一种灵活配置的超声传感器及结构健康监测系统的制作方法

本发明属于结构健康监测领域，具体涉及一种灵活配置的超声传感器，及基于该灵活配置的超声传感器构成的结构健康监测系统。

背景技术：

结构健康监测是指将传感器永久性地安装在被监测结构(如火车，管道等)上，利用传感器实时或者定期地监测建构的健康状况。由于结构健康监测具有在线和实时监测的优势，且能够及时检查出结构缺陷和节约人力物力，因此在各个行业得到越来越多的重视。

基于超声的结构健康监测技术不需要再拆卸复杂的结构，既能够检查结构表面的损伤，还能够监测结构内部的缺陷，因而在结构健康监测领域得到越来越广泛的应用。

基于超声的结构健康监测方法主要分为三种：反射式监测，网络式监测，以及反射式监测和网络式监测相结合。针对反射式监测，利用单个超声传感器在数据采集设备的控制下，发射激励信号至被监测结构，并接受基于激励信号响应的反馈信号，基于反馈信号实现对被监测结构健康状况的判断，这种反射式监测主要用于监测离超声传感器距离较近的结构状态。

当被监测结构为复杂几何形状，如列车的钩缓系统时，反馈信号的衰减和多角度复杂信号的叠加使得反馈信号在离超声传感器较远的时候变得微弱，此时单纯的反射式监测不足以准确判断结构的健康状况，因此，一般采用网络式监测，具体地，将多个超声传感器分别通过连接线与数据采集设备连接，形成一个网络，在数据采集设备的控制下，多个超声传感器之间交错发射激励信号和接收反馈信号，实现对结构健康状态的监测。

在网络式监测中，多个超声传感器之间的连接会造成连线复杂，且过多连接线的使用会增加重量和成本，在实际工程应用中会受到极大的限制。

多个压电陶瓷片封装的超声传感器可以将多个单压电陶瓷片的超声传感器的连接线合并成一个，以节省连接线数据、降低重量和成本，但是这种多个压电陶瓷片封装的超声传感器在使用的时候，仍然采用反射式监测，对复杂几何形状的结构健康状态监测不及时、不准确。

申请公布号为cn108318586a的发明专利申请公布了一种结构加强的超声传感器，该超声传感器包括至少一个双面压电陶瓷元件，所述双面压电陶瓷元件连接有多根导线，还包括封装壳体，该封装壳体的一侧向内凹陷，形成一块具有侧壁的内凹部，内凹部中设置有支撑部，封装壳体的侧壁或底部设置有开口；双面压电陶瓷元件安装在内凹部中，并由支撑部支撑，双面压电陶瓷元件朝外的一面低于内凹部的上部边缘，多根导线通过开口延伸到封装壳体的外部。该超声传感器在应用时仍然是反射式监测，形成网络式监测时，超声传感器之间的连接仍然会造成连接线数据多、连接复杂、重量大以及成本高问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种灵活配置的超声传感器，该灵活配置的超声传感器通过内置的连接部件与其他超声传感器连接，以去除超声传感器之间的连接线，降低整个系统连线的重量和成本。

本发明的另一目的是提供一种结构健康监测系统，该结构健康监测系统中利用灵活配置的超声传感器形成网络式监测，及时准确地实现对复杂几何形状的结构健康状态的监测。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供的一技术方案为：一种灵活配置的超声传感器，包括封装壳体、至少一个压电陶瓷片、线路板，所述压电陶瓷片集成到所述线路板上，其特征在于，所述超声传感器包括：

至少一个外连接部件，所述外连接部件连接在所述线路板上，用于连接其他超声传感器；

连接线，所述连接线一端连接外界设备，另一端在所述超声传感器内部分成两部分分支，其中一部分分支连接到所述压电陶瓷片，另一部分分支连接到所述线路板上，通过线路板的内部走线实现与所述外连接部件的通信。

本发明提供的灵活配置的超声传感器设有多个外连接部件，在应用时，其他超声传感器可以通过该外连接部件进行连接，最后通过一个连接线与外界设备连接，实现与外界设备的通信。这样设置，在保证实现网络式监测的基础上，能够大大降低网络式监测系统中连线数量，进而降低成本。

优选地，所述外连接部件为连接器，所述连接器安装在所述线路板上。该连接器安装在线路板上，作为沟通的桥梁，实现与连接在该连接器上的其他超声传感器的通信。

优选地，所述外连接部件为焊盘，所述焊盘与所述线路板一体成型。应用时，将其他超声传感器的连接线焊接在焊盘上，实现两个超声传感器的通信。由于超声传感器包含线路板，将外连接部件巧妙地设计成焊盘，通过焊盘实现两个超声传感器的连接，在节省成本的同时，还能保证连接稳定性。

为了减少超声传感器内部连线数量，降低走线复杂程度，所述超声传感器还包括数控模拟开关，所述数控模拟开关集成到所述线路板上，一端连接所述连接线，控制通过外连接部件传入的模拟信号是否通过连接线传输至外界设备。

当与外界设备连接的节点超声传感器连接多个其他超声传感器时，可以通过节点超声传感器内的数控模拟开关控制哪些其他超声传感器的数据信号可以传输到外界设备。

优选地，所述连接线为模拟信号线、数字信号线，或模拟信号线与数字信号线的组合。

该超声触感器内线路板上可以增加一些其他电子元器件以实现其他测试功能，优选地，所述线路板上集成有热敏电阻和/或热电偶，用于温度测量。

本发明提供的另一技术方案为：一种结构健康监测系统，包括：

数据采集和处理设备；

至少一个上述超声传感器，其中，至少一个所述超声传感器通过连接线与数据采集和处理设备连接，剩余所述超声传感器通过连接线连接到其他所述超声传感器的外连接部件，形成一个网络式结构健康监测系统。

优选地，所述超声传感器通过环氧树脂、夹具、焊接、胶水或者螺钉固定在被监测结构上。

优选地，所述数据采集和处理设备集成到与其连接的超声传感器内的线路板上。

该结构健康监测系统中，所有超声传感器形成一个网络式监测，且仅几个节点超声传感器与数据采集和处理设备连接，以实现所有超声传感器与数据采集和处理设备的数据和指令传输。该结构健康监测系统即能够减少连接线数量，降低重量和成本，还能够及时准确地实现对复杂几何形状的结构健康状态的监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1～图4是实施例提供的灵活配置的超声传感器的结构示意图；

图5是实施例提供的结构健康监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

传统结构健康监测系统中，超声传感器均通过连接线连接到数据采集设备上形成网络式监测，这样会造成整个监测系统中连线数据较多、复杂且成本和重量都增加。为解决该问题，本实施例提供了如图1、图2所示的灵活配置的超声传感器。

如图1、图2所示，该灵活配置的超声传感器包括线路板101、压电陶瓷片102、外连接部件103、以及连接线104，其中，压电陶瓷片102集成到线路板101上，外连接部件103连接在线路板101上，作为外接口连接其他超声传感器，连接线104一端连接外界设备，另一端在超声传感器内部分成两部分分支，其中一部分分支连接到压电陶瓷片102，另一部分分支连接到线路板101上，通过线路板的内部走线实现与外连接部件103的通信。

在超声传感器中，压电陶瓷片的个数不受限制，可以是如图1所示的1个压电陶瓷片102，也可以是如图2所示的2个压电陶瓷片102，甚至更多。

在超声传感器中，外连接部件103的个数同样不受限制，根据需要，可以在线路板上增加任意个外连接部件103，可以是如图1、图2所示的4个外连接部件103，应用时，对于未连接其他器件的外连接部件103，可以采用胶水或接头将外连接部件的置外部分封死，以防止雨水或者环境对超声传感器的影响。

本实施例中，外连接部件103可以为连接器，还可以为焊盘。当外连接部件103为连接器时，连接器安装在线路板101上，作为沟通的桥梁，实现与连接在该连接器上的其他超声传感器的数据和指令传输。其中，连接器可以接插件、插头或插座等。当外连接部件103为焊盘时，焊盘直接与线路板101连接，其他超声传感器通过焊盘与节点超声传感器连接。

为了减少超声传感器内部连线数量，降低走线复杂程度，超声传感器还包括数控模拟开关，如图3、图4所示，数控模拟开关301集成到线路板101上，一端连接连接线104，控制通过外连接部件103传入的模拟信号是否通过连接线101传输至外界设备。当与外界设备连接的节点超声传感器连接多个其他超声传感器时，可以通过节点超声传感器内的数控模拟开关301控制哪些其他超声传感器的数据信号可以传输到外界设备。

具体地，连接线101可以为模拟信号线、数字信号线，或模拟信号线与数字信号线的组合。其中，模拟信号线是指在连线中的传输信号是模拟信号。如采集的距离信号、声波强度信号等。数字信号线是指连线中的传输信号是数字信号。

举例来说，假设节点超声传感器可以连接16个压电传感器，如果只使用模拟线，则最少需要17条连接线。当一些超声传感器发射激励信号，另一些超声传感器接收响应信号时，为了减小窜扰，则发射和接收的超声传感器需要分开，则需要18条连接线。若采用模拟线和数字线相结合的方法，采用16选1的数控模拟开关。则可以使用串行数字控制，包括两条数字线信号线和两条数字电源和地线。当该节点超声传感器只用做接收响应信号时，连接到外界设备的连线只需要6条线(2条模拟线+4条数字线)。当该节点超声传感器即可以发射激励信号，又可以接收响应信号时，则需要8条线(4条模拟线42条数字线)。

本实施例提供的超声传感器的线路板上还可以安装一些其他监测电子元器件，以监测其他参数，具体地，本实施例中，线路板101上还安装有热敏电阻和/或热电偶(图1～4中未标出)，利用该热敏电阻和热电偶实现温度的测量。

上述外界设备可以是任何具有通信功能的电子设备，可以是数据采集设备，也可以是数据处理设备，还可以是数据采集和处理集成到一起的设备。

本实施例提供的超声传感器可以是矩形、圆形、等任意多边形。

本实施例提供的超声传感器可以利用多个外连接部件，与其他超声传感器进行连接，最后通过一个连接线与外界设备连接，实现与外界设备的通信。这样设置，在保证实现网络式监测的基础上，能够大大降低网络式监测系统中连线数量，进而降低成本。

另外一个实施例提供了一种结构健康监测系统，具体包括：数据采集和处理设备、至少一个上述超声传感器，其中，至少一个节点超声传感器通过连接线与数据采集和处理设备连接，剩余超声传感器通过连接线连接到其他超声传感器的外链接部件，形成一个网络式结构健康监测系统。

仅以如图1所示的超声传感器具体说明该结构健康监测系统，如图5所示，该结构健康监测系统包括数据采集和处理设备501、节点超声传感器502、超声传感器503，其中，节点超声传感器502通过连接线连接到采集和处理设备501，剩下的三个超声传感器503通过连接线连接到节点超声传感器502的外连接部件上，这样仅有一条连接线连接采集和处理设备501，就能实现所有超声传感器的数据采集和处理，这样，由于从节点超声传感器到数据采集和处理设备的连线可能很长，单线连接可以显著地节约连线。

在另外一个实施例中，结构健康监测系统中的数据采集和处理设备可以通过连接线与多个节点超声传感器连接，每个节点超声传感器通过外部连接件与其他超声传感器连接，该其他超声传感器连接通过连接件再连接超声传感器，以此类推，形成拓扑的网络式结构。在该拓扑的网络式结构中，每个节点超声传感器和与其连接的超声传感器会形成一个局部监测网络，以此来监测结构某个区域的健康状态。

具体地，数据采集和处理设备也可以集成到与其连接的超声传感器内的线路板上，以此来减少连接线的使用。

具体应用时，根据实际应用情况，灵活选择连接超声传感器的数量，实现超声触感器的灵活控制，所有超声传感器通过环氧树脂、夹具、焊接、胶水或者螺钉等方式固定在被监测结构上，某些超声传感器受控制发射激励信号到被监测结构，某些超声传感器接收激励信号的响应信号，再经处理计算判断被监测结构的健康状况。

因此，该结构健康监测系统作为网络式监测，可以实现复杂几何形状的结构健康状态的监测，还能减少连接线数量，降低系统重量和成本。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。