電壓較低、能提供的電流較小，帶負載能力是比較弱的，不足以驅動激發換能器3，因此需要功率放大電路2-5將信號功率放大，以增加電路的驅動能力。

如圖4所示，所述的信號處理電路6由電荷放大電路6-1、電壓放大電路6-2、濾波電路6-3、adc轉換電路6-4、第二dsp芯片6-5、第二dsp第二核心系統電路6-6組成；其中電荷放大電路6-1與接收換能器5相連接，同時依次通過電壓放大電路6-2、濾波電路6-3、adc轉換電路6-4、第二dsp芯片6-5與上位機7相連接，而第二dsp芯片6-5還同時與第二dsp核心系統電路6-6相連接。信號處理電路6的主要功能是將接收換能器5接收到的電荷信號利用電荷放大電路6-1轉為電壓信號，再將電壓信號經過電壓放大電路6-3及濾波電路6-3進行放大、濾波，然后輸出信噪比較高的信號并通過adc轉換電路6-4進行模數轉換，之后將數字信號輸入第二dsp芯片6-5中進行解碼，但第二dsp芯片6-5無法獨立工作，其需要第二dsp核心系統電路6-6的支持，包括復位電路、時鐘電路、電源電路等，第二dsp芯片6-5編碼得到的信號最后傳輸給上位機7。

所述的激發換能器3和接收換能器5采用醫用超聲耦合劑或甘油和磁鐵吸座固定在金屬薄板件4的表面，目的是減少換能器與金屬薄板件4之間的空氣間隙，提高耦合效率。其中醫用超聲耦合劑的黏度較大，安裝時將醫用超聲耦合劑涂抹在金屬薄板件4的表面，隨后壓緊換能器以擠壓出多余的醫用超聲耦合劑。甘油的流動性更強，因此涂抹要求低，但是黏性低，對換能器無固定作用，且容易造成換能器的滑動，因此可以搭配磁鐵吸座來固定換能器以增加壓力。

如圖5所示，采用上述基于蘭姆波的無線單工通信裝置的無線單工通信方法包括按順序進行的下列步驟：

1)首先啟動基于蘭姆波的無線單工通信裝置，利用集成或貼附于待進行健康監測的結構上的傳感器數據處理模塊1實時對該結構的健康狀況進行監測，并將監測信號進行處理，以提取出特征值，然后傳輸給信號驅動電路2；

2)信號驅動電路2對接收到的信號進行編碼及調制，然后輸出電壓激勵信號給激發換能器3；

3)激發換能器3收到上述電壓激勵信號激發后產生機械振動并將其耦合到金屬薄板件4中，以激發金屬薄板件中的蘭姆波；

4)上述蘭姆波將沿著金屬薄板件4的板面方向傳播，金屬薄板件4上遠處設置的接收換能器5將攜帶有調制信號的蘭姆波機械振動轉換成具有電勢差的壓電信號并輸出給信號處理電路6；

5)信號處理電路6將上述壓電交流信號進行解調與信道解碼，并將結果傳輸給上位機7進行監視。

所述的蘭姆波在金屬薄板件4中遵循瑞利-蘭姆方程進行傳播：

式中：ω為角頻率，cl為縱波波速，ct為橫波波速，k為沿水平方向的波數，h為金屬薄板件4厚度的一半。

另外，激發換能器3和接收換能器5的尺寸選擇與諧振頻率相關，需要先選擇信號傳遞使用的頻率，本發明優選頻率為10khz-1mhz。通常金屬薄板件4越厚頻率選擇越低，因為金屬薄板件4厚度增加或頻率增加將使蘭姆波的群速度增加，群速度太快對于接收換能器5的接收準確率有影響。需要注意的是，諧振頻率盡量與金屬薄板件4、周邊結構的諧振頻率錯開，因為如果與金屬薄板件4諧振，容易引起宏觀上的振動，對于結構的穩定性有影響。

總的來說，結合上述優選方式，系統的數據傳輸速度與誤碼率成正比，速度越高誤碼率越高。如要提高速度或準確性，可以通過優化編碼解碼算法或針對蘭姆波的特點進行模態分解，這需要通過科學實驗的對比分析，才能調試到裝置達到最佳工作狀態。除此之外，還可以通過較為先進的壓電換能材料或形式達到更高的效率，比如選取新型的高壓電系數復合材料等提高激發效率，但會提高整個裝置的成本。

上述說明僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。