[发明专利]用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号调理设备，尤其涉及一种用于含金属芯压电纤维智能夹层的信号调理设备，属于结构健康监测技术领域。

 

背景技术

随着工程结构（特别是航空航天结构）运行环境的日益复杂和设计中对结构安全与稳定要求的不断提高，结构健康监测技术得到了越来越多的关注。所谓结构健康监测技术是将传统的无损检测技术进行优化和改进，结合结构设计的思想，完成先进传感/驱动元件网络与结构的融合，达到在线实时监测结构安全健康情况的目的，并对可能给结构造成损伤的事件进行预警。根据使用的传感器类型，结构健康监测技术可以分为压电、光纤光栅、电阻应变片、电涡流等类型。其中，压电材料以其轻质、响应速度快、频带宽、传感/驱动一体等特点成为了目前健康监测技术的热门传感器。它能直接转化机械量和电学量，将结构中的应力信息转化为电压信号用于后续系统的采集与处理，使用方便、系统简洁。

传统的基于压电材料的健康监测技术通常采用在结构中布置传感网络的方式，采集结构中弹性波的信号，结合先进的信号处理方式和分析方法，根据信号之间的时间差异定位载荷位置或损伤位置。这种监测手段需要提前知道弹性波在结构中的传播速度，然而对于不同的结构和环境因素（如温度），结构中弹性波的传播速度大不相同，这使得传统技术对于复杂结构和各向异性的复合材料结构难以应用。

含金属芯压电纤维（Metal-core Piezoelectric Fiber MPF）是适应二十一世纪智能传感器发展的产物。利用MPF进行结构载荷和损伤定位的技术已卓有成效。它不仅具有体积小、重量轻、传感性能好（具有方向性）、需要的外部设备少、能最大限度地减少对基体材料的影响的优点，又可以作为结构健康监测的传感器和驱动器使用，这些优点使得MPF具有在未来航空飞行器的结构健康监测中得以使用的诱人前景。与传统压电传感器的巨大差异在于，MPF能够通过分析弹性波的方向特性对结构的载荷和损伤进行定位，无需知道弹性波传播速度，更加适合在复杂结构和复合材料结构中应用。目前，根据MPF实际工程应用的需求，集成多根MPF的智能夹层传感器已经研制成功并投入了使用。考虑到MPF智能夹层与传统压电器件的区别，采用单一的电压调理设备对MPF智能夹层信号进行处理变得繁琐，需要的设备多，而且专用程度很低。所以如何根据MPF智能夹层传感器的特点完成传感信号的调理成为了基于MPF智能夹层传感器监测技术中的难点。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种针对MPF智能夹层传感特点，结构简单、易于实现且性能符合要求的信号调理设备方案，用于MPF智能夹层的健康监测技术，降低信号受到的环境噪声的影响，放大信号中有效的频率信息，完成对MPF智能夹层的信号调理过程，便于后续系统对信号的采集。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的用于MPF智能夹层的信号调理设备，包括与MPF智能夹层连接的接口模块、电压放大模块和信号滤波模块。所述的接口模块包括信号输入接口单元和信号输出接口单元；所述的电压放大模块包括第一级电压放大单元和第二级电压放大单元；所述的信号滤波模块包括低通滤波单元和高通滤波单元。MPF智能夹层的信号经信号输入接口单元依次经过第一级电压放大单元、低通滤波单元、高通滤波单元和第二级电压放大单元进行处理，最后经信号输出接口单元输出。

其中，所述MPF智能夹层的接线端口设计了端口的尺寸和信号接线形式；所述的电压放大模块采用了二级放大的方案，首先一级放大单元提高了信号的幅值，增加了信号的信噪比，便于后续的滤波处理，其次第二级放大单元使信号幅值提高到适合系统采样与分析的范围；所述的滤波模块根据监测技术的使用要求，提取了信号中具有有效信息的频带，降低了信号噪声的分量。

更进一步地，所述的第一级电压放大单元中，MPF智能夹层的电压信号经第一电阻输入第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的正向输入端通过第二电阻接地，第一运算放大器的反相输入端通过第三电阻与输出端连接。

更进一步地，所述的低通滤波单元中，第一电容一端与第一运算放大器的输出端连接，另一端通过第二电容与第二运算放大器的正向输入端连接，第二运算放大器的正向输入端通过第五电阻接地，第四电阻一端接于第一电容和第二电容之间，另一端分别与第二运算放大器的反相输入端和输出端连接。