电压放大器在应力波通信方法研究中的应用

实验名称：固体结构多传感信息应力波通信应用实验

研究方向：随着经济的快速发展和科学技术的进步，各种大型复杂工业结构不断出现，由于环境载荷作用、材料老化、突发自然灾害以及其它人为破坏等影响，会在一定程度上影响结构的安全性、适用性和耐久性，从而导致抗力衰减甚至突发事故，使人民生命财产安全受到威胁，为此建立有效的结构健康监测系统，对大型工业结构状态进行监测评估已成为目前研究热点。结构监测系统一般需要监测多个对象，如损伤、振动、应力、位移、倾斜等结构健康参数，早期结构监测系统主要采用总线通信协议而形成了有线传感器网络，然而有线传输系统经常因承受过大外力而损坏，还需要预先将大量的通信电缆铺设在结构层中，不仅提高了系统成本而且需要耗费较长的安装时间。目前由配置微处理器和无线通信模块的传感器节点构建的无线传感器网络具有价格低廉、快速搭建、维护简单、扩展性强等优点被广泛用于大型固体结构健康监测中。然而无线传感器节点容易由于电源原因导致失效，造成监测数据丢失；再者当运用到一些实际结构监测特殊环境中时，如金属密封容器、水下海上平台和地下金属管道等，无线电磁信号容易被屏蔽，同时电磁波信号在水（或土壤）等特殊环境中传播会严重衰减，导致传播距离非常短。因此在无线传感器网络不能很好地传递结构状态信息的场合下，研究探索新型固体结构状态监测信息通信方法显得非常有意义。

近年来，随着对压电材料PZT(piezoelectricceramictransducer)研究的不断深入，由于价格低廉、使用方便、灵敏度高、测量范围大等特点，基于应力波结构健康监测传感技术为固体结构状态监测领域开辟了一条新的研究途径。PZT不但兼有发射与接收信号功能，还可以从信号中捕获能量，嵌入在大型复杂工业固体结构，并相互连接成一个传感器网络，具备了无线传感器网络优点，而且利用压电效应实现声电转化，不容易损坏，可以实时有效提供关于被监视固体结构完整性至关重要的信息，因此，在大型工业固体结构中利用PZT产生应力波来实现传感数据通信具有巨大的研究空间。由于大型工业固体结构监测需要部署非常多不同类型传感器来提供结构完整性信息，传感器节点数量变化和潜在的数据连接频繁需要更复杂的通信体系结构来实现固体结构状态多传感信息独立通信。为了避免多传感信号之间的互相干扰，迫切需要研究可以在同一个介质中把不同通道信号相区分的新多传感器通信体系结构。扩频理论是一种新型扩频通信理论，扩频通信与光纤通信、卫星通信一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式，它具有较强的抗干扰、抗衰落、抗多径性能以及低截获性和频谱利用率高等优点，目前广泛应用于大型通信系统通信中导航、保密通信、测距和定位等各个方面。因此，以面向大型工业固体结构健康监测传感器网络中各传感器信息独立通信为目标，应力波作为信息传输介质，探索基于扩频理论的大型固体结构状态多传感信息应力波通信机理，拓展了扩频理论应用新领域，对大型工业固体结构健康监测理论及其方法发展，具有重要的学术价值和实际意义。

实验目的：验证基于扩频理论的结构状态监测多传感应力波通信新方法是否可行，为后续实验做论证和铺垫。

测试设备：功率放大器、信号发生器、上位机、数据采集卡、定滑轮、7股钢缆线、PVC管、接受端PZT（压电材料）、发射端PZT

实验过程：为了验证扩频理论的大型固体结构状态多传感信息应力波通信机理在水环境特殊结构中应用可行性，建立图1-1所示水环境下多传感信息应力波通信实验平台，包括PZT(piezoelectricceramictransducer)、7股钢缆线、PVC管(内径10cm)、KEYSIGHT33500B信号发生器、安泰AT-2042功率放大器、数据采集卡和负责对信号进行扩频调制和信息恢复处理的上位机等，其中上位机分别与信号发生器、数据采集卡相连。上位机将激励信号和调制信号输送到信号发生器，并接收数据采集卡采集到接收信号。压电放大器与信号发生器连接，可对激励信号放大50倍。所用PZT规格为5*8mm，PZT即作为执行器又作为传感器，粘贴于钢缆线结构表面，发射端与接收端相距80cm。

图1-1钢缆线水下环境应力波通信实验图

接收端通过应力波通信数据采集系统接收信号，通过labview虚拟仪器，对应力波信号的采集进行通道选择、采样频率、采样周期等设置，正确设置采集参数后，接收到幅值为5mv，频率为50Hz的噪声信号，。

实验结果：随着五峰值探测信号频率的增大，信号在固体结构中传播分成了不同频率的几个信号，即频散现象越严重，信号失真度越大，影响到信号传输的质量，所以低频段15KHz以下的信号有利于钢缆线固体结构中应力波的传播。

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