電壓放大器在應力波通信方法研究中的應用

實驗名稱：固體結(jié)構(gòu)多傳感信息應力波通信應用實驗

研究方向：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學技術(shù)的進步，各種大型復雜工業(yè)結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，由于環(huán)境載荷作用、材料老化、突發(fā)自然災害以及其它人為破壞等影響，會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，從而導致抗力衰減甚至突發(fā)事故，使人民生命財產(chǎn)安全受到威脅，為此建立有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對大型工業(yè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行監(jiān)測評估已成為目前研究熱點。結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一般需要監(jiān)測多個對象，如損傷、振動、應力、位移、傾斜等結(jié)構(gòu)健康參數(shù)，早期結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用總線通信協(xié)議而形成了有線傳感器網(wǎng)絡，然而有線傳輸系統(tǒng)經(jīng)常因承受過大外力而損壞，還需要預先將大量的通信電纜鋪設在結(jié)構(gòu)層中，不僅提高了系統(tǒng)成本而且需要耗費較長的安裝時間。目前由配置微處理器和無線通信模塊的傳感器節(jié)點構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡具有價格低廉、快速搭建、維護簡單、擴展性強等優(yōu)點被廣泛用于大型固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。然而無線傳感器節(jié)點容易由于電源原因?qū)е率?，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失；再者當運用到一些實際結(jié)構(gòu)監(jiān)測特殊環(huán)境中時，如金屬密封容器、水下海上平臺和地下金屬管道等，無線電磁信號容易被屏蔽，同時電磁波信號在水（或土壤）等特殊環(huán)境中傳播會嚴重衰減，導致傳播距離非常短。因此在無線傳感器網(wǎng)絡不能很好地傳遞結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的場合下，研究探索新型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測信息通信方法顯得非常有意義。

近年來，隨著對壓電材料PZT(piezoelectricceramictransducer)研究的不斷深入，由于價格低廉、使用方便、靈敏度高、測量范圍大等特點，基于應力波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感技術(shù)為固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域開辟了一條新的研究途徑。PZT不但兼有發(fā)射與接收信號功能，還可以從信號中捕獲能量，嵌入在大型復雜工業(yè)固體結(jié)構(gòu)，并相互連接成一個傳感器網(wǎng)絡，具備了無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)點，而且利用壓電效應實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)化，不容易損壞，可以實時有效提供關(guān)于被監(jiān)視固體結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要的信息，因此，在大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)中利用PZT產(chǎn)生應力波來實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)通信具有巨大的研究空間。由于大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)監(jiān)測需要部署非常多不同類型傳感器來提供結(jié)構(gòu)完整性信息，傳感器節(jié)點數(shù)量變化和潛在的數(shù)據(jù)連接頻繁需要更復雜的通信體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息獨立通信。為了避免多傳感信號之間的互相干擾，迫切需要研究可以在同一個介質(zhì)中把不同通道信號相區(qū)分的新多傳感器通信體系結(jié)構(gòu)。擴頻理論是一種新型擴頻通信理論，擴頻通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式，它具有較強的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能以及低截獲性和頻譜利用率高等優(yōu)點，目前廣泛應用于大型通信系統(tǒng)通信中導航、保密通信、測距和定位等各個方面。因此，以面向大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡中各傳感器信息獨立通信為目標，應力波作為信息傳輸介質(zhì)，探索基于擴頻理論的大型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息應力波通信機理，拓展了擴頻理論應用新領(lǐng)域，對大型工業(yè)固體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論及其方法發(fā)展，具有重要的學術(shù)價值和實際意義。

實驗目的：驗證基于擴頻理論的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測多傳感應力波通信新方法是否可行，為后續(xù)實驗做論證和鋪墊。

測試設備：功率放大器、信號發(fā)生器、上位機、數(shù)據(jù)采集卡、定滑輪、7股鋼纜線、PVC管、接受端PZT（壓電材料）、發(fā)射端PZT

實驗過程：為了驗證擴頻理論的大型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息應力波通信機理在水環(huán)境特殊結(jié)構(gòu)中應用可行性，建立圖1-1所示水環(huán)境下多傳感信息應力波通信實驗平臺，包括PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股鋼纜線、PVC管(內(nèi)徑10cm)、KEYSIGHT33500B信號發(fā)生器、安泰AT-2042功率放大器、數(shù)據(jù)采集卡和負責對信號進行擴頻調(diào)制和信息恢復處理的上位機等，其中上位機分別與信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡相連。上位機將激勵信號和調(diào)制信號輸送到信號發(fā)生器，并接收數(shù)據(jù)采集卡采集到接收信號。壓電放大器與信號發(fā)生器連接，可對激勵信號放大50倍。所用PZT規(guī)格為5*8mm，PZT即作為執(zhí)行器又作為傳感器，粘貼于鋼纜線結(jié)構(gòu)表面，發(fā)射端與接收端相距80cm。

圖1-1鋼纜線水下環(huán)境應力波通信實驗圖

接收端通過應力波通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收信號，通過labview虛擬儀器，對應力波信號的采集進行通道選擇、采樣頻率、采樣周期等設置，正確設置采集參數(shù)后，接收到幅值為5mv，頻率為50Hz的噪聲信號，。

實驗結(jié)果：隨著五峰值探測信號頻率的增大，信號在固體結(jié)構(gòu)中傳播分成了不同頻率的幾個信號，即頻散現(xiàn)象越嚴重，信號失真度越大，影響到信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，所以低頻段15KHz以下的信號有利于鋼纜線固體結(jié)構(gòu)中應力波的傳播。

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布，如想了解更多實驗方案，請持續(xù)關(guān)注安泰官網(wǎng)www.aigtek.com。Aigtek是國內(nèi)專業(yè)從事測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測試儀器產(chǎn)品的研發(fā)與制造。