馬楊煬，許維鎣，洪曉豐，洪曉斌

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，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）

面向結構健康監(jiān)測的應力波通信激勵模塊設計

馬楊煬1，許維鎣1，洪曉豐2，洪曉斌1

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，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）

針對現有應力波通信設備不適宜現場應用的難題，該文開發(fā)面向結構健康監(jiān)測的應力波通信激勵模塊。提出激勵模塊新架構，重點設計擴頻通信子模塊和壓電陶瓷激勵電源。該模塊可完成結構健康信息的采集、擴頻和放大，最終激勵承載結構健康信息的應力波。測試結果表明：該模塊能夠在載噪比低于2dB的情況下進行結構溫度信息的傳輸，并且無誤碼，可解決特殊環(huán)境下難以采用電磁波進行傳感信息通信難題。

應力波；擴頻通信；激勵模塊；結構健康監(jiān)測

0 引 言

面向工業(yè)結構的健康狀態(tài)監(jiān)測及其評估，已成為當今公共安全和生產安全的研究熱點[1-2]。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)早期主要采用以電纜為載體的有線傳感器網絡，后以電磁波為載體的無線傳感器網絡因具有搭建快速、擴展性強等優(yōu)點被廣泛應用[3-5]。然而部分特殊結構，如地下管道結構、鉆井機構等，工作于惡劣的電磁屏蔽環(huán)境[6]，本身也不允許鋪設電纜，常規(guī)傳感方式難以有效工作。

針對電磁屏蔽環(huán)境下特殊結構的健康信息傳輸，以應力波為載體的應力波通信技術受到廣泛關注。例如，Jin等[7]提出了面向管道結構的基于時間反演PPM調制數據通信方案，Kailaswar等[8]結合軟件無線電技術在混凝土結構中進行健康狀態(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頻理論的應力波通信方法，有效降低了誤碼率[10]。然而，應力波通信激勵設備體積過于龐大，難以在實際場景中應用，有微型化的必要。本文結合應力波擴頻通信理論，設計應力波通信激勵集成模塊完成結構健康信息采集和傳輸，并嵌入工業(yè)結構，在電磁屏蔽環(huán)境下進行實時、動態(tài)、多維度的監(jiān)測、評估和預警。

1 應力波通信激勵集成模塊總體設計

1.1 應力波擴頻通信原理

常規(guī)應力波通信方式因存在噪聲嚴重、信道衰落等問題，通信可靠性差。應力波擴頻通信采用偽隨機序列為結構健康信息進行擴頻處理，使得信息頻譜得到展寬，與此同時，信息能量在頻域中擴展，有效克服了信道衰落的影響，使得通信可靠性大幅度提升。

應力波擴頻通信原理，如圖1所示。信號A為擴頻處理前的結構健康信息，為典型的窄帶信號。信號B為擴頻序列，由同一擴頻碼片在時域上重復而成，每一個擴頻碼片對應結構健康信息的一個碼元，擴頻序列的頻率遠高于結構健康信息，為典型的寬帶信號。信號C為已擴信號，即擴頻處理后的結構健康信息，擴頻處理主要為結構健康信息與擴頻序列在同一時刻邏輯異或，可見經過擴頻處理，結構健康信息包含在已擴信號中，同時已擴信號的頻譜相對未處理前得到擴展。

應力波擴頻通信中，擴頻處理是通信可靠性的關鍵步驟，擴頻序列在擴頻處理中占據核心地位。擴頻序列一方面展寬結構健康信息的頻譜，決定應力波擴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序列作為擴頻序列，可以滿足通信抗干擾要求，同時簡化模塊設計。

圖1 應力波擴頻通信擴頻處理示意圖

1.2 應力波通信激勵集成模塊架構

應力波通信激勵集成模塊，需要完成信息采集、信息擴頻和應力波激勵3大功能，采用自定向下的設計模式，分為傳感與控制子模塊、擴頻通信子模塊和壓電陶瓷激勵電源3個子模塊，如圖2所示。

圖2 激勵模塊的子模塊劃分圖

結構健康信息從傳感與控制子模塊開始，經擴頻通信子模塊處理，形成頻譜擴展的已調信號，再通過壓電陶瓷激勵電源，形成具備足夠能量驅動壓電陶瓷的攜帶結構健康信息的強功率信號。壓電傳感與控制子模塊主要承擔結構健康信息采集任務，子模塊同時可對激勵模塊進行控制與調試，使得激勵模塊具備應對采集不同結構的健康信息的能力。擴頻通信子模塊負責對結構健康信息進行擴頻、調制、數/模轉換和組幀，并在幀的基礎上構成擴頻通信協(xié)議，保障通信的準確性和可靠性。壓電陶瓷激勵電源需要完成已調信號的幅值和功率的放大，使得強功率信號擁有合適的幅值和足夠的功率驅動壓電陶瓷，以在結構中激勵出較強的應力波，實現應力波通信。其中，擴頻通信子模塊為核心子模塊，壓電陶瓷激勵電源為關鍵子模塊。

2 擴頻通信子模塊設計

2.1 m序列發(fā)生器設計

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

如圖3所示為本設計對應的4級移位寄存器結構，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]，由于一個本原多項式對應的反饋環(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調制器設計

壓電陶瓷在中頻帶具有一定的帶寬，然而已擴信號雖然帶寬得到擴展，但大量能量集中在低頻段，與壓電陶瓷帶寬不匹配。因此，本設計采用調制的方法將已擴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調制器實現調制功能。所設計的BPSK調制器如圖4所示，其核心為DDS發(fā)生器，與此同時，設計中插入移相器以實現相位跳變。波形數據為一個周期的余弦波，選取存儲深度為5位，從而實現16倍過采樣，大大提高輸出波形信噪比。

2.3 Sigma-Delta調制器設計

BPSK調制器輸出信號為數字信號，考慮到元器件的匹配度和集成度，采用Sigma-Delta型DAC將數字信號轉換成模擬信號。設計采用一階Sigma-Delta型DAC，故需構建一階Sigma-Delta調制器和1位DAC。如圖5所示為一階Sigma-Delta型DAC結構圖，其核心工作過程為求和與求差，最終每一個輸入數據都轉換成脈沖信號，脈沖的占空比與輸入數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級移位寄存器結構圖

圖4 BPSK調制器結構圖

圖5 一階Sigma-Delta調制器結構圖

3 壓電陶瓷激勵電源設計

3.1 低通濾波器設計

Sigma-Delta調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設置為4階。因BPSK調制相位跳變產生的高階諧波，設置通頻帶帶寬為100kHz。如圖6所示為所設計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時相位＜-120°，相位裕度達到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 高壓功率放大器設計

壓電陶瓷激勵電源為激勵模塊的關鍵子模塊，其需要完成已調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，其供電電壓達到±175V，失調電壓＜8mV。

本設計將壓電陶瓷等效為阻容網絡R和C串聯(lián)。由于功放存在輸出電阻R0與阻容網絡構成滯后網絡，該滯后網絡與反饋回路串聯(lián)產生新的極點引起自激振蕩，為避免該情況，本設計在放大器輸出端與容性負載之間串聯(lián)小補償電阻RISO進行相位補償。補償結果是在放大器開環(huán)幅頻特性曲線上使得極點和零點對應頻率降低。

極點：

零點：

如圖7所示，為經過相位補償后的開環(huán)幅頻特性曲線，極點使曲線斜率下降20 dB/dec，而零點使其上升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

應力波通信激勵集成模塊通信測試平臺如圖8所示。激勵模塊測試平臺采用外徑60mm×2.5mm×300mm鋼管作為應力波信道，鋼管外壁中間段相距100mm固化兩個PZT-5壓電陶瓷分別作為應力波激勵和探測器，鋼管內壁固化4個數字溫度傳感器DS18B20，每個傳感器間隔100mm，以采集到的多點溫度信息作為結構健康信息，以NI數據采集卡為核心構建計算機數據采集系統(tǒng)，配合解擴解調Matlab腳本作為通信接收機，以完成通過鋼管的結構健康信息一發(fā)一收應力波通信測試。

圖8 激勵模塊通信測試平臺

圖9 通信接收機主要信號

以31.25bit/s的波特率進行50次一發(fā)一收測試，已調功率信號的幅值為±150V，頻率為7.5 kHz，每隔1s進行一次自動測試，共獲得200個結構溫度信息，通信接收機接收到的主要信號波形如圖9所示。應力波通信測試結果見表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 結束語

表1 應力波通信測試值

本文開發(fā)了一種應力波通信激勵集成模塊，采用3個子模塊串級結構，能夠對結構健康信息進行采集、擴頻、調制、數/模轉換、組幀，并進行幅值和功率放大。應力波通信測試結果表明，本模塊能夠在載噪比極低的情況下進行十分可靠地通信，能初步滿足惡劣電磁屏蔽環(huán)境下特殊結構的健康監(jiān)測要求。此外，本模塊可嵌入工業(yè)結構，在電磁屏蔽環(huán)境下進行實時、動態(tài)、多維度的監(jiān)測、評估和預警。

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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

廣東省自然科學基金項目（2014A030313248）；廣州市科技計劃項目（2017010160646，201607010171）

馬楊煬（1994-），男，廣東汕頭市人，碩士研究生，專業(yè)方向為網絡化智能測控技術。

洪曉斌（1979-），男，廣東揭陽市人，教授，博導，主要從事無損檢測技術與裝備/網絡化智能測控技術及應用研究工作。