通信系統(tǒng)：電壓放大器驅(qū)動應(yīng)力波傳輸?shù)墓こ袒?yàn)證方案

　　實(shí)驗(yàn)名稱：固體結(jié)構(gòu)多傳感信息應(yīng)力波通信應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

　　研究方向：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種大型復(fù)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(zāi)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(dǎo)致抗力衰減甚至突發(fā)事故，使人民生命財(cái)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(jìn)行監(jiān)測評估已成為目前研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)一般需要監(jiān)測多個(gè)對象，如損傷、振動、應(yīng)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(luò)，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(yù)先將大量的通信電纜鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)層中，不僅提高了系統(tǒng)成本而且需要耗費(fèi)較長的安裝時(shí)間。目前由配置微處理器和無線通信模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價(jià)格低廉、快速搭建、維護(hù)簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)容易由于電源原因?qū)е率В斐杀O(jiān)測數(shù)據(jù)丟失；再者當(dāng)運(yùn)用到一些實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測特殊環(huán)境中時(shí)，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(shí)電磁波信號在水（或土壤）等特殊環(huán)境中傳播會嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致傳播距離非常短。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>驗(yàn)證基于擴(kuò)頻理論的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測多傳感應(yīng)力波通信新方法是否可行，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

　　測試設(shè)備：功率放大器、信號發(fā)生器、上位機(jī)、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等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：為了驗(yàn)證擴(kuò)頻理論的大型固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)多傳感信息應(yīng)力波通信機(jī)理在水環(huán)境特殊結(jié)構(gòu)中應(yīng)用可行性，建立圖1-1所示水環(huán)境下多傳感信息應(yīng)力波通信實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)對信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和信息恢復(fù)處理的上位機(jī)等，其中上位機(jī)分別與信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡相連。上位機(jī)將激勵(lì)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(lì)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(yīng)力波通信實(shí)驗(yàn)圖

圖1-2：a) Labview 虛擬儀器接收信號設(shè)置界面；圖1-3：信號采集端接收到的噪聲信號

　　接收端通過應(yīng)力波通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收信號，如圖1-2所示，通過labview虛擬儀器，對應(yīng)力波信號的采集進(jìn)行通道選擇、采樣頻率、采樣周期等設(shè)置，正確設(shè)置采集參數(shù)后，接收到幅值為5mv，頻率為50Hz的噪聲信號，如圖1-3所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖1-4：鋼纜線介質(zhì)不同頻率五峰值信號頻散測試結(jié)果
 

　　圖1-4為鋼纜線介質(zhì)不同頻率五峰值信號頻散測試結(jié)果，由圖可知，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(gè)信號，即頻散現(xiàn)象越嚴(yán)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(yīng)力波的傳播。

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

　　本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布，如想了解更多實(shí)驗(yàn)方案，請持續(xù)關(guān)注安泰電子。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。