本發(fā)明屬于超聲波數(shù)據(jù)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于蘭姆波的半雙工通信裝置及其通信方法。

背景技術(shù)：

金屬板形構(gòu)件應(yīng)用的范圍涉及航空航天、汽車、船舶制造、壓力容器和大型化工容器等領(lǐng)域；其中，厚度小于8mm的金屬板形構(gòu)件的使用尤其廣泛。由于金屬板形構(gòu)件在生產(chǎn)和使用過程中易損傷，因而對其結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成了極大的威脅。因此，利用結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)進行在線、實施有效的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)金屬板形構(gòu)件中的損傷，對于預(yù)防事故的發(fā)生尤為重要。

結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)需要利用集成或粘附在金屬板形構(gòu)件上的傳感系統(tǒng)，獲得與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的實時信息，并結(jié)合信號信息處理方法提取特征參數(shù)，實現(xiàn)診斷，以保證安全，同時控制維修費用。進行結(jié)構(gòu)健康檢測時所用的傳感系統(tǒng)無需大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，只需要將檢測結(jié)果與控制機通信，然后由控制機將控制命令(數(shù)據(jù)量一般在kbps量級)發(fā)送給檢測系統(tǒng)；無需進行雙向通信，因此半雙工系統(tǒng)就可以滿足需要。

目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)較為成熟，大多數(shù)無線通信技術(shù)都是基于電磁波進行的。因此，在需要進行電磁屏蔽的場合(結(jié)構(gòu)健康檢測即屬于這種情況)難以使用，此時往往還要在傳感系統(tǒng)中單獨加入通信系統(tǒng)，這樣便會增加整個系統(tǒng)的體積和重量，穩(wěn)定性降低，裝置復(fù)雜性大幅提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于蘭姆波的半雙工通信裝置及其通信方法。

為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于蘭姆波的半雙工通信裝置，包括：傳感器主控模塊、第一信號處理電路、第一換能器、金屬薄板件、第二換能器、第二信號處理電路和控制機；

其中，第一換能器的上表面設(shè)有第一上電極和第一下電極；第二換能器的上表面設(shè)有第二上電極和第二下電極；第一換能器和第二換能器間隔距離分別固定在金屬薄板件的表面；

傳感器主控模塊的輸出端與第一信號處理電路電連接；

第一信號處理電路的輸出端與第一上電極電連接，輸入端與第一下電極電連接；

第二信號處理電路的輸出端與控制機電連接，輸入端與第二上電極電連接，接地端與第二下電極電連接。

所述第一信號處理電路包括：第一dsp核心系統(tǒng)模塊、第一dsp芯片第一dac轉(zhuǎn)換模塊、第一電壓參考模塊、第一重構(gòu)濾波模塊、第一功率放大模塊、第一電荷放大模塊、第一電壓放大模塊、第一濾波模塊、第一adc轉(zhuǎn)換模塊；

其中，第一dsp芯片分別與傳感器主控模塊、第一dsp核心系統(tǒng)模塊、第一dac轉(zhuǎn)換模塊和第一adc轉(zhuǎn)換模塊連接；第一dac轉(zhuǎn)換模塊依次通過第一重構(gòu)濾波模塊、第一功率放大模塊連接至第一換能器；第一adc轉(zhuǎn)換模塊依次通過第一濾波模塊、第一電壓放大模塊、第一電荷放大模塊與第一換能器連接；第一dac轉(zhuǎn)換模塊還與第一電壓參考模塊連接。

所述第二信號處理電路包括：第二dsp核心系統(tǒng)模塊、第二dsp芯片、第二dac轉(zhuǎn)換模塊、第二電壓參考模塊、第二重構(gòu)濾波模塊、第二功率放大模塊、第二電荷放大模塊、第二電壓放大模塊、第二濾波模塊、第二adc轉(zhuǎn)換模塊；

其中，第二dsp芯片分別與控制機、第二dsp核心系統(tǒng)模塊、第二dac轉(zhuǎn)換模塊、第二adc轉(zhuǎn)換模塊連接；第二dac轉(zhuǎn)換模塊依次通過第二重構(gòu)濾波模塊、第二功率放大模塊連接至第二換能器；第二adc轉(zhuǎn)換模塊依次通過第二濾波模塊、第二電壓放大模塊、第二電荷放大模塊與第二換能器連接；第二dac轉(zhuǎn)換模塊還與第二電壓參考模塊連接。

所述第一換能器和第二換能器為形狀完全相同的圓柱形結(jié)構(gòu)，徑向截面的直徑為2-5個蘭姆波a0模態(tài)的波長。

所述第一換能器和第二換能器的材料為pzt-5壓電陶瓷。

第一上電極、第二上電極、第一下電極和第二下電極為銀電極或銅電極。

所述金屬薄板件的材料為鋁合金、鈦合金或鋼合金中的至少一種；金屬薄板件的厚度為0.5-8mm。

所述第一換能器和第二換能器與金屬薄板件采用醫(yī)用超聲耦合劑或者甘油和磁鐵吸座的方式相互固定。

一種如前所述的基于蘭姆波的半雙工通信裝置的通信方法，包括按順序進行的以下步驟：

1)啟動基于蘭姆波的半雙工通信裝置，由控制機發(fā)出標(biāo)志信號；

2)標(biāo)志信號通過第二信號處理電路調(diào)理后，發(fā)送給第二換能器，第二換能器將標(biāo)志信號轉(zhuǎn)換為協(xié)議信息，通過金屬薄板件發(fā)送給第一換能器；

3)第一換能器接收到協(xié)議信息，并與第一信號處理電路對接，由第一信號處理電路進行解碼，然后傳輸給傳感器主控模塊；

4)經(jīng)傳感器主控模塊確認(rèn)協(xié)議信息后，將協(xié)議信息轉(zhuǎn)換為握手信號并輸出；

5)握手信號通過第一信號處理電路調(diào)理后，發(fā)送給第一換能器；

6)第一換能器接收到握手信號，第一換能器將握手信號轉(zhuǎn)換為協(xié)議信息，通過金屬薄板件發(fā)送給第二換能器；

7)第二換能器接收到協(xié)議信息，并與第二信號處理電路對接，由第二信號處理電路進行解碼，然后傳輸給控制機；

8)傳感器主控模塊和控制機完成連接，即可進行信息的雙向發(fā)送。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于蘭姆波的半雙工通信裝置及其通信方法至少具有以下有益效果：

1)本發(fā)明以金屬薄板件中的蘭姆波作為信號的載體，以金屬薄板件為傳輸媒介，以無線方式進行半雙工通信，為金屬薄板件上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)果提供通訊功能；

2)本發(fā)明的基于蘭姆波的半雙工通信裝置降低了傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸布線和維護成本，改變了傳統(tǒng)的電磁信號傳輸方法，適用于多種場合，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3)本發(fā)明的基于蘭姆波的半雙工通信裝置以pzt-5壓電陶瓷作為換能器的主要材料，換能效率高，體積小，成本低；

4)本發(fā)明的基于蘭姆波的半雙工通信裝置以超聲導(dǎo)波——蘭姆波作為信號載體，能量衰減小，傳遞效率高，傳輸距離長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于蘭姆波的半雙工通信裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為第一換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為第二換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為第一信號處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為第二信號處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但下述實施例絕非對本發(fā)明有任何限制。

如圖1-5所示，該基于蘭姆波的半雙工通信裝置包括：傳感器主控模塊1、第一信號處理電路2、第一換能器3、金屬薄板件4、第二換能器5、第二信號處理電路6和控制機7；

其中，第一換能器3的上表面設(shè)有第一上電極8和第一下電極9；第二換能器5的上表面設(shè)有第二上電極81和第二下電極91；第一換能器3和第二換能器5間隔距離分別固定在金屬薄板件4的表面；

傳感器主控模塊1的輸出端與第一信號處理電路2電連接；

第一信號處理電路2的輸出端與第一上電極8電連接，輸入端與第一下電極9電連接；

第二信號處理電路6的輸出端與控制機7電連接，輸入端與第二上電極81電連接，接地端與第二下電極91電連接。

第一信號處理電路2包括：第一dsp核心系統(tǒng)模塊2-1、第一dsp芯片2-2、第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3、第一電壓參考模塊2-4、第一重構(gòu)濾波模塊2-5、第一功率放大模塊2-6、第一電荷放大模塊2-7、第一電壓放大模塊2-8、第一濾波模塊2-9、第一adc轉(zhuǎn)換模塊2-10；

其中，第一dsp芯片2-2分別與傳感器主控模塊1、第一dsp核心系統(tǒng)模塊2-1、第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3和第一adc轉(zhuǎn)換模塊2-10連接；第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3依次通過第一重構(gòu)濾波模塊2-5、第一功率放大模塊2-6連接至第一換能器3；第一adc轉(zhuǎn)換模塊2-10依次通過第一濾波模塊2-9、第一電壓放大模塊2-8、第一電荷放大模塊2-7與第一換能器3連接；第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3還與第一電壓參考模塊2-4連接。

第二信號處理電路6包括：第二dsp核心系統(tǒng)模塊6-1、第二dsp芯片6-2、第二dac轉(zhuǎn)換模塊6-3、第二電壓參考模塊6-4、第二重構(gòu)濾波模塊6-5、第二功率放大模塊6-6、第二電荷放大模塊6-7、第二電壓放大模塊6-8、第二濾波模塊6-9、第二adc轉(zhuǎn)換模塊6-10；

其中，第二dsp芯片6-2分別與控制機7、第二dsp核心系統(tǒng)模塊6-1、第二dac轉(zhuǎn)換模塊6-3、第二adc轉(zhuǎn)換模塊6-10連接；第二dac轉(zhuǎn)換模塊6-3依次通過第二重構(gòu)濾波模塊6-5、第二功率放大模塊6-6連接至第二換能器5；第二adc轉(zhuǎn)換模塊6-10依次通過第二濾波模塊6-9、第二電壓放大模塊6-8、第二電荷放大模塊6-7與第二換能器5連接；第二dac轉(zhuǎn)換模塊6-3還與第二電壓參考模塊6-4連接。

在本發(fā)明中，以金屬薄板件4中的蘭姆波作為信號的載體，以金屬薄板件4為傳輸媒介，以無線方式進行半雙工通信，為金屬薄板件4上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)果提供通訊功能。蘭姆波在金屬博板件4中的傳播遵循瑞利-蘭姆方程：

在式(1)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(shù)，h為金屬薄板件4厚度的一半；p、q沒有詳細(xì)的物理意義，為方便公式書寫而定義的參量，其表達(dá)式中的參量已作出說明。

在本發(fā)明中，第一換能器3和第二換能器5為形狀完全相同的圓柱形結(jié)構(gòu)，截面直徑為2-5個蘭姆波a0模態(tài)的波長，因此可根據(jù)選擇的激發(fā)信號的波長對兩個換能器的尺寸進行選擇。第一換能器3和第二換能器5的尺寸選擇與諧振頻率(即激發(fā)信號的波長)有關(guān)，在本發(fā)明中優(yōu)選的諧振頻率為10khz-1mhz。通常，金屬薄板件4的厚度越大，選擇的諧振頻率越低，因為金屬薄板件4的厚度增加使得蘭姆波的群速度增加，過高的群速度對于第一換能器3和第二換能器5的接收準(zhǔn)確率有影響。因此，金屬薄板件4的材料為鋁合金、鈦合金或鋼合金中的至少一種，厚度為0.5-8mm。另外，諧振頻率應(yīng)與金屬薄板件4以及周圍結(jié)構(gòu)的諧振頻率錯開，若不慎發(fā)生諧振，則容易引起宏觀上的振動，影響整個裝置的穩(wěn)定性。

第一換能器3和第二換能器5的材料為pzt-5壓電陶瓷，這種材料具有高機電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機電常數(shù)具有優(yōu)異的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，因此十分適于低功率共振和非共振的接收和發(fā)射。

第一上電極8、第二上電極81、第一下電極9和第二下電極91為銀電極或銅電極，銀銅電極的參數(shù)差別不大，但由于銀與銅相比更為活潑，滲透力更強，靜電容量更大，因此為本發(fā)明的優(yōu)選電極。

第一換能器3和第二換能器5與金屬薄板件4采用醫(yī)用超聲耦合劑或者甘油和磁鐵吸座的方式相互固定，目的是減少第一換能器3或第二換能器5與金屬薄板件4之間的空氣間隙，提高耦合的效率。

其中，醫(yī)用超聲耦合劑的黏度較大，安裝時是將醫(yī)用超聲耦合劑涂抹在金屬薄板件4的表面，隨后緊壓第一換能器3或第二換能器5，以擠壓出多余的醫(yī)用超聲耦合劑；甘油的流動性更強，涂抹要求低，但是甘油的黏性較低，對第一換能器3或第二換能器5無固定的作用，容易造成滑動，因此需要搭配磁鐵吸座，增加壓力，以固定第一換能器3或第二換能器5。

所述基于蘭姆波的半雙工通信裝置的通信方法包括按順序進行的以下步驟：

1)啟動基于蘭姆波的半雙工通信裝置，由控制機7發(fā)出標(biāo)志信號；

2)標(biāo)志信號通過第二信號處理電路6調(diào)理后，發(fā)送給第二換能器5，第二換能器5將標(biāo)志信號轉(zhuǎn)換為協(xié)議信息，通過金屬薄板件4發(fā)送給第一換能器3；

3)第一換能器3接收到協(xié)議信息，并與第一信號處理電路2對接，由第一信號處理電路2進行解碼，然后傳輸給傳感器主控模塊1；

4)經(jīng)傳感器主控模塊1確認(rèn)協(xié)議信息后，將協(xié)議信息轉(zhuǎn)換為握手信號并輸出；

5)握手信號通過第一信號處理電路2調(diào)理后，發(fā)送給第一換能器3；

6)第一換能器3接收到握手信號，第一換能器3將握手信號轉(zhuǎn)換為協(xié)議信息，通過金屬薄板件4發(fā)送給第二換能器5；

7)第二換能器5接收到協(xié)議信息，并與第二信號處理電路6對接，由第二信號處理電路6進行解碼，然后傳輸給控制機7；

8)傳感器主控模塊1和控制機7完成連接，即可進行信息的雙向發(fā)送。

信息的發(fā)送是將傳感器主控模塊1或控制機7輸出的信號利用第一dsp芯片2-2或第一功率放大模塊2-6進行編碼，得到以數(shù)字量存在的信號；然后經(jīng)過第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3或第一重構(gòu)濾波模塊2-5將其轉(zhuǎn)換為模擬信號值。然而，模擬信號值轉(zhuǎn)換以后的波形仍然是離散的，因此需要經(jīng)過第一重構(gòu)濾波模塊2-5或第一dac轉(zhuǎn)換模塊2-3對離散的信號進行調(diào)理，使輸出的波形更接近理想的信號。這時的信號電壓較低，可提供的電流較小，帶負(fù)載能力較弱，不足以驅(qū)動第一換能器3或第二換能器5，因此需要第一功率放大模塊2-6或第一dsp芯片2-2將信號的功率放大，增加電路的驅(qū)動能力。

信息的接收是將第一換能器3或第二換能器5接收到的電荷信號利用第一電荷放大模塊2-7或第二電荷放大模塊6-7轉(zhuǎn)換為電壓信號，再將電壓信號經(jīng)過第一電壓放大模塊2-8或第二電壓放大模塊6-8，以及第一濾波模塊2-9進行放大和濾波，輸出信噪較高的信號；再通過第一adc轉(zhuǎn)換模塊2-10或第二adc轉(zhuǎn)換模塊6-10進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號輸入到第一dsp芯片2-2或第二dsp芯片6-2中進行解碼，隨后傳輸給控制機7或傳感器主控模塊1。

結(jié)合上述優(yōu)選方式，本發(fā)明的基于蘭姆波的半雙工通信裝置的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確性，可以通過優(yōu)化編碼解碼算法或針對蘭姆波的特點進行模態(tài)分解，這需要通過科學(xué)實驗的對比分析，才能調(diào)試到本裝置達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。除此之外，還可以通過較為先進的壓電換能材料或形式達(dá)到更高的效率，比如選取新型的高壓電系數(shù)復(fù)合材料等提高激發(fā)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(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)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(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。