專利名稱：低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于主被動Lamb波和壓電陣列傳感器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) 用通道切換系統(tǒng)。在主動工作模式下，多通道切換系統(tǒng)可以實現(xiàn)單個壓電傳感器激勵，多個 壓電傳感器同時響應(yīng)的低串擾、快速通道切換與掃查。在被動工作模式下，多通道切換系統(tǒng) 可以實現(xiàn)任意壓電傳感器聲發(fā)射響應(yīng)通道的選通。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是采用智能材料結(jié)構(gòu)的新概念，利用集成在結(jié)構(gòu)中的傳感/驅(qū) 動元件，在線實時地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息，從而達到在線結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的目的。 復(fù)合材料以其比強度高、比剛度大、抗疲勞性能好及材料性能可設(shè)計等一系列優(yōu)點，在航 空、航天、汽車等工程領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。與金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學及 損傷特性復(fù)雜，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)能夠有效的保障結(jié)構(gòu)的安全。層合板復(fù)合材料在服役過 程中不可避免的要承受各種能量物體的沖擊。這些沖擊容易造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部分 層、基體開裂和纖維斷裂等損傷。這些內(nèi)部損傷破壞將使層合結(jié)構(gòu)的力學性能退化，承載能 力降低，對結(jié)構(gòu)的整體破壞和失效形成潛在的威脅。而且這些損傷多發(fā)生在材料內(nèi)部不易 從表面發(fā)現(xiàn)，留下隱患。常規(guī)的無損檢測方法，如超聲、X射線、電渦流射線及電位測量等， 設(shè)備復(fù)雜，而且需要對損傷的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役環(huán) 境下的實時在線監(jiān)測。所以利用被動式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊事件進行 在線監(jiān)測是十分必要的。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層、基體開裂、纖維斷裂、脫粘等損傷以及 金屬材料結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋等損傷可以結(jié)合主動式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，對其進行在線監(jiān)測。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)工程化應(yīng)用的日益發(fā)展，所需要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)體積逐步增 大，壓電傳感器是以陣列形式使用。因此需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)激勵-傳感通道切換和傳感器 通道選通功能的多通道切換系統(tǒng)。該多通道切換系統(tǒng)需要具有以下幾個特點(1)快速通道切換與掃查被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的體積大，傳感器數(shù)目多，要求多通道切換 系統(tǒng)能夠快速高效的輪詢傳感器組成的激勵-傳感網(wǎng)絡(luò)通道，保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的時效 性。例如由16個壓電傳感器組成的120路激勵-傳感通道，每通道切換的平均時間為0.5 秒鐘，如果使用單個傳感器激勵_單個傳感器響應(yīng)的通道切換模式，那么將所有120通道切 換一次的時間為60秒。而如果使用單個傳感器激勵-N個傳感器同時響應(yīng)的通道切換模式， 那么所有120通道切換一次的時間為120/N秒。(2)低串擾當作為激勵和傳感的兩個壓電傳感器在結(jié)構(gòu)上的布置距離較遠時， 為了提高信號的信噪比，一般需要采用高頻功率放大器提高激勵信號的能量。對于通道切 換系統(tǒng)來說，高頻大功率激勵信號為一個強干擾源，在其內(nèi)部會引起通道之間存在較強的 串擾信號，不利于信號的后繼處理。因此需要一種具有低串擾特性的通道切換系統(tǒng)，保證信
號質(zhì)量。
(3)主動和被動工作模式兼容同一臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，同一個壓電傳感器網(wǎng) 絡(luò)，要求它們既能完成主動式的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測任務(wù)，又能完成被動式的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測任務(wù)， 因此需要一種既能夠工作在主動模式下，按照主動模式的通道切換要求進行通道切換，又 能夠工作在被動模式下，按照被動模式的通道切換要求進行通道切換的多通道切換系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)下提供一種低串擾、快速和主 被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，在主動工作模式下，通道切換系統(tǒng)可以實現(xiàn)單個壓電傳感 器激勵，多個壓電傳感器同時響應(yīng)的快速通道切換與掃查。在被動工作模式下，通道切換系 統(tǒng)可以實現(xiàn)任意傳感器聲發(fā)射響應(yīng)通道的選通。通道切換系統(tǒng)具有低串擾特性。技術(shù)方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，包括通道控制中央處理器 模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開 關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊；其中系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊用于供電，所述通 道控制中央處理器模塊分別與被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、主被動工作方式切 換開關(guān)陣列連接，被動切換控制模塊的輸出端與被動開關(guān)切換陣列連接，主動切換控制模 塊的輸出端與主動切換開關(guān)陣列連接，主被動工作方式切換開關(guān)陣列分別與被動切換開關(guān) 陣列、主動切換開關(guān)陣列的輸入端連接。進一步，上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)中通道控制中央處 理器模塊由模塊電源、微控制器及其外圍輔助電路、主被動工作方式切換開關(guān)陣列驅(qū)動模 塊組成，其中微控制器為單片機或可編程邏輯器件或DSP。進一步，上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)中主動切換控制模 塊的邏輯功能電路為可編程邏輯器件或譯碼鎖存器及緩存輸入器。進一步，上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)中被動切換控制模 塊的邏輯功能電路為可編程邏輯器件或譯碼鎖存器及緩存輸入器。進一步，上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)中被動切換開關(guān)陣 列由NXM個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成，其中N、M均為大于1的正整數(shù)，且 M^N ；每個開關(guān)至少存在K1 K3三個觸點；N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開 關(guān)陣列后接通被動切換開關(guān)陣列，與其第一列每個開關(guān)的K1連接；初始狀態(tài)下，所有開關(guān) 的K1觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接；被動切換開關(guān)陣列中 的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種實現(xiàn)形式。進一步，上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)中主動切換開關(guān)陣 列由NXM個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成，其中N、M均為大于1的正整數(shù)，且 M^N ；每個開關(guān)至少存在K1 K3三個觸點；N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開 關(guān)陣列后接通主動切換開關(guān)陣列，與其第一列每個開關(guān)的K1連接；初始狀態(tài)下，所有開關(guān) 的K1觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接；被動切換開關(guān)陣列中 的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種實現(xiàn)形式。
一種應(yīng)用上述低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，系統(tǒng) 整體的實現(xiàn)方法是一個封裝在機殼中的獨立儀器，由計算機通過計算機外部總線或者自定 義總線對其進行控制；或者是一個卡式儀器，插接在計算機系統(tǒng)總線上，由計算機通過計算 機系統(tǒng)總線對其進行控制。有益效果本發(fā)明的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)壓電傳感器 陣列的多通道切換(1)將主動和被動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)需要的通道切換功能集成在了一 起；(2)實現(xiàn)了單激勵_多傳感工作模式的快速通道切換與掃查；(3)實現(xiàn)任意聲發(fā)射傳感 器通道的選通；(4)通道切換系統(tǒng)的信號串擾低，對信號影響??；(5)整套系統(tǒng)既能獨立使 用也能集成在計算機系統(tǒng)總線上使用，應(yīng)用范圍廣。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的主被動工作方式切換開關(guān)陣列及通道切換示意圖；圖3是本發(fā)明的被動切換開關(guān)陣列及通道切換示意圖；圖4是本發(fā)明的主動切換開關(guān)陣列及通道切換示意圖；圖5是本發(fā)明的通道控制中央處理器模塊示意圖；圖6是本發(fā)明的被動切換控制模塊示意圖；圖7是本發(fā)明的主動切換控制模塊示意圖；圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊示意圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述實施例(1)如圖1所示，本實施例是一種外部獨立儀器式的低串擾、快速和主被動兼容型壓 電通道切換系統(tǒng)，包括通道控制中央處理器模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切 換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模 塊。外部獨立儀器式的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)與計算機之間 采用計算機外部總線進行通訊。系統(tǒng)需要切換的激勵信號幅值為士70V，電流小于800mA。 系統(tǒng)需要切換的傳感器響應(yīng)信號幅值為士 10V，電流小于10mA。主被動工作方式切換開關(guān) 陣列、主動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)采用小型化繼電器實現(xiàn)，被動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)采 用模擬電子開關(guān)實現(xiàn)。整個系統(tǒng)由外部220V交流電供電。系統(tǒng)工作狀態(tài)分有4種(1)通道復(fù)位系統(tǒng)關(guān)閉內(nèi)部所有開關(guān)，使系統(tǒng)恢復(fù)到默認設(shè)置的狀態(tài)；(2)主動工作方式系統(tǒng)的開關(guān)切換方式為激勵-傳感模式，也就是外部壓電傳感 器陣列工作在主動激勵_傳感狀態(tài)下；(3)被動工作方式系統(tǒng)的開關(guān)切換方式為選通指定的壓電傳感器作為聲發(fā)射傳 感器，使其在線監(jiān)聽結(jié)構(gòu)沖擊事件；
(4)通道控制自檢系統(tǒng)自身輪流開啟和關(guān)閉內(nèi)部所有的開關(guān)，通過檢測發(fā)出的 通道控制命令與返回的通道控制狀態(tài)是否一致來檢測系統(tǒng)是否對通道進行了正確的切換。通道控制中央處理器模塊接收計算機系統(tǒng)傳輸?shù)耐ǖ揽刂泼睿?qū)動主被動工作 方式切換開關(guān)陣列工作以及控制被動切換控制模塊和主動切換控制模塊工作。通道控制命 令為N位2進制代碼。其中的前M位表明系統(tǒng)工作狀態(tài)。對于復(fù)位和通道自檢工作狀態(tài)， 控制命令中的后N-M位代碼為無效代碼，對于后兩種工作狀態(tài)，控制命令中的后N-M位代碼 為主被動工作方式切換開關(guān)陣列切換使能、對應(yīng)通道編號。代碼長度由需要控制的通道數(shù) 決定。通道控制中央處理器模塊也接收計算機系統(tǒng)傳輸?shù)耐ǖ雷x取命令，從被動切換控制 模塊、主動切換控制模塊獲取其當前通道驅(qū)動狀態(tài)，再結(jié)合自身驅(qū)動主被動工作方式切換 開關(guān)陣列的驅(qū)動狀態(tài)向計算機傳輸當前整個通道切換系統(tǒng)的通道驅(qū)動狀態(tài)。通道控制中央 處理器模塊由模塊電源，微控制器及其外圍輔助電路和主被動工作方式切換開關(guān)陣列驅(qū)動 模塊組成。當壓電通道切換系統(tǒng)的實現(xiàn)形式為獨立儀器時，該模塊與計算機的通訊方式是 以RS232、RS485、USB等串行總線或IEEE-488等并行總線形式的計算機外部總線或者自定 義總線；當壓電通道切換系統(tǒng)的實現(xiàn)形式為卡式儀器時，它與計算機的通信通訊方式是以 ISA、PCI、PXI等形式的計算機系統(tǒng)總線。主被動工作方式切換開關(guān)陣列接收通道控制中央處理器模塊傳輸?shù)墓ぷ鞣绞角?換驅(qū)動命令，實現(xiàn)外部壓電傳感器陣列與被動切換開關(guān)陣列及其與主動切換開關(guān)陣列之間 的切換。如圖2所示，主被動工作方式切換開關(guān)陣列由多個具有1對2切換屬性的開關(guān)組 成。當整個系統(tǒng)需要切換的信號電壓和功率較高時，使用繼電器陣列作為開關(guān)陣列；當整 個系統(tǒng)需要切換的信號電壓和功率較低時，可使用繼電器陣列或模擬電子開關(guān)作為開關(guān)陣 列。當系統(tǒng)工作在被動狀態(tài)下時，主被動工作方式切換開關(guān)陣列將外部壓電傳感器陣列與 被動切換開關(guān)陣列連接；當系統(tǒng)工作在主動狀態(tài)下時，主被動工作方式切換陣列將外部壓 電傳感器陣列與主動切換開關(guān)陣列連接。主被動工作方式切換開關(guān)陣列由模擬電子開關(guān)或 繼電器陣列組成。被動切換控制模塊接收通道控制中央處理器模塊傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令，輸出通道 驅(qū)動信號至被動切換開關(guān)陣列，驅(qū)動其對應(yīng)通道的開啟和關(guān)閉。被動切換控制模塊有以下 兩種實現(xiàn)形式(1)由模塊電源、可編程邏輯器件及其外圍輔助電路、被動切換開關(guān)陣列驅(qū) 動模塊組成；(2)由模塊電源、譯碼鎖存器及緩存輸入器組成的邏輯譯碼電路、被動切換開 關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。主動切換控制模塊接收通道控制中央處理器模塊傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令，輸出通道 驅(qū)動信號至主動切換開關(guān)陣列，驅(qū)動其對應(yīng)通道的開啟和關(guān)閉。主動切換控制模塊有以下 兩種實現(xiàn)形式(1)由模塊電源、可編程邏輯器件及其外圍輔助電路、主動切換開關(guān)陣列驅(qū) 動模塊組成；(2)由模塊電源、譯碼鎖存器及緩存輸入器組成的邏輯譯碼電路、主動切換開 關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。被動切換開關(guān)陣列由NXM(M彡N)個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成， 被動的接受被動切換控制模塊的通道開啟和關(guān)閉控制。每個開關(guān)至少存在K1 K3三個觸 點。N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通被動切換開關(guān)陣列，與其第 一列每個開關(guān)的K1連接。初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的K1觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接。被動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種 實現(xiàn)形式。主動切換開關(guān)陣列由NXM(M彡N)個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成， 被動的接受主動切換控制模塊的通道開啟和關(guān)閉控制。每個開關(guān)至少存在K1 K3三個觸 點。N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通被動切換開關(guān)陣列，與其第 一列每個開關(guān)的K1連接。初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的K1觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān) 的K2觸點與系統(tǒng)地線連接。主動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種 實現(xiàn)形式。系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊將外部提供的直流或交流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部各模塊需要的 電源對各模塊供電。系統(tǒng)電源模塊有以下兩種組成形式(1)外界提供交流電源時，系統(tǒng)電 源轉(zhuǎn)換模塊由隔離型或非隔離型AC/DC電源模塊、過流保護模塊和電源指示模塊組成；(2) 外界提供直流電源時，系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊由隔離型或非隔離型DC/DC電源模塊、過流保護 模塊和電源指示模塊組成。被動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖3所示。被動切換開關(guān)陣列由NXM個具有1 對2切換屬性的開關(guān)組成，控制N個壓電傳感器工作，M < N。每個開關(guān)至少存在K1 K3 三個觸點。N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通被動切換開關(guān)陣列，與 其第一列每個開關(guān)的K1連接。初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的K1觸點都與K2觸點連接，第M列 開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接。在該狀態(tài)下，壓電傳感器兩電級實際上都與系統(tǒng)的地線連 接，所以通道之間的串擾很小。當1 N號傳感器中有M個傳感器需要作為被動監(jiān)聽結(jié)構(gòu) 沖擊響應(yīng)信號的聲發(fā)射傳感器時，受被動切換控制模塊的驅(qū)動，第1列開關(guān)的開關(guān)11的K1 觸點與K3觸點連接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接，第j列開關(guān)的開關(guān)ij的K1觸 點與K3觸點連接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接，第M列開關(guān)的開關(guān)NM的K1觸點 與K3觸點連接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接。在這種切換狀態(tài)下，1 N號傳感器 中被選中作為聲發(fā)射傳感器的響應(yīng)信號分別以傳感器響應(yīng)信號1 M輸出。操作人員可以 根據(jù)需要，選擇任意1 N號傳感器中的某幾個傳感器作為聲發(fā)射傳感器，也可以任意選擇 傳感器響應(yīng)信號的輸出順序。開關(guān)采用模擬電子開關(guān)實現(xiàn)。主動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖4所示。主動切換開關(guān)陣列由NXM個具有1 對2切換屬性的開關(guān)組成，控制N個壓電傳感器工作，M < N。每個開關(guān)至少存在K1 K3 三個觸點。N個壓電傳感器通過主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通主動切換開關(guān)陣列，與 其第一列每個開關(guān)的K1連接。初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的K1觸點都與K2觸點連接，第M列 開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接。在該狀態(tài)下，壓電傳感器兩電級實際上都與系統(tǒng)的地線連 接，所以通道之間的串擾很小。當1號壓電傳感器工作在激勵狀態(tài)下，其余2 N號傳感器 工作在傳感狀態(tài)下，受主動切換控制模塊的驅(qū)動，第1列開關(guān)的開關(guān)11的K1觸點與K3觸 點連接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接，第j列開關(guān)的開關(guān)ij的K1觸點與K3觸點 連接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接，第M列開關(guān)的開關(guān)NM的K1觸點與K3觸點連 接，其余開關(guān)的K1觸點仍與K2觸點連接。在這種切換狀態(tài)下，外界給入的激勵信號從開關(guān) 11施加到1號壓電傳感器上，2 N號傳感器的響應(yīng)信號分別以傳感器響應(yīng)信號2 M輸 出。這樣就實現(xiàn)了單激勵，M-1傳感的通道切換模式，從而實現(xiàn)了快速通道切換和掃查。操 作人員可以根據(jù)需要，選擇任意1 N號傳感器中的某幾個傳感器進行工作，也可以任意選擇傳感器響應(yīng)信號的輸出順序。開關(guān)采用小型化繼電器實現(xiàn)。如圖5(a)所示，通道控制中央處理器模塊由模塊電源、微控制器及其外圍輔助電 路、主被動工作方式切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。模塊電源將系統(tǒng)電源模塊提供的直流電 源轉(zhuǎn)換成其它模塊需要的電源對其供電。微控制器的實現(xiàn)形式有(1)單片機；(2)可編程 邏輯器件；(3)DSP。存儲器為靜態(tài)存儲器，存儲系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的運行和驅(qū)動代碼。 主被動工作方式切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊為繼電器驅(qū)動陣列，由它對主被動工作方式切換開 關(guān)陣列中的繼電器進行驅(qū)動。主被動工作方式切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖2所示。開關(guān)采用小型化繼電器實 現(xiàn)。電源由系統(tǒng)電源模塊提供。直接受通道控制中央處理器模塊的驅(qū)動進行工作。如圖6(a)所示，被動切換控制模塊由模塊電源，可編程邏輯器件及其外圍輔助電 路和被動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。可編程邏輯器件接收到通道控制中央處理器模塊 傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令后進行對應(yīng)譯碼輸出通道選通信號給被動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊，由 該模塊輸出通道驅(qū)動信號控制被動切換開關(guān)陣列中的對應(yīng)繼電器開關(guān)。存儲器為靜態(tài)存儲 器，存儲系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的運行代碼。如圖7(a)所示，主動切換控制模塊由模塊電源，可編程邏輯器件及其外圍輔助電 路和主動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成?？删幊踢壿嬈骷邮盏酵ǖ揽刂浦醒胩幚砥髂K 傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令后進行對應(yīng)譯碼輸出通道選通信號給主動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊，由 該模塊輸出通道驅(qū)動信號控制主動切換開關(guān)陣列中的對應(yīng)繼電器開關(guān)。存儲器為靜態(tài)存儲 器，存儲系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的運行代碼。如圖8(a)所示，系統(tǒng)電源模塊由隔離型或非隔離型AC/DC電源模塊、過流保護模 塊和電源指示模塊組成。AC/DC電源模塊1轉(zhuǎn)換輸出的電源給通道控制中央處理器模塊、主 被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、主動切換開關(guān)陣列供 電。AC/DC電源模塊1轉(zhuǎn)換輸出的電源給被動切換開關(guān)陣列供電。系統(tǒng)電源模塊將外部提 供的220V交流電轉(zhuǎn)換成直流電源，然后通過過流保護模塊后對其它各模塊和開關(guān)陣列供
^^ o系統(tǒng)整體封裝在鋁制散熱屏蔽機殼中與外界220V交流電源、計算機、功率放大 器、數(shù)據(jù)采集器以及壓電傳感器陣列連接。系統(tǒng)四種工作狀態(tài)的工作流程如下1)通道復(fù)位的工作流程如下(1)上位機向通道切換系統(tǒng)發(fā)出通道復(fù)位指令。(2)系統(tǒng)通道控制中央處理器模塊接收到該指令后，對該指令進行識別，確認收到 通道復(fù)位指令。(3)通道控制中央處理器模塊發(fā)出工作方式切換驅(qū)動命令，驅(qū)動主被動工作方式 切換開關(guān)陣列關(guān)閉其內(nèi)部所有開關(guān)。(4)通道控制中央處理器模塊發(fā)出通道選通命令，被動切換控制模塊接收到該命 令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號關(guān)閉內(nèi)部所有開關(guān)。(5)通道控制中央處理器模塊發(fā)出通道選通命令，主動切換控制模塊接收到該命 令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號關(guān)閉內(nèi)部所有開關(guān)。(6)通道控制中央處理器模塊向上位機返回復(fù)位完成信息。
2)主動工作方式的操作流程如下(1)上位機向通道切換系統(tǒng)發(fā)出主動工作狀態(tài)指令及通道編號。(2)系統(tǒng)通道控制中央處理器模塊接收到該指令后，對該指令進行識別，確認收到 主動工作狀態(tài)指令。(3)通道控制中央處理器模塊發(fā)出工作方式切換驅(qū)動命令，驅(qū)動主被動工作方式 切換開關(guān)陣將外部壓電傳感器陣列與主動切換開關(guān)陣列連接。(4)通道控制中央處理器模塊根據(jù)通道編號發(fā)出通道選通命令，主動切換控制模 塊接收到該命令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號開啟對應(yīng)開關(guān)。(5)通道控制中央處理器模塊向上位機返回通道控制完成信息。3)被動工作方式的操作流程如下(1)上位機向通道切換系統(tǒng)發(fā)出被動工作狀態(tài)指令及通道編號。(2)系統(tǒng)通道控制中央處理器模塊接收到該指令后，對該指令進行識別，確認收到 被動工作狀態(tài)指令。(3)通道控制中央處理器模塊發(fā)出工作方式切換驅(qū)動命令，驅(qū)動主被動工作方式 切換開關(guān)陣將外部壓電傳感器陣列與被動切換開關(guān)陣列連接。(4)通道控制中央處理器模塊根據(jù)通道編號發(fā)出通道選通命令，被動切換控制模 塊接收到該命令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號開啟對應(yīng)開關(guān)。(5)通道控制中央處理器模塊向上位機返回通道控制完成信息。4)通道控制自檢的工作流程如下(1)上位機向通道切換系統(tǒng)發(fā)出通道控制自檢指令。(2)系統(tǒng)通道控制中央處理器模塊接收到該指令后，對該指令進行識別，確認受到 通道控制自檢指令。(3)通道控制中央處理器模塊將內(nèi)部所有開關(guān)復(fù)位。(4)通道控制中央處理器模塊發(fā)出工作方式切換驅(qū)動命令，驅(qū)動主被動工作方式 切換開關(guān)陣列中的各個開關(guān)輪流開啟和關(guān)閉。在開啟每一個開關(guān)后，通道控制中央處理器 模塊讀取自身通道控制弓I腳的邏輯狀態(tài)。(5)通道控制中央處理器模塊發(fā)出通道選通命令，被動切換控制模塊接收到該命 令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號輪流開啟和關(guān)閉被動切換開關(guān)陣列中的各開關(guān)。在開啟每一個開 關(guān)后，被動切換控制模塊讀取自身通道控制引腳的邏輯狀態(tài)。待開關(guān)切換完成后，被動切換 控制模塊將自身通道控制引腳的邏輯狀態(tài)記錄結(jié)果返回給通道控制中央處理器模塊。(6)通道控制中央處理器模塊發(fā)出通道選通命令，主動切換控制模塊接收到該命 令后，發(fā)出通道驅(qū)動信號輪流開啟和關(guān)閉主動切換開關(guān)陣列中的各開關(guān)。在開啟每一個開 關(guān)后，主動切換控制模塊讀取自身通道控制引腳的邏輯狀態(tài)。待開關(guān)切換完成后，主動切換 控制模塊將自身通道控制引腳的邏輯狀態(tài)記錄結(jié)果返回給通道控制中央處理器模塊。(7)通道控制中央處理器模塊根據(jù)三部分開關(guān)控制狀態(tài)的統(tǒng)計結(jié)果，判別是否存 在錯誤控制狀態(tài)，并將結(jié)果返回給上位機。實施例(2)如圖1所示，本實施例是一種集成到計算機中的板卡式低串擾、快速和主被動兼 容型壓電通道切換系統(tǒng)，包括通道控制中央處理器模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn) 換模塊。板卡式的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)與計算機之間采用計算 機系統(tǒng)總線進行通訊。系統(tǒng)需要切換的激勵信號幅值為士70V，電流小于800mA。系統(tǒng)需要 切換的傳感器響應(yīng)信號幅值為士 10V，電流小于10mA。系統(tǒng)內(nèi)部所有開關(guān)采用小型化繼電 器實現(xiàn)。如圖5(b)所示，通道控制中央處理器模塊由模塊電源、微控制器及其外圍輔助電 路、總線橋模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。微控制器也可以選用自帶總 線橋模塊的微控制器。模塊電源將系統(tǒng)電源模塊提供的直流電源轉(zhuǎn)換成其它模塊需要的電 源對其供電。微控制器的實現(xiàn)形式有(1)單片機；(2)可編程邏輯器件；(3)DSP。存儲器 為靜態(tài)存儲器，存儲系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的運行和驅(qū)動代碼。主被動工作方式切換開關(guān) 陣列驅(qū)動模塊為繼電器驅(qū)動陣列，由它對主被動工作方式切換開關(guān)陣列中的繼電器進行驅(qū) 動。主被動工作方式切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖2所示。開關(guān)采用小型化繼電器實 現(xiàn)。電源由系統(tǒng)電源模塊提供。直接受通道控制中央處理器模塊的驅(qū)動進行工作。如圖6(b)所示，被動切換控制模塊由模塊電源、譯碼鎖存器及緩存輸入器組成的 邏輯譯碼電路、被動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。邏輯譯碼電路接收到通道控制中央處理 器模塊傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令后進行對應(yīng)譯碼輸出通道選通信號給被動切換開關(guān)陣列驅(qū)動 模塊，由該模塊輸出通道驅(qū)動信號控制被動切換開關(guān)陣列中的對應(yīng)繼電器開關(guān)。如圖7(b)所示，主動切換控制模塊由模塊電源、譯碼鎖存器及緩存輸入器組成的 邏輯譯碼電路、主動切換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成。邏輯譯碼電路接收到通道控制中央處理 器模塊傳輸?shù)耐ǖ肋x通命令后進行對應(yīng)譯碼輸出通道選通信號給主動切換開關(guān)陣列驅(qū)動 模塊，由該模塊輸出通道驅(qū)動信號控制主動切換開關(guān)陣列中的對應(yīng)繼電器開關(guān)。被動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖3所示，開關(guān)采用小型化繼電器實現(xiàn)。主動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖4所示，開關(guān)采用小型化繼電器實現(xiàn)。如圖8(b)所示，當系統(tǒng)使用計算機系統(tǒng)總線上的5V電源或使用外部直流電源供 電時，系統(tǒng)電源模塊由隔離型或非隔離型DC/DC電源模塊、過流保護模塊和電源指示模塊 組成。DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換輸出的電源給系統(tǒng)其它各模塊供電。系統(tǒng)各工作狀態(tài)的工作流程與具體實施方式
(1)中的系統(tǒng)各工作狀態(tài)的工作流 程相同。實施例(3)如圖1所示，本實施例是一種集成到計算機中的板卡式低串擾、快速和主被動兼 容型壓電通道切換系統(tǒng)，包括通道控制中央處理器模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被 動切換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn) 換模塊。板卡式的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)與計算機之間采用計算 機系統(tǒng)總線進行通訊。系統(tǒng)需要切換的激勵信號幅值為士 10V，電流小于30mA。系統(tǒng)需要 切換的傳感器響應(yīng)信號幅值為士 10V，電流小于10mA。系統(tǒng)內(nèi)部所有開關(guān)采用模擬電子開 關(guān)實現(xiàn)。
通道控制中央處理器模塊的實現(xiàn)形式與具體實施方式
(2)相同。主被動工作方式切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式與具體實施方式
(2)相同，開關(guān)采用模 擬電子開關(guān)。被動切換控制模塊的實現(xiàn)形式與具體實施方式
(2)相同。主動切換控制模塊的實現(xiàn)形式與具體實施方式
(2)相同。被動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖3所示，開關(guān)采用模擬電子開關(guān)實現(xiàn)。主動切換開關(guān)陣列的實現(xiàn)形式如圖4所示，開關(guān)采用模擬電子開關(guān)實現(xiàn)。系統(tǒng)電源模塊的實現(xiàn)形式與具體實施方式
(2)相同。系統(tǒng)各工作狀態(tài)的工作流程與具體實施方式
(1)中的系統(tǒng)各工作狀態(tài)的工作流 程相同。
權(quán)利要求
一種低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在于，包括通道控制中央處理器模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊；其中系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊用于供電，所述通道控制中央處理器模塊分別與被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列連接，被動切換控制模塊的輸出端與被動開關(guān)切換陣列連接，主動切換控制模塊的輸出端與主動切換開關(guān)陣列連接，主被動工作方式切換開關(guān)陣列分別與被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在 于，通道控制中央處理器模塊由模塊電源、微控制器及其外圍輔助電路、主被動工作方式切 換開關(guān)陣列驅(qū)動模塊組成，其中微控制器為單片機或可編程邏輯器件或DSP。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在 于，所述主動切換控制模塊的邏輯功能電路為可編程邏輯器件或譯碼鎖存器及緩存輸入ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在 于，所述被動切換控制模塊的邏輯功能電路為可編程邏輯器件或譯碼鎖存器及緩存輸入ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在 于，所述被動切換開關(guān)陣列由NXM個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成，其中N、M 均為大于1的正整數(shù)，且MS N ；每個開關(guān)至少存在Kl K3三個觸點；N個壓電傳感器通過 主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通被動切換開關(guān)陣列，與其第一列每個開關(guān)的Kl連接； 初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的Kl觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接； 被動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種實現(xiàn)形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，其特征在 于，所述主動切換開關(guān)陣列由NXM個具有1對2或1對多切換屬性的開關(guān)組成，其中N、M 均為大于1的正整數(shù)，且M < N ；每個開關(guān)至少存在Kl K3三個觸點；N個壓電傳感器通過 主被動工作方式切換開關(guān)陣列后接通主動切換開關(guān)陣列，與其第一列每個開關(guān)的Kl連接； 初始狀態(tài)下，所有開關(guān)的Kl觸點都與K2觸點連接，第M列開關(guān)的K2觸點與系統(tǒng)地線連接； 被動切換開關(guān)陣列中的開關(guān)有繼電器或者模擬電子開關(guān)兩種實現(xiàn)形式。
7.一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)的實 現(xiàn)方法，其特征在于，系統(tǒng)整體的實現(xiàn)方法是一個封裝在機殼中的獨立儀器，由計算機通過 計算機外部總線或者自定義總線對其進行控制；或者是一個卡式儀器，插接在計算機系統(tǒng) 總線上，由計算機通過計算機系統(tǒng)總線對其進行控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低串擾、快速和主被動兼容型壓電通道切換系統(tǒng)，屬于主被動Lamb波和壓電陣列傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括通道控制中央處理器模塊、主被動工作方式切換開關(guān)陣列、被動切換控制模塊、主動切換控制模塊、被動切換開關(guān)陣列、主動切換開關(guān)陣列和系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)將主動和被動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)需要的通道切換功能集成在了一起。在主動工作模式下，通道切換系統(tǒng)可以實現(xiàn)單個壓電傳感器激勵，多個壓電傳感器同時響應(yīng)的低串擾、快速通道切換與掃查。在被動工作模式下，通道切換系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意壓電傳感器聲發(fā)射響應(yīng)通道的選通。
文檔編號G05B19/418GK101872194SQ20101021411
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者張炳良, 袁慎芳, 邱雷 申請人:南京航空航天大學