压电小型化集成宽带通道切换仪的制作方法

压电小型化集成宽带通道切换仪
一、技术领域
1.本发明涉及一种通道切换仪，尤其涉及一种用来对压电传感器阵列进行激励传感通道选择的耐高压大电流的小型化集成宽带通道切换仪。
二、

背景技术：

2.随着航天航空领域向高温、高速和大型方向发展，工程结构内部的应力越来越高，使用条件越来越恶劣，导致损伤失效事故层出不穷。这就迫切要求实现对飞行器结构完整性的监测，以减低飞行器发生重大损失的风险和延长使用寿命。而常规的无损检测方法一般设备复杂、依赖人的操作，耗时耗力，使用不方便，局限性大，难以做到服役环境下的实时在线监测。因此单纯地依靠此类方法并不能完全满足日益发展的大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断的需求。为了满足上述要求，结构健康监测技术开始应用于航空领域。在众多结构健康监测方法中，基于压电传感器的结构健康监测方法具有损伤监测灵敏度高、监测范围大、既能在线应用也可离线应用、既能监测金属结构也能监测复合材料结构等优点，是目前广泛应用的一种结构健康监测技术。
3.主动压电结构健康监测方法一般由埋入结构的驱动器首先对结构进行激励，在结构中激发弹性波或使结构处于轻微振动状态，再通过分析结构响应获取结构状态信息，能够对被动监测方法所不易监测到的结构损伤等进行识别。随着结构健康监测技术工程化应用的日益发展，结构健康监测所需要监测的结构面积逐步增大，压电传感器更多的是以激励-传感网络阵列形式使用。现有的系统在压电激励传感网络阵列各通道的切换上极为不便，此时针对压电激励传感网络的集成小型化通道切换仪的实现变得至关重要。
4.基于上述分析，要求有一种小体积的支持大电压激励信号和响应信号的通道切换仪，能够支持最大32个压电传感器输入，输入激励信号幅度最大为
±
80v，输入信号电流最大200ma，带宽上限可以达到1mhz。这有助于推动基于压电传感器的结构健康监测技术的发展。本发明正是在这种背景下孕育而生的。
三、

技术实现要素：

5.1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种用来对压电传感器阵列进行激励传感通道选择的耐高压大电流的小型化集成宽带通道切换仪。
6.2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明技术方案的通道切换仪包括核心控制模块、开关阵列模块、传感器转接模块和大功率直流电源模块，核心控制模块将上位机发来的通道切换控制信号进行译码，再通过译码信号控制开关阵列模块的开关通断，从而实现对压电传感器阵列激励传感通道的选择，传感器转接模块实现通道切换仪与外部压电传感器的连接，大功率电源模块为整个仪器提供稳压直流电源；其中，大功率电源模块中，外界输入的交流电依次经过输入过压保护、交流转直流模块、整流滤波模块等转换为直流信号，为仪器的各个模块供电；核心控制模块中，上位机发送多位通道控制信号，核心控制模块根据自定义的数据协议对信号进行译码，将译码结果输入到开关阵列模块中；开关阵
列模块接收核心控制模块的译码信号，控制相关开关阵列的通断，从而完成激励传感通道的选择；传感器转接模块负责开关阵列模块与外部压电传感器的信号传递，包括压电激励信号和响应信号。
7.核心控制模块中，针对于本发明的通道切换仪来说，核心控制模块的功能为接收系统核心控制模块发出的通道控制信号，对通道控制信号进行译码，根据译码结果控制模块的通道切换开关阵列，完成激励传感通道的选择。由于fpga不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就使得fpga工作更有效率，满足通道切换模块响应时间快的需求。因此核心控制模块选择fpga作为核心器件，其配置电路主要包括晶振、复位、jtag烧写和as配置电路等。
8.开关阵列模块中，由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，本发明采用模拟开关构建开关阵列模块，同时为了两个相互靠近的信号传输线，特别是平行的相互靠近的信号传输线，其中一根信号传输线上的信号会耦合到另一根信号传输线上。当信号的强度很大时，其耦合到另一根信号传输线上的强度也变得很大。当串扰幅度较大时，后置放大器会发生饱和而工作于非线性区，此时其带宽会降低，导致不能对真实的传感器响应信号进行正常调理，降低监测的准确性。因此开关阵列模块中采用低串扰设计方法。
9.传感器转接模块中，包括多芯连接器、信号端子板和连接线缆组成，传感器转接单元具有时分复用模块，同一个接口既可作为激励信号输出端口又可作为响应信号输入端口，受到核心控制模块的控制。
10.大功率直流电源中，220v交流电通过交流转直流模块升压或降压，在通过整流滤波模块输出直流电源。在电源的输出端加入输出电流报警模块，它能起到保护大功率直流电源模块和开关阵列模块的作用，并提示用户通道切换一出现故障。同时输出端也接入了电源指示模块，向用户表明仪器的上电情况。
11.3、有益效果：该通道切换仪电路结构简单紧凑，各个模块的实现采用高度集成化的电路，所以可以做到仪器体积小质量轻，携带轻便，方便与功率放大器、电荷放大器等仪器集成。具有以下优点(1)本发明能够用来对压电传感器阵列进行激励传感通道选择；(2)本发明电路结构简单紧凑，实现的设备体积小；(3)本发明可以极大地推动基于主动监测方法的结构健康监测技术的工程化应用，扩展压电材料的应用领域。
四、附图说明
12.图1通道切换仪电路组成示意图
13.图2大功率电源模块示意图
14.图3核心控制模块示意图
15.图4开关阵列模块示意图
五、具体实施方式
16.如图1所示，本发明技术方案的通道切换仪包括核心控制模块、开关阵列模块、传感器转接模块和大功率直流电源模块，上位机向通道切换仪发来多位通道切换控制信号，通道切换仪中的核心控制模块对通道切换控制信号进行译码，再通过译码信号控制开关阵
列模块的开关通断，从而实现对压电传感器阵列激励传感通道的选择，传感器转接模块实现通道切换仪与外部压电传感器的连接，大功率电源模块为整个仪器提供稳压直流电源；其中，大功率电源模块中，外界输入的交流电依次经过输入过压保护、交流转直流模块、整流滤波模块等转换为直流信号，为仪器的各个模块供电；核心控制模块中，上位机发送多位通道控制信号，核心控制模块根据自定义的数据协议对信号进行译码，将译码结果输入到开关阵列模块中；开关阵列模块接收核心控制模块的译码信号，控制相关开关阵列的通断，从而完成激励传感通道的选择；传感器转接模块负责开关阵列模块与外部压电传感器的信号传递，包括压电激励信号和响应信号。
17.如图2所示，大功率直流电源模块中，220v交流电通过交流转直流模块升压或降压，在通过整流滤波模块输出直流电源。在电源的输出端加入输出电流报警模块，它能起到保护大功率直流电源模块和开关阵列模块的作用，并提示用户通道切换一出现故障。同时输出端也接入了电源指示模块，向用户表明仪器的上电情况。
18.如图3所示，核心控制模块中，主要包括核心控制芯片、晶振、复位、jtag烧写和as配置电路。该核心控制模块的供电电源为3.3v和1.2v，为了减小电源纹波对该模块及其控制芯片的影响，在fpga芯片的每个电源引脚均配置一个0.1u的滤波电容，起到电源滤波、提高模块稳定性的作用。
19.如图4所示，开关阵列模块中，两个相互靠近的信号传输线，特别是平行的相互靠近的信号传输线，其中一根信号传输线上的信号会耦合到另一根信号传输线上。当信号的强度很大时，其耦合到另一根信号传输线上的强度也变得很大，所以需要降低开关阵列模块串扰信号的幅度。为此采用如图4所示的电路连接方式实现串扰的抑制。压电元件的一端与模拟开关的y端相连，另一端接地线。初始状态下，各压电元件的两端都与地线连接，压电传感器处于低阻状态，此时由于激励信号的存在引入的串扰较小。当需要1号压电传感器激励，2号压电元件在传感通道上工作时，通过系统核心控制模块发出相关的控制命令，开关1-1的y01端与sw1端相连，激励信号经激励通道施加于1号压电传感器，而此时开关2-2的y23端与sw3端相连，2号压电传感器由此处接入传感通道，其相应信号送入系统电荷放大模块，如图4所示。但是因为电荷放大器的输入阻抗达到109ω的量级，相当于高阻状态，故易引入串扰，这是使用电荷放大器所无法避免的。虽然开关2-2的sw2端处于高阻状态，串扰无法避免，但是其它开关的引脚均为低阻态，所以在通道切换模块工作时，只有一个开关的引脚处于高阻状态，这可极大程度地降低串扰源，从而使得串扰幅度不会导致系统电荷放大器的饱和。