CN212031354U - 一种压电阻抗测量数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置涉及压电阻抗实时测量、数据存储与传输装置,目的是为了克服现有压电阻抗测量装置体积大，无法小型化的问题，包括主控电路、数模转换电路、电压跟随电路、电流电压转换电路、真有效值检测电路、鉴相电路和模拟数字采集电路；主控电路与数模转换电路电气连接；数模转换电路同时与鉴相电路和电压跟随电路电气连接；电压跟随电路同时与待测结构体和真有效值检测电路电气连接；待测结构体与电流电压转换电路电气连接；电流电压转换电路同时与鉴相电路和真有效值检测电路电气连接；鉴相电路与模拟数字采集电路电气连接；真有效值检测电路与模拟数字采集电路端电气连接；模拟数字采集电路与主控电路电气连接。

Description

一种压电阻抗测量数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体涉及压电阻抗实时测量、数据存储与传输装置。

背景技术

在诸多结构局部微小损伤识别方法中，基于压电阻抗原理的损伤识别方法对结构局部状态变化十分敏感，不易受外界环境干扰，不依赖模型分析，适宜复杂的工程结构检测，也适用于在线监测，是一种简便可靠的结构损伤识别方法。

在基于压电阻抗原理的损伤识别方法中，结构局部刚度等变化均表示为结构机械阻抗的变化。将压电传感器粘贴于结构上，与结构产生机械耦合，然后通过压电传感器自身的力电耦合效应，将结构机械阻抗转换为压电传感器的电阻抗。电阻抗的变化反映了结构机械阻抗的变化，也就反映了结构的损伤或其他状态变化。压电阻抗法的关键步骤之一是压电传感器阻抗特征曲线的测量。目前，在实验室中进行基于压电阻抗原理的结构损伤识别试验中，一般采用阻抗分析仪测量压电传感器的电阻抗等特征曲线，如常用的安捷伦4294A精密阻抗分析仪(Agilent 4294A)、稳科(Wayne Kerr)的WK6550B精密阻抗分析仪等。虽然上述设备测量频率范围宽、分辨率高、功能丰富。如4294A测量频率从40kHz到110MHz，频率分辨率为1mHz。但上述设备应用于实际工程结构时，存在诸多问题，如4294A驱动电压较低(1V以下)，当压电传感器粘贴于或是嵌入大型结构上进行监测时，若不能被充分激励，所测得电阻抗信号无法准确反映结构的实际损伤情况。同时，上述设备也存在价格昂贵、体积大、重量大等不足之处，在实际测量中并未用到设备全部功能，且测量范围与测量精度远远超出测量需求。因此，上述大型设备很难应用于实际工程结构现场进行大量传感器采集并实时进行结构损伤识别。

基于此，一些研究人员已着手研发了高度集成、体积较小而且易于携带的小型阻抗分析仪，如Naserodin Sepehry等使用AD5933芯片测量100kHz以下的压电阻抗曲线(Naserodin Sepehry,Mahnaz Shamshirsaz and Ali Bastani.Experimental andtheoretical analysis in impedance-based structural health monitoring withvarying temperature,Structural Health Monitoring,2010,10(6):573–585.)，但仅限于原理电路，未形成具有完善功能的装置。实用新型专利“一种用于结构健康监测的压电阻抗测量设备”(授权号：ZL201520331939.6)中使用了任意波形发生器和数字示波器，未进行小型化详细电路和功能设计，且仍然体积大、成本高。

而新型专利“一种在线健康监测的微型压电阻抗装置及方法”(申请号201811420828.7)给出了一种基于AD5933芯片的小型装置，但测量范围较小，且在具体功能上未做详细设计，如数据存储与传输等。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有压电阻抗测量装置体积大，无法小型化的问题，提供了一种压电阻抗测量数据采集装置。

本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置，包括主控电路、数模转换电路、电压跟随电路、电流电压转换电路、真有效值检测电路、鉴相电路和模拟数字采集电路；

主控电路的正弦信号输出端与数模转换电路的数字信号输入端电气连接；

数模转换电路的第一同向正弦扫频信号输出端与鉴相电路的参考信号输入端电气连接，数模转换电路第二同向正弦扫频信号输出端与电压跟随电路的电压缓冲输入端电气连接，通过电压跟随电路进行缓冲；

电压跟随电路的电压缓冲输出端同时与待测结构体的测量信号输入端、和真有效值检测电路的第一检测信号输入端电气连接；

待测结构体的返回信号输出端与电流电压转换电路的电流信号输入端电气连接，通过电流电压转换电路进行电流到电压转换；

电流电压转换电路的电压信号输出端同时与鉴相电路的测量返回信号输入端和真有效值检测电路的第二检测信号输入端电气连接；

鉴相电路的相位差信号输出端与模拟数字采集电路的第一模拟采集信号输入端电气连接；

真有效值检测电路的激励信号真有效值输出端与模拟数字采集电路的第二模拟采集信号输入端电气连接；真有效值检测电路的返回信号真有效值输出端与模拟数字采集电路的第三模拟采集信号输入端电气连接；

模拟数字采集电路的数字采集信号输出端与主控电路的数字采集信号输入端电气连接。

本实用新型的有益效果是：提出一种小型压电阻抗测量装置，具有压电阻抗信号和温度信号实时采集、存储和传输的功能。可用于实验室或现场便携式压电阻抗测量，也可用于实验室或现场长期在线压电阻抗测量。

本装置一次可扫描1000个频点，响应速度快。与压电传感器和温度传感器配合使用，可方便用于现场检测或结构实时在线监测，能提供温度数据和电阻抗数据用于判断结构状态的微小变化，从而实现结构局部微小损伤识别。具有功能完备、结构简单、质量轻、体积小、价格低廉、易操作、稳定性好及使用范围广等特点。

附图说明

图1为本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置的电气结构示意图，图中DUT表示匹配电容、屏蔽电缆与压电传感器组成的待测结构体；

图2为本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置中主控电路的电路图；

图3为本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置中数模转换电路、电压跟随电路、真有效值检测电路和鉴相电路的组合示意图，其中CON1A为与主控电路的连接引脚；

图4为本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置中电流电压转换电路、真有效值检测电路、鉴相电路和模拟数字采集电路的组合示意图，其中CON1B为与主控电路的连接引脚；

图5为本实用新型的一种压电阻抗测量数据采集装置的工作原理图；

图6为本装置测量某结构体得到的电导纳曲线(50kHz～1MHz)，图中上方实线表示电导(G)，下方虚线表示电纳(B)；其中，横坐标表示激励电压信号的频率，纵坐标表示导纳。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的一种压电阻抗测量数据采集装置，包括主控电路1、数模转换电路2、电压跟随电路3、电流电压转换电路4、真有效值检测电路5、鉴相电路6和模拟数字采集电路7；

主控电路1的正弦信号输出端与数模转换电路2的数字信号输入端电气连接；

数模转换电路2的第一同向正弦扫频信号输出端与鉴相电路6的参考信号输入端电气连接，数模转换电路2第二同向正弦扫频信号输出端与电压跟随电路3的电压缓冲输入端电气连接，通过电压跟随电路3进行缓冲；

电压跟随电路3的电压缓冲输出端同时与待测结构体8的测量信号输入端、和真有效值检测电路5的第一检测信号输入端电气连接；

待测结构体8的返回信号输出端与电流电压转换电路4的电流信号输入端电气连接，通过电流电压转换电路4进行电流到电压转换；

电流电压转换电路4的电压信号输出端同时与鉴相电路6的测量返回信号输入端和真有效值检测电路5的第二检测信号输入端电气连接；

鉴相电路6的相位差信号输出端与模拟数字采集电路7的第一模拟采集信号输入端电气连接；

真有效值检测电路5的激励信号真有效值输出端与模拟数字采集电路7的第二模拟采集信号输入端电气连接；真有效值检测电路5的返回信号真有效值输出端与模拟数字采集电路7的第三模拟采集信号输入端电气连接；

模拟数字采集电路7的数字采集信号输出端与主控电路1的数字采集信号输入端电气连接。

具体地，利用本新型测量金属的腐蚀的使用方法，是在金属易损部位贴上压电陶瓷传感器，使用屏蔽电缆将压电陶瓷传感器连接至本新型的压电阻抗测量数据采集装置，进行阻抗数据的采集。本装置可将电导纳(电阻抗的倒数)频谱数据通过网线及交换机传输至远端工控机上显示、存储和分析，如图6所示。

如图1所示，本新型的压电阻抗测量数据采集装置，为小型压电阻抗测量装置，其主要功能电路包括：主控电路1、数模转换电路2、电压跟随电路3、电流电压转换电路4、真有效值检测电路5、鉴相电路6和模拟数字采集电路7。

本装置可以产生50kHz～1MHz，峰值5V的激励电压信号对待测结构体8进行在线的持续的测量。

其中，图1中的待测结构体8是由匹配电容、屏蔽电缆与压电传感器组成的，其中压电传感器是作为阻抗传感器使用的，压电传感器可采用压电陶瓷片，通过逆压电效应后，产生响应电信号。而匹配电容用于确保压电传感器的阻抗值在压电阻抗测量数据采集装置的测量范围内。

本装置的各电路功能说明如下：

主控电路1采用FPGA核心板，可实现对整个***的控制。

数模转换电路2采用14位双通道DA转换芯片，与FPGA核心板联合构建双路同相正弦信号源，产生幅度、频率、扫频范围可调的50kHz～1MHz交流扫描信号。

电压跟随电路3用于缓冲、隔离、提高***带载能力。

电流电压转换电路4将不易直接测量的电流信号转换为易于直接测量的电压信号。

真有效值检测电路5将两路测得的实际真有效值以电压的形式发送至模拟数字采集电路7。

鉴相电路6实现返回电压信号(测量返回信号)与参考电压信号(参考信号)相位差(阻抗角)的测量，并以此计算电阻分量和电抗分量。

模拟数字采集电路7实现三路电压模拟量转换为数字量发送至主控电路1，完成压电阻抗数据的采集。

同时，本装置还可以在此基础上增加无线传输电路10和显示电路11。

无线传输电路用于上位机12与主控电路1之间的数据交互，上位机12将配置数据通过天线传输到主控电路1，指定主控电路1发出的激励信号参数(也可以不指定，采用固定参数)，而主控电路1将阻抗数据通过无线传输电路传输至上位机中进行实时显示与存储。

显示电路11，即液晶屏等显示装置，与主控电路1的显示数据输出端连接，可将阻抗数据实时显示。

具备有线和无线网络连接功能，测量数据可通过网络协议发送给上位机，便于对数据进行显示和分析。通过设定测量间隔时间，可周期性发送结果。测量电阻抗信号的同时，还可以测量压电传感器位置的温度值，用于后期温度影响分析和温度影响剔除。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中还包括温度传感器9；

温度传感器9的温度信号输出端与主控电路1的温度信号输入端电气连接。

具体地，结构机械阻抗和压电传感器的电阻抗均对温度敏感，具体测量信号易受温度影响，实际应用时需要将温度因素剔除，而现有的压电阻抗测量装置均没有温度测量功能。因此，增加了温度传感器9，用于检测当前环境温度，并利用该温度进行校准。

温度传感器9可为特定类型的温度传感器，如，在采集电阻抗数据同时采集压电传感器处的温度，可用于后续分析，消除温度对电阻抗测量结果的影响。

通过对被测物温度进行测量，从而加入温度补偿，消除温度变化造成的测量误差。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中，主控电路1为EP4CE15F17C8N处理器。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中，数模转换电路2为AD9767数模转换器。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中，真有效值检测电路5为AD637均方根直流转换器。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中，鉴相电路6为AD8302幅度相位检测器。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，本实施例中，模拟数字采集电路7为AD7606同步采样器。

具体地，如图1所示，本新型硬件包括供电电源(12/24V)，主控电路、数模转换电路、电压跟随电路、匹配电容、屏蔽电缆、压电传感器、电流电压转换电路、真有效值检测电路、鉴相电路、AD采集电路、无线传输电路、温度采集电路与电源转换电路。

上述的各电路协同工作流程如图5所示。

如图2～图4所示，主控电路1采用FPGA核心板，是以EP4CE15F17C8N为核心芯片的开发板。实现对整个***的控制，包括实现正弦信号发生器，对数模转换电路2的激发；对模拟数字采集电路7的控制、数据接收与数据处理；对温度测量电路(温度串改)的激发、数据传输，实现温度的测量；对无线串口电路(无线传输电路)的控制，实现对数据的远距离传输。

如图3所示，数模转换电路2采用ADI公司的AD9767，产生双路同相正弦扫频信号，一路经过电压跟随电路3缓冲后分别发送到待测结构体8与真有效值检测电路5测量激励信号的实际真有效值，另一路当做参考信号送入鉴相电路6；而从待测结构体8返回的信号经过电流电压转换电路4电路之后也分成双路，一路送入鉴相电路6与参考信号比较得出相位差(阻抗角)，另一路送入真有效值检测电路5检出返回信号的实际真有效值。

如图4所示，鉴相电路6采用ADI公司的AD8302，将测得的相位差转换成电压值发送到模拟数字采集电路7；

如图4所示，真有效值检测电路5采用ADI公司的AD637，将两路测得的实际真有效值以电压的形式发送至模拟数字采集电路7；

如图4所示，模拟数字采集电路7采用ADI公司的AD7606，实现三路电压模拟量转换为数字量发送至主控电路1FPGA核心板。

Claims (7)

1.一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，包括主控电路(1)、数模转换电路(2)、电压跟随电路(3)、电流电压转换电路(4)、真有效值检测电路(5)、鉴相电路(6)和模拟数字采集电路(7)；

所述主控电路(1)的正弦信号输出端与数模转换电路(2)的数字信号输入端电气连接；

所述数模转换电路(2)的第一同向正弦扫频信号输出端与鉴相电路(6)的参考信号输入端电气连接，所述数模转换电路(2)第二同向正弦扫频信号输出端与电压跟随电路(3)的电压缓冲输入端电气连接，通过电压跟随电路(3)进行缓冲；

电压跟随电路(3)的电压缓冲输出端同时与待测结构体(8)的测量信号输入端、和真有效值检测电路(5)的第一检测信号输入端电气连接；

所述待测结构体(8)的返回信号输出端与所述电流电压转换电路(4)的电流信号输入端电气连接，通过所述电流电压转换电路(4)进行电流到电压转换；

所述电流电压转换电路(4)的电压信号输出端同时与所述鉴相电路(6)的测量返回信号输入端和真有效值检测电路(5)的第二检测信号输入端电气连接；

所述鉴相电路(6)的相位差信号输出端与模拟数字采集电路(7)的第一模拟采集信号输入端电气连接；

所述真有效值检测电路(5)的激励信号真有效值输出端与模拟数字采集电路(7)的第二模拟采集信号输入端电气连接；所述真有效值检测电路(5)的返回信号真有效值输出端与模拟数字采集电路(7)的第三模拟采集信号输入端电气连接；

所述模拟数字采集电路(7)的数字采集信号输出端与主控电路(1)的数字采集信号输入端电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，还包括温度传感器(9)；

所述温度传感器(9)的温度信号输出端与主控电路(1)的温度信号输入端电气连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，所述主控电路(1)为EP4CE15F17C8N处理器。

4.根据权利要求1或2所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，所述数模转换电路(2)为AD9767数模转换器。

5.根据权利要求1或2所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，真有效值检测电路(5)为AD637均方根直流转换器。

6.根据权利要求1或2所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，鉴相电路(6)为AD8302幅度相位检测器。

7.根据权利要求1或2所述的一种压电阻抗测量数据采集装置，其特征在于，模拟数字采集电路(7)为AD7606同步采样器。

Images