专利名称：低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术的结构健康监测系统 用通道切换系统。在主动工作模式下，多通道切换系统可以实现单个压电传感器激励，多个 压电传感器同时响应的低串扰、快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，多通道切换系统 可以实现任意压电传感器声发射响应通道的选通。
背景技术：
结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的传感/驱 动元件，在线实时地获取与结构健康状态相关的信息，从而达到在线结构状态评估的目的。 复合材料以其比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好及材料性能可设计等一系列优点，在航 空、航天、汽车等工程领域得到了日益广泛的应用。与金属结构相比，复合材料结构力学及 损伤特性复杂，结构健康监测技术能够有效的保障结构的安全。层合板复合材料在服役过 程中不可避免的要承受各种能量物体的冲击。这些冲击容易造成复合材料结构的内部分 层、基体开裂和纤维断裂等损伤。这些内部损伤破坏将使层合结构的力学性能退化，承载能 力降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在的威胁。而且这些损伤多发生在材料内部不易 从表面发现，留下隐患。常规的无损检测方法，如超声、X射线、电涡流射线及电位测量等， 设备复杂，而且需要对损伤的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役环 境下的实时在线监测。所以利用被动式结构健康监测技术对复合材料结构的冲击事件进行 在线监测是十分必要的。对于复合材料结构的分层、基体开裂、纤维断裂、脱粘等损伤以及 金属材料结构的疲劳裂纹等损伤可以结合主动式结构健康监测技术，对其进行在线监测。随着结构健康监测技术工程化应用的日益发展，所需要监测的结构体积逐步增 大，压电传感器是以阵列形式使用。因此需要一种能够实现激励-传感通道切换和传感器 通道选通功能的多通道切换系统。该多通道切换系统需要具有以下几个特点(1)快速通道切换与扫查被监测结构的体积大，传感器数目多，要求多通道切换 系统能够快速高效的轮询传感器组成的激励-传感网络通道，保证结构健康监测的时效 性。例如由16个压电传感器组成的120路激励-传感通道，每通道切换的平均时间为0.5 秒钟，如果使用单个传感器激励_单个传感器响应的通道切换模式，那么将所有120通道切 换一次的时间为60秒。而如果使用单个传感器激励-N个传感器同时响应的通道切换模式， 那么所有120通道切换一次的时间为120/N秒。(2)低串扰当作为激励和传感的两个压电传感器在结构上的布置距离较远时， 为了提高信号的信噪比，一般需要采用高频功率放大器提高激励信号的能量。对于通道切 换系统来说，高频大功率激励信号为一个强干扰源，在其内部会引起通道之间存在较强的 串扰信号，不利于信号的后继处理。因此需要一种具有低串扰特性的通道切换系统，保证信
号质量。
(3)主动和被动工作模式兼容同一台结构健康监测系统，同一个压电传感器网 络，要求它们既能完成主动式的结构健康监测任务，又能完成被动式的结构健康监测任务， 因此需要一种既能够工作在主动模式下，按照主动模式的通道切换要求进行通道切换，又 能够工作在被动模式下，按照被动模式的通道切换要求进行通道切换的多通道切换系统。
发明内容
发明目的本发明的所要解决的技术问题是针对上述背景技术下提供一种低串扰、快速和主 被动兼容型压电通道切换系统，在主动工作模式下，通道切换系统可以实现单个压电传感 器激励，多个压电传感器同时响应的快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，通道切换系 统可以实现任意传感器声发射响应通道的选通。通道切换系统具有低串扰特性。技术方案本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，包括通道控制中央处理器 模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开 关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块；其中系统电源转换模块用于供电，所述通 道控制中央处理器模块分别与被动切换控制模块、主动切换控制模块、主被动工作方式切 换开关阵列连接，被动切换控制模块的输出端与被动开关切换阵列连接，主动切换控制模 块的输出端与主动切换开关阵列连接，主被动工作方式切换开关阵列分别与被动切换开关 阵列、主动切换开关阵列的输入端连接。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中通道控制中央处 理器模块由模块电源、微控制器及其外围辅助电路、主被动工作方式切换开关阵列驱动模 块组成，其中微控制器为单片机或可编程逻辑器件或DSP。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中主动切换控制模 块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入器。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中被动切换控制模 块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入器。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中被动切换开关阵 列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M均为大于1的正整数，且 M^N ；每个开关至少存在K1 K3三个触点；N个压电传感器通过主被动工作方式切换开 关阵列后接通被动切换开关阵列，与其第一列每个开关的K1连接；初始状态下，所有开关 的K1触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接；被动切换开关阵列中 的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。进一步，上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统中主动切换开关阵 列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M均为大于1的正整数，且 M^N ；每个开关至少存在K1 K3三个触点；N个压电传感器通过主被动工作方式切换开 关阵列后接通主动切换开关阵列，与其第一列每个开关的K1连接；初始状态下，所有开关 的K1触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接；被动切换开关阵列中 的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。
一种应用上述低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统的实现方法，系统 整体的实现方法是一个封装在机壳中的独立仪器，由计算机通过计算机外部总线或者自定 义总线对其进行控制；或者是一个卡式仪器，插接在计算机系统总线上，由计算机通过计算 机系统总线对其进行控制。有益效果本发明的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，能够实现压电传感器 阵列的多通道切换(1)将主动和被动结构健康监测技术需要的通道切换功能集成在了一 起；(2)实现了单激励_多传感工作模式的快速通道切换与扫查；(3)实现任意声发射传感 器通道的选通；(4)通道切换系统的信号串扰低，对信号影响小；(5)整套系统既能独立使 用也能集成在计算机系统总线上使用，应用范围广。
图1是本发明的系统整体结构示意图；图2是本发明的主被动工作方式切换开关阵列及通道切换示意图；图3是本发明的被动切换开关阵列及通道切换示意图；图4是本发明的主动切换开关阵列及通道切换示意图；图5是本发明的通道控制中央处理器模块示意图；图6是本发明的被动切换控制模块示意图；图7是本发明的主动切换控制模块示意图；图8是本发明的系统电源模块示意图。
具体实施方案下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述实施例(1)如图1所示，本实施例是一种外部独立仪器式的低串扰、快速和主被动兼容型压 电通道切换系统，包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切 换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模 块。外部独立仪器式的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统与计算机之间 采用计算机外部总线进行通讯。系统需要切换的激励信号幅值为士70V，电流小于800mA。 系统需要切换的传感器响应信号幅值为士 10V，电流小于10mA。主被动工作方式切换开关 阵列、主动切换开关阵列中的开关采用小型化继电器实现，被动切换开关阵列中的开关采 用模拟电子开关实现。整个系统由外部220V交流电供电。系统工作状态分有4种(1)通道复位系统关闭内部所有开关，使系统恢复到默认设置的状态；(2)主动工作方式系统的开关切换方式为激励-传感模式，也就是外部压电传感 器阵列工作在主动激励_传感状态下；(3)被动工作方式系统的开关切换方式为选通指定的压电传感器作为声发射传 感器，使其在线监听结构冲击事件；
(4)通道控制自检系统自身轮流开启和关闭内部所有的开关，通过检测发出的 通道控制命令与返回的通道控制状态是否一致来检测系统是否对通道进行了正确的切换。通道控制中央处理器模块接收计算机系统传输的通道控制命令，驱动主被动工作 方式切换开关阵列工作以及控制被动切换控制模块和主动切换控制模块工作。通道控制命 令为N位2进制代码。其中的前M位表明系统工作状态。对于复位和通道自检工作状态， 控制命令中的后N-M位代码为无效代码，对于后两种工作状态，控制命令中的后N-M位代码 为主被动工作方式切换开关阵列切换使能、对应通道编号。代码长度由需要控制的通道数 决定。通道控制中央处理器模块也接收计算机系统传输的通道读取命令，从被动切换控制 模块、主动切换控制模块获取其当前通道驱动状态，再结合自身驱动主被动工作方式切换 开关阵列的驱动状态向计算机传输当前整个通道切换系统的通道驱动状态。通道控制中央 处理器模块由模块电源，微控制器及其外围辅助电路和主被动工作方式切换开关阵列驱动 模块组成。当压电通道切换系统的实现形式为独立仪器时，该模块与计算机的通讯方式是 以RS232、RS485、USB等串行总线或IEEE-488等并行总线形式的计算机外部总线或者自定 义总线；当压电通道切换系统的实现形式为卡式仪器时，它与计算机的通信通讯方式是以 ISA、PCI、PXI等形式的计算机系统总线。主被动工作方式切换开关阵列接收通道控制中央处理器模块传输的工作方式切 换驱动命令，实现外部压电传感器阵列与被动切换开关阵列及其与主动切换开关阵列之间 的切换。如图2所示，主被动工作方式切换开关阵列由多个具有1对2切换属性的开关组 成。当整个系统需要切换的信号电压和功率较高时，使用继电器阵列作为开关阵列；当整 个系统需要切换的信号电压和功率较低时，可使用继电器阵列或模拟电子开关作为开关阵 列。当系统工作在被动状态下时，主被动工作方式切换开关阵列将外部压电传感器阵列与 被动切换开关阵列连接；当系统工作在主动状态下时，主被动工作方式切换阵列将外部压 电传感器阵列与主动切换开关阵列连接。主被动工作方式切换开关阵列由模拟电子开关或 继电器阵列组成。被动切换控制模块接收通道控制中央处理器模块传输的通道选通命令，输出通道 驱动信号至被动切换开关阵列，驱动其对应通道的开启和关闭。被动切换控制模块有以下 两种实现形式(1)由模块电源、可编程逻辑器件及其外围辅助电路、被动切换开关阵列驱 动模块组成；(2)由模块电源、译码锁存器及缓存输入器组成的逻辑译码电路、被动切换开 关阵列驱动模块组成。主动切换控制模块接收通道控制中央处理器模块传输的通道选通命令，输出通道 驱动信号至主动切换开关阵列，驱动其对应通道的开启和关闭。主动切换控制模块有以下 两种实现形式(1)由模块电源、可编程逻辑器件及其外围辅助电路、主动切换开关阵列驱 动模块组成；(2)由模块电源、译码锁存器及缓存输入器组成的逻辑译码电路、主动切换开 关阵列驱动模块组成。被动切换开关阵列由NXM(M彡N)个具有1对2或1对多切换属性的开关组成， 被动的接受被动切换控制模块的通道开启和关闭控制。每个开关至少存在K1 K3三个触 点。N个压电传感器通过主被动工作方式切换开关阵列后接通被动切换开关阵列，与其第 一列每个开关的K1连接。初始状态下，所有开关的K1触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接。被动切换开关阵列中的开关有继电器或者模拟电子开关两种 实现形式。主动切换开关阵列由NXM(M彡N)个具有1对2或1对多切换属性的开关组成， 被动的接受主动切换控制模块的通道开启和关闭控制。每个开关至少存在K1 K3三个触 点。N个压电传感器通过主被动工作方式切换开关阵列后接通被动切换开关阵列，与其第 一列每个开关的K1连接。初始状态下，所有开关的K1触点都与K2触点连接，第M列开关 的K2触点与系统地线连接。主动切换开关阵列中的开关有继电器或者模拟电子开关两种 实现形式。系统电源转换模块将外部提供的直流或交流电源转换成系统内部各模块需要的 电源对各模块供电。系统电源模块有以下两种组成形式(1)外界提供交流电源时，系统电 源转换模块由隔离型或非隔离型AC/DC电源模块、过流保护模块和电源指示模块组成；(2) 外界提供直流电源时，系统电源转换模块由隔离型或非隔离型DC/DC电源模块、过流保护 模块和电源指示模块组成。被动切换开关阵列的实现形式如图3所示。被动切换开关阵列由NXM个具有1 对2切换属性的开关组成，控制N个压电传感器工作，M < N。每个开关至少存在K1 K3 三个触点。N个压电传感器通过主被动工作方式切换开关阵列后接通被动切换开关阵列，与 其第一列每个开关的K1连接。初始状态下，所有开关的K1触点都与K2触点连接，第M列 开关的K2触点与系统地线连接。在该状态下，压电传感器两电级实际上都与系统的地线连 接，所以通道之间的串扰很小。当1 N号传感器中有M个传感器需要作为被动监听结构 冲击响应信号的声发射传感器时，受被动切换控制模块的驱动，第1列开关的开关11的K1 触点与K3触点连接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接，第j列开关的开关ij的K1触 点与K3触点连接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接，第M列开关的开关NM的K1触点 与K3触点连接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接。在这种切换状态下，1 N号传感器 中被选中作为声发射传感器的响应信号分别以传感器响应信号1 M输出。操作人员可以 根据需要，选择任意1 N号传感器中的某几个传感器作为声发射传感器，也可以任意选择 传感器响应信号的输出顺序。开关采用模拟电子开关实现。主动切换开关阵列的实现形式如图4所示。主动切换开关阵列由NXM个具有1 对2切换属性的开关组成，控制N个压电传感器工作，M < N。每个开关至少存在K1 K3 三个触点。N个压电传感器通过主被动工作方式切换开关阵列后接通主动切换开关阵列，与 其第一列每个开关的K1连接。初始状态下，所有开关的K1触点都与K2触点连接，第M列 开关的K2触点与系统地线连接。在该状态下，压电传感器两电级实际上都与系统的地线连 接，所以通道之间的串扰很小。当1号压电传感器工作在激励状态下，其余2 N号传感器 工作在传感状态下，受主动切换控制模块的驱动，第1列开关的开关11的K1触点与K3触 点连接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接，第j列开关的开关ij的K1触点与K3触点 连接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接，第M列开关的开关NM的K1触点与K3触点连 接，其余开关的K1触点仍与K2触点连接。在这种切换状态下，外界给入的激励信号从开关 11施加到1号压电传感器上，2 N号传感器的响应信号分别以传感器响应信号2 M输 出。这样就实现了单激励，M-1传感的通道切换模式，从而实现了快速通道切换和扫查。操 作人员可以根据需要，选择任意1 N号传感器中的某几个传感器进行工作，也可以任意选择传感器响应信号的输出顺序。开关采用小型化继电器实现。如图5(a)所示，通道控制中央处理器模块由模块电源、微控制器及其外围辅助电 路、主被动工作方式切换开关阵列驱动模块组成。模块电源将系统电源模块提供的直流电 源转换成其它模块需要的电源对其供电。微控制器的实现形式有(1)单片机；(2)可编程 逻辑器件；(3)DSP。存储器为静态存储器，存储系统在各种工作状态下的运行和驱动代码。 主被动工作方式切换开关阵列驱动模块为继电器驱动阵列，由它对主被动工作方式切换开 关阵列中的继电器进行驱动。主被动工作方式切换开关阵列的实现形式如图2所示。开关采用小型化继电器实 现。电源由系统电源模块提供。直接受通道控制中央处理器模块的驱动进行工作。如图6(a)所示，被动切换控制模块由模块电源，可编程逻辑器件及其外围辅助电 路和被动切换开关阵列驱动模块组成。可编程逻辑器件接收到通道控制中央处理器模块 传输的通道选通命令后进行对应译码输出通道选通信号给被动切换开关阵列驱动模块，由 该模块输出通道驱动信号控制被动切换开关阵列中的对应继电器开关。存储器为静态存储 器，存储系统在各种工作状态下的运行代码。如图7(a)所示，主动切换控制模块由模块电源，可编程逻辑器件及其外围辅助电 路和主动切换开关阵列驱动模块组成。可编程逻辑器件接收到通道控制中央处理器模块 传输的通道选通命令后进行对应译码输出通道选通信号给主动切换开关阵列驱动模块，由 该模块输出通道驱动信号控制主动切换开关阵列中的对应继电器开关。存储器为静态存储 器，存储系统在各种工作状态下的运行代码。如图8(a)所示，系统电源模块由隔离型或非隔离型AC/DC电源模块、过流保护模 块和电源指示模块组成。AC/DC电源模块1转换输出的电源给通道控制中央处理器模块、主 被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、主动切换开关阵列供 电。AC/DC电源模块1转换输出的电源给被动切换开关阵列供电。系统电源模块将外部提 供的220V交流电转换成直流电源，然后通过过流保护模块后对其它各模块和开关阵列供
^^ o系统整体封装在铝制散热屏蔽机壳中与外界220V交流电源、计算机、功率放大 器、数据采集器以及压电传感器阵列连接。系统四种工作状态的工作流程如下1)通道复位的工作流程如下(1)上位机向通道切换系统发出通道复位指令。(2)系统通道控制中央处理器模块接收到该指令后，对该指令进行识别，确认收到 通道复位指令。(3)通道控制中央处理器模块发出工作方式切换驱动命令，驱动主被动工作方式 切换开关阵列关闭其内部所有开关。(4)通道控制中央处理器模块发出通道选通命令，被动切换控制模块接收到该命 令后，发出通道驱动信号关闭内部所有开关。(5)通道控制中央处理器模块发出通道选通命令，主动切换控制模块接收到该命 令后，发出通道驱动信号关闭内部所有开关。(6)通道控制中央处理器模块向上位机返回复位完成信息。
2)主动工作方式的操作流程如下(1)上位机向通道切换系统发出主动工作状态指令及通道编号。(2)系统通道控制中央处理器模块接收到该指令后，对该指令进行识别，确认收到 主动工作状态指令。(3)通道控制中央处理器模块发出工作方式切换驱动命令，驱动主被动工作方式 切换开关阵将外部压电传感器阵列与主动切换开关阵列连接。(4)通道控制中央处理器模块根据通道编号发出通道选通命令，主动切换控制模 块接收到该命令后，发出通道驱动信号开启对应开关。(5)通道控制中央处理器模块向上位机返回通道控制完成信息。3)被动工作方式的操作流程如下(1)上位机向通道切换系统发出被动工作状态指令及通道编号。(2)系统通道控制中央处理器模块接收到该指令后，对该指令进行识别，确认收到 被动工作状态指令。(3)通道控制中央处理器模块发出工作方式切换驱动命令，驱动主被动工作方式 切换开关阵将外部压电传感器阵列与被动切换开关阵列连接。(4)通道控制中央处理器模块根据通道编号发出通道选通命令，被动切换控制模 块接收到该命令后，发出通道驱动信号开启对应开关。(5)通道控制中央处理器模块向上位机返回通道控制完成信息。4)通道控制自检的工作流程如下(1)上位机向通道切换系统发出通道控制自检指令。(2)系统通道控制中央处理器模块接收到该指令后，对该指令进行识别，确认受到 通道控制自检指令。(3)通道控制中央处理器模块将内部所有开关复位。(4)通道控制中央处理器模块发出工作方式切换驱动命令，驱动主被动工作方式 切换开关阵列中的各个开关轮流开启和关闭。在开启每一个开关后，通道控制中央处理器 模块读取自身通道控制弓I脚的逻辑状态。(5)通道控制中央处理器模块发出通道选通命令，被动切换控制模块接收到该命 令后，发出通道驱动信号轮流开启和关闭被动切换开关阵列中的各开关。在开启每一个开 关后，被动切换控制模块读取自身通道控制引脚的逻辑状态。待开关切换完成后，被动切换 控制模块将自身通道控制引脚的逻辑状态记录结果返回给通道控制中央处理器模块。(6)通道控制中央处理器模块发出通道选通命令，主动切换控制模块接收到该命 令后，发出通道驱动信号轮流开启和关闭主动切换开关阵列中的各开关。在开启每一个开 关后，主动切换控制模块读取自身通道控制引脚的逻辑状态。待开关切换完成后，主动切换 控制模块将自身通道控制引脚的逻辑状态记录结果返回给通道控制中央处理器模块。(7)通道控制中央处理器模块根据三部分开关控制状态的统计结果，判别是否存 在错误控制状态，并将结果返回给上位机。实施例(2)如图1所示，本实施例是一种集成到计算机中的板卡式低串扰、快速和主被动兼 容型压电通道切换系统，包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转 换模块。板卡式的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统与计算机之间采用计算 机系统总线进行通讯。系统需要切换的激励信号幅值为士70V，电流小于800mA。系统需要 切换的传感器响应信号幅值为士 10V，电流小于10mA。系统内部所有开关采用小型化继电 器实现。如图5(b)所示，通道控制中央处理器模块由模块电源、微控制器及其外围辅助电 路、总线桥模块、主被动工作方式切换开关阵列驱动模块组成。微控制器也可以选用自带总 线桥模块的微控制器。模块电源将系统电源模块提供的直流电源转换成其它模块需要的电 源对其供电。微控制器的实现形式有(1)单片机；(2)可编程逻辑器件；(3)DSP。存储器 为静态存储器，存储系统在各种工作状态下的运行和驱动代码。主被动工作方式切换开关 阵列驱动模块为继电器驱动阵列，由它对主被动工作方式切换开关阵列中的继电器进行驱 动。主被动工作方式切换开关阵列的实现形式如图2所示。开关采用小型化继电器实 现。电源由系统电源模块提供。直接受通道控制中央处理器模块的驱动进行工作。如图6(b)所示，被动切换控制模块由模块电源、译码锁存器及缓存输入器组成的 逻辑译码电路、被动切换开关阵列驱动模块组成。逻辑译码电路接收到通道控制中央处理 器模块传输的通道选通命令后进行对应译码输出通道选通信号给被动切换开关阵列驱动 模块，由该模块输出通道驱动信号控制被动切换开关阵列中的对应继电器开关。如图7(b)所示，主动切换控制模块由模块电源、译码锁存器及缓存输入器组成的 逻辑译码电路、主动切换开关阵列驱动模块组成。逻辑译码电路接收到通道控制中央处理 器模块传输的通道选通命令后进行对应译码输出通道选通信号给主动切换开关阵列驱动 模块，由该模块输出通道驱动信号控制主动切换开关阵列中的对应继电器开关。被动切换开关阵列的实现形式如图3所示，开关采用小型化继电器实现。主动切换开关阵列的实现形式如图4所示，开关采用小型化继电器实现。如图8(b)所示，当系统使用计算机系统总线上的5V电源或使用外部直流电源供 电时，系统电源模块由隔离型或非隔离型DC/DC电源模块、过流保护模块和电源指示模块 组成。DC/DC电源模块转换输出的电源给系统其它各模块供电。系统各工作状态的工作流程与具体实施方式
(1)中的系统各工作状态的工作流 程相同。实施例(3)如图1所示，本实施例是一种集成到计算机中的板卡式低串扰、快速和主被动兼 容型压电通道切换系统，包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被 动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转 换模块。板卡式的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统与计算机之间采用计算 机系统总线进行通讯。系统需要切换的激励信号幅值为士 10V，电流小于30mA。系统需要 切换的传感器响应信号幅值为士 10V，电流小于10mA。系统内部所有开关采用模拟电子开 关实现。
通道控制中央处理器模块的实现形式与具体实施方式
(2)相同。主被动工作方式切换开关阵列的实现形式与具体实施方式
(2)相同，开关采用模 拟电子开关。被动切换控制模块的实现形式与具体实施方式
(2)相同。主动切换控制模块的实现形式与具体实施方式
(2)相同。被动切换开关阵列的实现形式如图3所示，开关采用模拟电子开关实现。主动切换开关阵列的实现形式如图4所示，开关采用模拟电子开关实现。系统电源模块的实现形式与具体实施方式
(2)相同。系统各工作状态的工作流程与具体实施方式
(1)中的系统各工作状态的工作流 程相同。
权利要求
一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在于，包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块；其中系统电源转换模块用于供电，所述通道控制中央处理器模块分别与被动切换控制模块、主动切换控制模块、主被动工作方式切换开关阵列连接，被动切换控制模块的输出端与被动开关切换阵列连接，主动切换控制模块的输出端与主动切换开关阵列连接，主被动工作方式切换开关阵列分别与被动切换开关阵列、主动切换开关阵列的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在 于，通道控制中央处理器模块由模块电源、微控制器及其外围辅助电路、主被动工作方式切 换开关阵列驱动模块组成，其中微控制器为单片机或可编程逻辑器件或DSP。
3.根据权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在 于，所述主动切换控制模块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入ο
4.根据权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在 于，所述被动切换控制模块的逻辑功能电路为可编程逻辑器件或译码锁存器及缓存输入ο
5.根据权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在 于，所述被动切换开关阵列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M 均为大于1的正整数，且MS N ；每个开关至少存在Kl K3三个触点；N个压电传感器通过 主被动工作方式切换开关阵列后接通被动切换开关阵列，与其第一列每个开关的Kl连接； 初始状态下，所有开关的Kl触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接； 被动切换开关阵列中的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。
6.根据权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，其特征在 于，所述主动切换开关阵列由NXM个具有1对2或1对多切换属性的开关组成，其中N、M 均为大于1的正整数，且M < N ；每个开关至少存在Kl K3三个触点；N个压电传感器通过 主被动工作方式切换开关阵列后接通主动切换开关阵列，与其第一列每个开关的Kl连接； 初始状态下，所有开关的Kl触点都与K2触点连接，第M列开关的K2触点与系统地线连接； 被动切换开关阵列中的开关有继电器或者模拟电子开关两种实现形式。
7.一种应用如权利要求1所述的低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统的实 现方法，其特征在于，系统整体的实现方法是一个封装在机壳中的独立仪器，由计算机通过 计算机外部总线或者自定义总线对其进行控制；或者是一个卡式仪器，插接在计算机系统 总线上，由计算机通过计算机系统总线对其进行控制。
全文摘要
本发明提供一种低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统，属于主被动Lamb波和压电阵列传感器的结构健康监测技术领域。本发明包括通道控制中央处理器模块、主被动工作方式切换开关阵列、被动切换控制模块、主动切换控制模块、被动切换开关阵列、主动切换开关阵列和系统电源转换模块。系统将主动和被动结构健康监测技术需要的通道切换功能集成在了一起。在主动工作模式下，通道切换系统可以实现单个压电传感器激励，多个压电传感器同时响应的低串扰、快速通道切换与扫查。在被动工作模式下，通道切换系统可以实现任意压电传感器声发射响应通道的选通。
文档编号G05B19/418GK101872194SQ20101021411
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者张炳良, 袁慎芳, 邱雷 申请人:南京航空航天大学