面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)力波通信激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)

馬楊煬，許維鎣，洪曉豐，洪曉斌

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東工華高新檢測科技有限公司，廣東 廣州 510670）

面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)力波通信激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)

馬楊煬1，許維鎣1，洪曉豐2，洪曉斌1

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東工華高新檢測科技有限公司，廣東 廣州 510670）

針對現(xiàn)有應(yīng)力波通信設(shè)備不適宜現(xiàn)場應(yīng)用的難題，該文開發(fā)面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)力波通信激勵(lì)模塊。提出激勵(lì)模塊新架構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)擴(kuò)頻通信子模塊和壓電陶瓷激勵(lì)電源。該模塊可完成結(jié)構(gòu)健康信息的采集、擴(kuò)頻和放大，最終激勵(lì)承載結(jié)構(gòu)健康信息的應(yīng)力波。測試結(jié)果表明：該模塊能夠在載噪比低于2dB的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度信息的傳輸，并且無誤碼，可解決特殊環(huán)境下難以采用電磁波進(jìn)行傳感信息通信難題。

應(yīng)力波；擴(kuò)頻通信；激勵(lì)模塊；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

0 引 言

面向工業(yè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測及其評估，已成為當(dāng)今公共安全和生產(chǎn)安全的研究熱點(diǎn)[1-2]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)早期主要采用以電纜為載體的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，后以電磁波為載體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具有搭建快速、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[3-5]。然而部分特殊結(jié)構(gòu)，如地下管道結(jié)構(gòu)、鉆井機(jī)構(gòu)等，工作于惡劣的電磁屏蔽環(huán)境[6]，本身也不允許鋪設(shè)電纜，常規(guī)傳感方式難以有效工作。

針對電磁屏蔽環(huán)境下特殊結(jié)構(gòu)的健康信息傳輸，以應(yīng)力波為載體的應(yīng)力波通信技術(shù)受到廣泛關(guān)注。例如，Jin等[7]提出了面向管道結(jié)構(gòu)的基于時(shí)間反演PPM調(diào)制數(shù)據(jù)通信方案，Kailaswar等[8]結(jié)合軟件無線電技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測，Siu等[9]利用智能骨料研究了混凝土信道特征并對比了多種調(diào)制方式的優(yōu)劣。

對于信噪比極低、信道具有頻率選擇性的情形，本課題組前期研究提出基于擴(kuò)頻理論的應(yīng)力波通信方法，有效降低了誤碼率[10]。然而，應(yīng)力波通信激勵(lì)設(shè)備體積過于龐大，難以在實(shí)際場景中應(yīng)用，有微型化的必要。本文結(jié)合應(yīng)力波擴(kuò)頻通信理論，設(shè)計(jì)應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊完成結(jié)構(gòu)健康信息采集和傳輸，并嵌入工業(yè)結(jié)構(gòu)，在電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多維度的監(jiān)測、評估和預(yù)警。

1 應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊總體設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)力波擴(kuò)頻通信原理

常規(guī)應(yīng)力波通信方式因存在噪聲嚴(yán)重、信道衰落等問題，通信可靠性差。應(yīng)力波擴(kuò)頻通信采用偽隨機(jī)序列為結(jié)構(gòu)健康信息進(jìn)行擴(kuò)頻處理，使得信息頻譜得到展寬，與此同時(shí)，信息能量在頻域中擴(kuò)展，有效克服了信道衰落的影響，使得通信可靠性大幅度提升。

應(yīng)力波擴(kuò)頻通信原理，如圖1所示。信號A為擴(kuò)頻處理前的結(jié)構(gòu)健康信息，為典型的窄帶信號。信號B為擴(kuò)頻序列，由同一擴(kuò)頻碼片在時(shí)域上重復(fù)而成，每一個(gè)擴(kuò)頻碼片對應(yīng)結(jié)構(gòu)健康信息的一個(gè)碼元，擴(kuò)頻序列的頻率遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)健康信息，為典型的寬帶信號。信號C為已擴(kuò)信號，即擴(kuò)頻處理后的結(jié)構(gòu)健康信息，擴(kuò)頻處理主要為結(jié)構(gòu)健康信息與擴(kuò)頻序列在同一時(shí)刻邏輯異或，可見經(jīng)過擴(kuò)頻處理，結(jié)構(gòu)健康信息包含在已擴(kuò)信號中，同時(shí)已擴(kuò)信號的頻譜相對未處理前得到擴(kuò)展。

應(yīng)力波擴(kuò)頻通信中，擴(kuò)頻處理是通信可靠性的關(guān)鍵步驟，擴(kuò)頻序列在擴(kuò)頻處理中占據(jù)核心地位。擴(kuò)頻序列一方面展寬結(jié)構(gòu)健康信息的頻譜，決定應(yīng)力波擴(kuò)頻通信中的信號帶寬，另一方面，在接收端可將信號壓縮，以減小信道噪聲的干擾。采用m序列作為擴(kuò)頻序列，可以滿足通信抗干擾要求，同時(shí)簡化模塊設(shè)計(jì)。

圖1 應(yīng)力波擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻處理示意圖

1.2 應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊架構(gòu)

應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊，需要完成信息采集、信息擴(kuò)頻和應(yīng)力波激勵(lì)3大功能，采用自定向下的設(shè)計(jì)模式，分為傳感與控制子模塊、擴(kuò)頻通信子模塊和壓電陶瓷激勵(lì)電源3個(gè)子模塊，如圖2所示。

圖2 激勵(lì)模塊的子模塊劃分圖

結(jié)構(gòu)健康信息從傳感與控制子模塊開始，經(jīng)擴(kuò)頻通信子模塊處理，形成頻譜擴(kuò)展的已調(diào)信號，再通過壓電陶瓷激勵(lì)電源，形成具備足夠能量驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的攜帶結(jié)構(gòu)健康信息的強(qiáng)功率信號。壓電傳感與控制子模塊主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)健康信息采集任務(wù)，子模塊同時(shí)可對激勵(lì)模塊進(jìn)行控制與調(diào)試，使得激勵(lì)模塊具備應(yīng)對采集不同結(jié)構(gòu)的健康信息的能力。擴(kuò)頻通信子模塊負(fù)責(zé)對結(jié)構(gòu)健康信息進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和組幀，并在幀的基礎(chǔ)上構(gòu)成擴(kuò)頻通信協(xié)議，保障通信的準(zhǔn)確性和可靠性。壓電陶瓷激勵(lì)電源需要完成已調(diào)信號的幅值和功率的放大，使得強(qiáng)功率信號擁有合適的幅值和足夠的功率驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，以在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出較強(qiáng)的應(yīng)力波，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波通信。其中，擴(kuò)頻通信子模塊為核心子模塊，壓電陶瓷激勵(lì)電源為關(guān)鍵子模塊。

2 擴(kuò)頻通信子模塊設(shè)計(jì)

2.1 m序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

m序列一般采用線性移位寄存器構(gòu)建出m序列發(fā)生器的方法產(chǎn)生。本文采用長度為15的m序列，故需構(gòu)建4級移位寄存器。15位的m序列的本原多項(xiàng)式為

如圖3所示為本設(shè)計(jì)對應(yīng)的4級移位寄存器結(jié)構(gòu)，D1到D4按順序連接，D3與D4之和作為D1的輸入形成反饋環(huán)路。設(shè)D4到D1的初始值為[1 0 1 1]，得到輸出序列 [1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0]，由于一個(gè)本原多項(xiàng)式對應(yīng)的反饋環(huán)路是唯一的，因此該移位寄存器有唯一的m序列輸出。

2.2 BPSK調(diào)制器設(shè)計(jì)

壓電陶瓷在中頻帶具有一定的帶寬，然而已擴(kuò)信號雖然帶寬得到擴(kuò)展，但大量能量集中在低頻段，與壓電陶瓷帶寬不匹配。因此，本設(shè)計(jì)采用調(diào)制的方法將已擴(kuò)信號頻帶搬遷到合適的位置，使得帶寬得以匹配，從穩(wěn)定性的角度，采用BPSK調(diào)制器實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。所設(shè)計(jì)的BPSK調(diào)制器如圖4所示，其核心為DDS發(fā)生器，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)中插入移相器以實(shí)現(xiàn)相位跳變。波形數(shù)據(jù)為一個(gè)周期的余弦波，選取存儲深度為5位，從而實(shí)現(xiàn)16倍過采樣，大大提高輸出波形信噪比。

2.3 Sigma-Delta調(diào)制器設(shè)計(jì)

BPSK調(diào)制器輸出信號為數(shù)字信號，考慮到元器件的匹配度和集成度，采用Sigma-Delta型DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。設(shè)計(jì)采用一階Sigma-Delta型DAC，故需構(gòu)建一階Sigma-Delta調(diào)制器和1位DAC。如圖5所示為一階Sigma-Delta型DAC結(jié)構(gòu)圖，其核心工作過程為求和與求差，最終每一個(gè)輸入數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成脈沖信號，脈沖的占空比與輸入數(shù)字信號的大小成正比，1位DAC的作用為鉗位脈沖信號的幅值。

圖3 4級移位寄存器結(jié)構(gòu)圖

圖4 BPSK調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

圖5 一階Sigma-Delta調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

3 壓電陶瓷激勵(lì)電源設(shè)計(jì)

3.1 低通濾波器設(shè)計(jì)

Sigma-Delta調(diào)制器的輸出信號為頻率改變的脈沖信號，包含大量的高階諧波，故需構(gòu)建低通濾波器濾除高階諧波。本文采用幅頻特性較為平坦的巴特沃斯低通濾波器。為兼顧濾波成本和濾波效果，將巴特沃斯低通濾波器的階數(shù)設(shè)置為4階。因BPSK調(diào)制相位跳變產(chǎn)生的高階諧波，設(shè)置通頻帶帶寬為100kHz。如圖6所示為所設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器的頻率特性曲線，其衰減率為24dB/dec，由于相位跳變帶來的高階諧波在100 kHz時(shí)相位＜-120°，相位裕度達(dá)到50°，因此濾波器工作穩(wěn)定。在13～100kHz的頻段，每1kHz相移為1.38°，具有良好的線性關(guān)系。

圖6 巴特沃斯低通濾波器頻率特性曲線

3.2 高壓功率放大器設(shè)計(jì)

壓電陶瓷激勵(lì)電源為激勵(lì)模塊的關(guān)鍵子模塊，其需要完成已調(diào)信號的幅值和功率的放大，而大尺度的幅值和功率放大極易造成信號失真，同時(shí)給電路帶來散熱、電磁干擾等問題，因此采用APEX公司的PA78EU，其供電電壓達(dá)到±175V，失調(diào)電壓＜8mV。

本設(shè)計(jì)將壓電陶瓷等效為阻容網(wǎng)絡(luò)R和C串聯(lián)。由于功放存在輸出電阻R0與阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成滯后網(wǎng)絡(luò)，該滯后網(wǎng)絡(luò)與反饋回路串聯(lián)產(chǎn)生新的極點(diǎn)引起自激振蕩，為避免該情況，本設(shè)計(jì)在放大器輸出端與容性負(fù)載之間串聯(lián)小補(bǔ)償電阻RISO進(jìn)行相位補(bǔ)償。補(bǔ)償結(jié)果是在放大器開環(huán)幅頻特性曲線上使得極點(diǎn)和零點(diǎn)對應(yīng)頻率降低。

極點(diǎn)：

零點(diǎn)：

如圖7所示，為經(jīng)過相位補(bǔ)償后的開環(huán)幅頻特性曲線，極點(diǎn)使曲線斜率下降20 dB/dec，而零點(diǎn)使其上升20 dB/dec，從而曲線與橫軸提前相交，相位滯后得到補(bǔ)償。

圖7 高壓功率放大器開環(huán)幅頻特性曲線

4 集成模塊通信性能測試

應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊通信測試平臺如圖8所示。激勵(lì)模塊測試平臺采用外徑60mm×2.5mm×300mm鋼管作為應(yīng)力波信道，鋼管外壁中間段相距100mm固化兩個(gè)PZT-5壓電陶瓷分別作為應(yīng)力波激勵(lì)和探測器，鋼管內(nèi)壁固化4個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20，每個(gè)傳感器間隔100mm，以采集到的多點(diǎn)溫度信息作為結(jié)構(gòu)健康信息，以NI數(shù)據(jù)采集卡為核心構(gòu)建計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合解擴(kuò)解調(diào)Matlab腳本作為通信接收機(jī)，以完成通過鋼管的結(jié)構(gòu)健康信息一發(fā)一收應(yīng)力波通信測試。

圖8 激勵(lì)模塊通信測試平臺

圖9 通信接收機(jī)主要信號

以31.25bit/s的波特率進(jìn)行50次一發(fā)一收測試，已調(diào)功率信號的幅值為±150V，頻率為7.5 kHz，每隔1s進(jìn)行一次自動(dòng)測試，共獲得200個(gè)結(jié)構(gòu)溫度信息，通信接收機(jī)接收到的主要信號波形如圖9所示。應(yīng)力波通信測試結(jié)果見表1，可見在載噪比＜2dB的情況下，誤碼率為0，具有較高的可靠性。

5 結(jié)束語

表1 應(yīng)力波通信測試值

本文開發(fā)了一種應(yīng)力波通信激勵(lì)集成模塊，采用3個(gè)子模塊串級結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)健康信息進(jìn)行采集、擴(kuò)頻、調(diào)制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、組幀，并進(jìn)行幅值和功率放大。應(yīng)力波通信測試結(jié)果表明，本模塊能夠在載噪比極低的情況下進(jìn)行十分可靠地通信，能初步滿足惡劣電磁屏蔽環(huán)境下特殊結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測要求。此外，本模塊可嵌入工業(yè)結(jié)構(gòu)，在電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多維度的監(jiān)測、評估和預(yù)警。

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（編輯：李妮）

Development of stimulus module for stress wave communication in structural health monitoring field

MA Yangyang1，XU Weiying1，HONG Xiaofeng2，HONG Xiaobin1
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangdong Gonghua High Technology Testing Co.，Ltd.，Guangzhou 510670，China）

Aiming to resolve the problem of inapplicability of field application of stress wave communication equipment in current use，developed a structural health monitoring oriented stress wave communication stimulus module，proposed a new framework for stimulus module and put forward designs of a submodule for spread spectrum communication and a piezoelectric ceramics stimulus power source.The module could realize structural health information acquisition，spread spectrum and amplification，thus stimulating stress wave carrying structural health information.Results show that the module can transmit structural and temperature data under the circumstances that the carrier-to-noise ratio is smaller than 2dB and no bit error appears，by which the problem of failing to use electromagnetic wave for sensor information communication in special conditions can be solved.

stress wave；spread spectrum communication；stimulus module；structure health monitoring

A

1674-5124（2017）04-0063-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.014

2016-11-18；

2017-01-13

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030313248）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017010160646，201607010171）

馬楊煬（1994-），男，廣東汕頭市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化智能測控技術(shù)。

洪曉斌（1979-），男，廣東揭陽市人，教授，博導(dǎo)，主要從事無損檢測技術(shù)與裝備/網(wǎng)絡(luò)化智能測控技術(shù)及應(yīng)用研究工作。