一种主被动信号切换装置及结构健康监测系统

1.本发明涉及结构监测技术领域，特别涉及一种主被动信号切换装置及结构健康监测系统。


背景技术：

2.复合材料具有比强度高、比模量大，结构可设计等优点，在结构轻量化制造、结构运行维护经济性、结构设计先进性等方面具有明显优势，被广泛用于航空航天领域。但复合材料在生产、运输、加工过程中不可避免地存在一些微型缺陷，在使用过程中由于载荷、环境因素或撞击事件的作用可能出现新的损伤。这些缺陷和损伤(如脱层、脱胶、界面裂纹、低速撞击等)往往比较隐蔽，如果未被及时发现，这些微小的缺陷和损伤将会在载荷和环境的作用下迅速扩展导致结构突然失效，严重威胁航空航天装备的在役安全。因此有必要研究飞行器复合材料结构全局损伤监测技术。
3.超声导波在板壳类结构中具有传播距离远、能量集中、便于激励/接收等优点。超声导波对复合材料脱粘、分层、裂纹等损伤敏感，因此超声导波损伤监测技术是目前大面积范围内复合材料结构损伤监测最有效的技术手段。基于超声导波的结构健康监测技术分为主动式和被动式两种。主动式结构健康监测采用激励传感器将能量导入监测结构，与此同时接收传感器在结构上的其他位置接收响应信号，对信号进行分析来监测结构的健康状况。被动式结构健康监测技术是利用传感器采集结构在外部作用(如撞击)下发生的响应(如应变和应力波)，采取特定的算法估计外部载荷及其发生位置。被动结构健康监测方法只需要信号接收装置，无需激励装置，一般不能离线使用。
4.此外，在现有技术中，主动式损伤诊断与被动式撞击监测是相互独立分开的。如申请号为201010214117.1的中国专利低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统及实现方法，其公开了将主动和被动结构健康监测技术需要的通道切换功能集成在了一起，目标是用于独立的主动式或被动式结构健康监测系统，即要么用于主动式监测系统要么用于被动式监测系统，而非面向主被动协同监测系统。
5.而将主动式损伤监测和被动式撞击监测相结合，构建主被动有机融合、协同联动的主被动一体化结构损伤监测方法是结构健康监测未来的研究重点，所以急需一种适合主被动一体化结构损伤监测的信号切换装置。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种主被动信号切换装置，应用于结构健康监测系统，结构健康监测系统还包括主机单元、主被动信号切换装置、主被动传感网络，主被动信号切换装置包括：主被动切换模块和微cpu控制器，主被动切换模块与主被动传感网络连接，用于传输主被动传感网络产生的传感信号，主被动切换模块与主机单元连接，用于反馈传感信号；微cpu控制器分别与主机单元以及主被动切换模块连接，用于与主机单元进行信息交互并控制主被动切换模块实现主被动传感网络监测状态与信号传
输通道的转换。
7.在一实施例中，主被动切换模块包括相互通信连接的主被动切换器和矩阵式衰减器，主被动切换器分别与矩阵式衰减器、主机单元连接；
8.主被动切换器接收并主被动传感网络传送的传感信号，并将传感信号通过矩阵衰减器传输至主机单元，传感信号触发所述主机单元向主被动传感网络发送激励信号，同时主机单元依据传感信号决策信号传输通道的切换，激励信号依次通过矩阵式衰减器以及主被动切换器反馈至主被动传感网络。
9.在一实施例中，主被动切换器和矩阵式衰减器同时与微cpu控制器连接，微cpu控制器与主机单元连接进行信息交互并生成第一指令和第二指令，第一指令控制主被动切换器实现主被动传感网络由被动监测状态向主动检测状态转换,第二指令控制矩阵式衰减器切换传感信号和激励信号的传输通道。
10.在一实施例中，主被动信号切换装置还包括多路复用器，多路复用器一端与微cpu控制器连接，另一端与主被动切换模块连接，微cpu控制器控制多路复用器选择接收所需的传感信号。
11.在一实施例中，主被动信号切换装置还包括电荷放大及信号调理器，电荷放大及信号调理器对输入至主被动信号切换装置的信号进行放大和滤波。
12.在一实施例中，主被动信号切换装置还包括电源稳压模块，电源稳压模块与微cpu处理器连接，用于对输入主被动信号切换装置的直流电源进行稳压滤波。
13.在一实施例中，主被动切换模块还包括移位缓存器，移位缓存器的输入端与微cpu控制器的输出端相连接，移位缓存器的输出端与主被动切换器的输入端相连接，微cpu控制器通过控制移位缓存器控制主被动传感网络转换。
14.在一实施例中，主被动切换模块还包括地址译码器，地址译码器的输入端与微cpu控制器的输出端相连接，地址译码器的输出端与矩阵式衰减器的输入端相连接，微cpu控制器通过控制地址译码器控制矩阵式衰减器切换信号传输通道。
15.本发明还提供一种结构健康监测系统，其包括主被动传感网络、主动检测单元、被动监测单元、主机单元以及使用如上述任一实施例的主被动信号切换装置。
16.在一实施例中，主被动传感网络包括压电陶瓷(pzt)传感器。
17.基于上述，与现有技术相比，本发明一种主被动信号切换装置将主动检测和被动监测融合在一个装置中控制，其提供的主被动切换模块可以实现传感信号传输通道的切换，实现主被动一体化监测。
18.本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示
中组件绘示的方向为基准。
20.图1为本发明提供的主被动信号切换装置的结构示意图；
21.图2为本发明提供的主被动信号切换装置一实施例的结构示意图；
22.图3位本发明提供的主被动信号切换装置另一实施例的结构示意图；
23.图4为本发明提供的应用主被动信号切换装置的结构健康监测系统结构示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
26.一种主被动信号切换装置，如图1和图2所示，应用于结构健康监测系统，结构健康监测系统还包括主机单元、主被动传感网络,主被动信号切换装置包括：主被动切换模块和微cpu控制器，主被动切换模块与主被动传感网络连接，以用于接收主被动传感网络产生的传感信号，主被动切换模块与主机单元连接，传感信号传输至主机单元，触发主机单元向主被动传感网络发送激励信号，同时主机单元依据传感信号决策信号传输通道的切换。
27.需要说明的是，在主机单元中激励信号本身是固定的，被动模式下主机单元根据传感信号分析后确定大概的损伤区域，再切换主动模式，决策将激励信号输入到哪个主被动传感网络以精确定位。
28.微cpu控制器分别与主机单元、主被动切换模块连接，通过与主机单元进行信息交互并控制主被动切换模块实现主被动传感网络监测状态与传感信号传输通道的转换。
29.结构健康监测系统对复合材料可以进行被动监测，也可以进行主动检测，默认状态下是被动监测状态。
30.如图3所示主被动传感网络包括被动监测网络和主动扫查网络，主被动传感网络复合材料进行监测生成传感信号，传感信号包括被动监测网络被动监测得到的第一传感信号和主动扫查网络主动检测的第二传感信号，通过主被动切换装置的主被动切换模块传输到主机单元。
31.主机单元接收到第一传感信号后，发出需要主被动传感网络进行主动检测的激励信号，微cpu控制器通过串口与结构健康监测系统进行信息交互生成相应的指令传输到主被动切换模块，主被动切换模块接收到微cpu控制器的指令控制主被动传输通道进行切换，传感信号传输通道转变为激励信号传输通道，同时主被动传感网络实现被动监测状态向主动检测状态的转换，也即被动监测网络停止被动监测，主被动切换模块与主动扫查网络，激
励信号通过主被动切换模块传输至主动扫查网络，主动扫查网络主动检查复合材料。
32.主被扫查网络主动检测复合材料之后生成第二传感信号，第二传感信号通过主被动切换模块传输到主机单元。
33.主被动切换模块包括主被动切换器和矩阵式衰减器，主被动切换器与主被动传感网络连接，矩阵式衰减器与主机单元连接，主被动切换器和矩阵式衰减器之间通信连接；
34.主被动切换器接收并主被动传感网络传送的传感信号，并将传感信号通过矩阵衰减器传输至主机单元，传感信号触发所述主机单元向主被动传感网络发送激励信号，同时主机单元依据传感信号决策信号传输通道的切换，激励信号依次通过矩阵式衰减器以及主被动切换器反馈至主被动传感网络。
35.主被动切换器和矩阵式衰减器同时与微cpu控制器连接，微cpu控制器与主机单元连接进行信息交互并生成第一指令和第二指令，第一指令控制主被动切换器实现主被动传感网络由被动监测状态向主动检测状态转换,第二指令控制矩阵式衰减器切换传感信号和激励信号的传输通道。
36.具体实施时，主被动切换器是由若干个高速簧片继电器组成的开关电路，其公共端与矩阵式衰减器相连接，常闭触点连接至被动监测网络，常开触点连接至主动式扫查传感网络。
37.当结构受到撞击时，结构健康系统默认状态下为被动监测模式，这时常闭触点连接至被动监测网络，被动监测网络根据撞击信息生成第一传感信号，第一传感信号通过主被动切换器和矩阵式衰减器传输至主机单元，主机单元接收到第一传感信号生成激励信号，此时结构监控监控系统由被动监测模式转变为主动检测模式，激励信号传输至主被动信号切换装置，同时主机单元与微cpu控制器进行交互生成第一指令控制主被动传感网络的触点转换为常开触点，激励信号被传输到主动扫查网络，主动扫查网络接收到激励信号之后对结构进行主动扫查得到第二传感信号，此时主被动切换器的触点保持不变，第二传感信号通过主被动切换器常开触点形成的信号传输通道传输至主机单元进行分析处理。
38.主被动信号切换装置还包括移位缓存器，移位缓存器一端与微cpu控制器连接，另一端与主被动切换器连接，微cpu控制器输出第一指令通过控制移位缓存器输出并行激励信号控制主被动切换器常闭触点和常开触点的转换，从而控制被动监测网络和主动扫查网络的转化，不需要复杂的主被动一体转换设备，只需通过主被动切换器实现结构健康监测系统被动监测模式向主动检测模式的转换，使得主被动转换快速、便捷，提高了主被动一体化监测的效率。
39.矩阵式衰减器是由若干个高速簧片继电器组成的开关电路，控制激励通道与接收通道的选通。其公共端与主被动切换器继电器的公共端相连接，常闭触点连接至传感信号接收通道，包括被动监测产生的第一传感信号和主动扫查产生的第二传感信号，且默认状态下连接至常闭触点接收传感信号，被动监测模式下只需接收传感器信号，无需向传感器发送激励信号，只有在主动检测模式下需要通过矩阵式衰减器实现激励、接收信号通道的切换，当主机单元接收到第一传感信号，结构健康监测系统转换为主动检测模式，这时主机单元反馈激励信号，同时主机单元与微cpu控制器进行信息交互生成第二指令控制矩阵衰减器的常开触点启用连接至主机单元，此时矩阵衰减器开始传输激励信号。
40.主被动信号切换装置还包括地址译码器，地址译码器一端与微cpu控制器连接，地
址译码器另一端与矩阵式衰减器连接，微cpu控制器生成第二指令通过控制地址译码器控制矩阵式衰减器切换信号传输通道。
41.因为主机单元所反馈的激励信号并不需要占用所有主被动切换器与矩阵式衰减器形成的信号传输通道，其只需要与激励信号对应数量的传感信号通道转换为激励信号传输通道，所以在微cpu控制器与主机单元信息交互之后，会控制地址译码器将所需传输激励信号的通道由传感信号传输通道转换为激励信号传输通道，而其余通道仍旧为传感信号传输通道，这样方便在后续主动检查模式下，主动扫查网络生成的第二传感信号不用等待激励信号传输接收就可以同时传输至主机单元，使得对结构健康的检测和分析能够同时进行，加快了健康监测效率。
42.具体实施时，主被动切换器控制主被动传感网络的切换与矩阵式衰减器控制传感信号和激励信号的传输通道的切换配合结构健康监测系统的监测状态进行的。
43.系统初始状态处于被动监测状态，结构受到撞击时，被动监测网络生成第一传感信号，被动监测网络连接至主被动切换器的常闭触点启用，主被动切换器的常开触点关闭，矩阵式衰减器的常闭触点启用，此时常闭触点启用的主被动切换器与常闭触点启用的矩阵式衰减器形成第一传感信号的传输通道，第一传感信号传输至主机单元。
44.主机单元接收到第一传感信号反馈激励信号，同时系统由被动监测模式转换为主动检测模式，微cpu控制器与主机单元信息交互控制矩阵式衰减器的部分常开触点启用，同时控制主被动切换器的常开触点全部启用，常闭触点全部关闭，激励信号通过矩阵式衰减器常开触点通道与主被动切换器常开触点通道形成的信号传输通道传输至主动扫查网络。
45.主动扫查网络接收到激励信号对结构进行主动检测生成第二传感信号，第二传感信号通过主被动切换器的常开触点与矩阵式衰减器的常闭触点形成的信号传输通道传输至主机单元，主机单元对第二传感信号进行分析处理得到结构健康监测结果。
46.较佳地，当外部撞击再次发生时，系统设定有相应的程序在当前主动检测完成后，通过主机单元对微cpu控制器进而控制主被动切换模块进入被动监测模式。
47.优选地，主被动信号切换装置还包括多路复用器，多路复用器一端与微cpu控制器连接，另一端与主被动切换模块连接，微cpu控制器控制多路复用器选择接收所需的传感信号。
48.具体地，多路复用器一端与微cpu控制器连接，另一端与矩阵式衰减器连接，多路复用器接收来自矩阵式衰减器所传输的传感信号，微cpu控制器控制多路复用器选择接收所需的传感信号，被动监测状态和主动检测状态所得到的传感信号通过主被动切换器及矩阵式衰减器进入多路复用器，其中，矩阵衰减器的常闭触点连接至多路复用器的输入端。多路复用器对传感信号的选择传输保证了传感器多路输出时，主机单元接收传感信号的有序性，使得结构健康监测系统更稳定。
49.优选地，主被动信号切换装置还包括电荷放大及信号调理器，电荷放大及信号调理器对输入至信号切换装置的信号进行放大和滤波。
50.主被动传感网络产生的传感信号的信号强度较为微弱，需进入电荷放大及信号调理器后将传感信号经过放大和滤波后传输至主机单元进行分析处理。具体地，电荷放大及信号调理器分别与多路复用器和主机单元连接，电荷放大及信号调理器将多路复用器选择的传感信号进行放大和滤波后传输到主机单元进行分析处理。
51.需要说明的是，当主动式扫查网络或被动式检测网络的传感器全部同步输出，这时系统需要64个电荷放大器对传感信号进行处理，这样大大增加了主被动信号切换装置的体积，同时造成主被动信号切换装置及结构健康监测系统的稳定性大大降低。而多路复用器在传感信号进入电荷放大器前事先进行选择，保证了传感信号经由电荷放大器处理的过程有序进行，减小了主被动信号切换装置的体积，同时保证了结构健康监测系统的稳定性。
52.优选地，主被动信号切换装置还包括电源稳压模块，电源稳压模块与微cpu处理器连接，用于对输入信号切换装置的直流电源进行稳压滤波。
53.电源稳压模块对输入的直流电源进行稳压滤波，作为微cpu控制器、电荷放大及信号调理器、译码器芯片、多路复用器芯片、移位缓存器芯片以及主被动去切换器和矩阵式衰减器继电器线圈的驱动电压，保证芯片工作在稳定模式，避免因供电不稳而产生的信号波动。
54.此外，电源稳压模块还可以提供电源供主被动信号切换装置使用，这使得主被动信号切换装置不仅可以作为主被动一体化结构健康系统的集成单元用于实现主/被动工作模式的切换控制及通道信号的激励与采集，也可以作为一种独立的外设单元单独用于主动式或被动式结构健康监测系统中。
55.该模块结合了激励、传感信号通道切换与多通道同步采集、调理的功能，不仅可以作为一种独立的外设单元单独用于主动式或被动式结构健康监测系统中，也可以作为主被动一体化结构健康系统的集成单元用于实现主/被动工作模式的切换控制及通道信号的激励与采集。
56.实施例一
57.如图4所示，主动式扫查网络与被动式检测网络各包含64个压电陶瓷(pzt)传感器，同时接入主被动切换器，压电陶瓷(pzt)传感器既可作激励传感器(逆压电效应)又可作接收传感器(压电效应)。主动检测模式下，压电陶瓷(pzt)传感器通过逆压电效应，接收到来自主机单元的激励信号(即高电压)，主动扫查结构产生振动生成传感信号。需要说明的是，每次只需1个压电陶瓷(pzt)传感器作为激励传感器发出主动扫查得到的传感信号，其他压电陶瓷(pzt)传感器作为接收传感器。两片32选1(即64选1)的译码器用于实现对激励压电陶瓷(pzt)传感器的选择，控制矩阵式衰减器中连接该传感器的继电器切换至激励信号端。
58.主被动切换器由64个单刀双掷(spdt)的高速簧片继电器(dip05-1c90)组成。簧片继电器有一组机械互锁的常开和常闭触点，切换时间小于2ms。簧片继电器常开触点连接主动式扫查网络的压电陶瓷(pzt)传感器，常闭触点连接至被动式监测网络的压电陶瓷(pzt)传感器。默认情况下，簧片继电器未驱动，常闭触点导通，即默认状态下为被动监测模式，且与主动式扫查网络在物理上完全隔断，抑制了被动监测网络与主动扫查网络所产生的信号之间串扰，主被动切换器的簧片继电器公共端连接至矩阵式衰减器。
59.矩阵式衰减器由64个单刀双掷的高速簧片继电器(dip05-1c90)组成，其公共端连接至主被动切换器的簧片继电器公共端，其常闭触点连接至传感信号接收通道，常开触点连接至激励信号的输入，以保证在默认状态下被动式撞击监测网络的传感信号进入接收通道，且传感信号与激励信号在物理上完全隔断，抑制了串扰信号。
60.微cpu控制器可选用stm32f103c8t6。stm32f103c8t6是一款基于arm cortex-m内
核的32位的微cpu控制器，程序存储器容量为64kb，工作温度为，具有37个gpio口和一个spi串行数据控制口。stm32控制器通过串口(uart)与上位机进行通信，确定监测模式。stm32控制器通过地址总线控制移位缓存器和译码器，进而控制主被动切换器和矩阵式衰减器；通过spi总线控制多路复用器。
61.移位缓存器可选用8片74hc595芯片以级联形式配置。74hc595是一个8位串行输入、并行输出的移位缓存器。stm32控制器通过1位地址总线向级联的74hc595芯片输入主被动切换器的控制信号，再由8片级联74hc595移位缓存器并行输出64位控制信号控制主被动切换器的簧片继电器，实现主/被动网络的切换。
62.而主被动切换器的控制选择8片8位移位缓存器而不是地址译码器的原因是：矩阵式衰减器的激励接收信号切换只需1个继电器切换，而主被动传感网络的切换需要64个继电器同时完成。故该模块需要8片8位移位缓存器控制。
63.地址译码器可选用2片adg732芯片，adg732是具有32通道的模拟多路复用器，可实现由5位地址总线实现32选1。主动探伤模式下激励通道的选择，stm32控制器输出7根地址总线控制两片adg732，通过7-64的地址译码，对矩阵式衰减器实现64选1的功能，以完成激励通道的选择。
64.每个接收通道的多路复用器可选用8片adg738芯片以菊花链形式配置，以选择一个压电陶瓷(pzt)传感器信号的输出。adg738是一款8通道的模拟多路复用器，采用三线式串行接口，与spi接口标准兼容，利用输入移位寄存器dout的输出，可以将若干芯片以菊花链形式相连。所有芯片共享来自stm32的spi接口片选和串行时钟数字线路,菊花链中的第一个芯片接收串行数据后，该数据被传送至链中的8个芯片，完成一个压电陶瓷(pzt)传感器传感信息的选通。实现4通道传感信号同步采集，则需要4个8片adg738菊花链。
65.如图4所示，该实施例具有4个通道同步的信号输出，64个压电陶瓷(pzt)传感器，每个通道有8个多路复用器，且每个多路复用器具有8个输入，实现对64个传感器接收的传感信号的输出的选择，每个通道64选1输出，同步4路输出，对多路分复用器进行16次控制实现对64个压电陶瓷(pzt)传感器数据的采集。
66.电荷放大器可选用opa2132芯片。opa2132输入运算放大器具有高转换速率和宽带宽，提供了快速的响应时间，具有单、双、四运放版本，可选用双运放版本可实现对该通道的压电陶瓷(pzt)传感器传感信号的两级放大，即一级电荷放大电路和二级电压放大电路，进而将放大调理后的传感信号输出。实现4通道传感信号同步采集，则需要4个opa2132芯片。
67.电源稳压模块24v直流电源输入，可选用型号为asa00cc18-l的dc/dc模块将24v转压至
±
15v。可选用tps7a49和tps7a30两款正负低压差线性稳压器(ldo)分别对正负电压进行稳压滤波，进而对放大电路的供电。可选用lm2596s-5.0实现24v转5v，作为译码器芯片、移位缓存器芯片、多路复用器芯片以及继电器线圈的驱动电压。可选用tps7a49低压差稳压芯片实现5v转3.3v，进而给stm32控制器供电。
68.一种结构健康监测系统，包括主被动传感网络、主动检测单元、被动监测单元、主机单元以及使用如上述实施例所述的主被动信号切换装置，主被动传感网络包括主动式扫查网络、被动式监测网络，在主动监测模式下切换至主动式扫查网络；在被动监测模式下切换至被动式监测网络。由图4中继电器公共端触点可知，该切换器默认情况下连接至被动网络。
69.如图1所示，主被动信号切换装置可同时连接主动扫查网络和被动传感网络，包括实时监测结构外部撞击的被动监测网络和用于结构损伤诊断的主动扫查网络。在主被动一体化结构健康监测系统中，传感信号可分别输出至主动式结构损伤单元和被动式结构撞击监测单元，进而受主被动一体化结构健康监测系统协同控制。
70.优选地，主被动传感网络包含压电陶瓷(pzt)传感器。
71.具体实施时，被动监测网络采集的传感信号直接进入接收通道经多路复用器选择、电荷放大及信号调理器处理后进入被动监测单元。在主动探伤时，微cpu控制器通过控制移位缓存器输出并行控制信号控制主被动切换器切换至主动扫查网络，通过控制地址译码器，进而控制矩阵式衰减器切换某个压电陶瓷(pzt)传感器至激励通道，激励信号输入至该压电陶瓷(pzt)传感器，同时其余压电陶瓷(pzt)传感器仍在接收通道接收激励信号产生的第二传感信号，微cpu控制器根据主动式损伤诊断算法规划的扫查路径控制多路复用器选择第二传感信号，经电荷放大及信号调理器处理后进入主动检测单元。此时激励通道与接收通道、主动传感网络与被动传感网络完全物理隔断，抑制了串扰信号。
72.较佳地，压电陶瓷(pzt)传感器如果受到结构波动的影响，会在压电效应的作用下产生电压信号，在受到电压信号的激励时又会因逆压电效应而发生变形。超声导波结构健康监测技术通常利用压电元件作为驱动器和传感器，以超声导波作为损伤信息传递媒介在线实时监测复合材料结构上的损伤及其扩展情况。主动式损伤诊断方法与被动式撞击监测方法可以利用一套传感器网络实现撞击事件评估、撞击损伤预报、损伤状态诊断等一系列健康监测目标。压电陶瓷(pzt)传感器如果受到结构波动的影响，会在压电效应的作用下产生电压信号，在受到电压信号的激励时又会因逆压电效应而发生变形。因此，压电陶瓷(pzt)传感器可同时作为超声导波信号的激励/接收装置，同时用于主动式损伤诊断和被动式撞击监测。基于分布式压电陶瓷(pzt)传感器网络的超声导波主/被动损伤识别方法既可实现主动损伤诊断又可以进行被动撞击监测，适于作为航空航天复合材料结构的全局损伤诊断技术。
73.需要说明的是主被动监测传感器并不限于压电陶瓷(pzt)传感器，还可以使用光导纤维、形状记忆合金等智能材料。
74.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种主被动信号切换装置，该装置结合了激励、传感信号通道切换与多通道同步采集、调理的功能，不仅可以作为一种独立的外设单元单独用于主动式或被动式结构健康监测系统中，也可以作为主被动一体化结构健康系统的集成单元用于实现主/被动工作模式的切换控制及通道信号的激励与采集。
75.另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
76.尽管本文中较多的使用了诸如主机单元、主被动传感网络、第一信号、第二信号、微cpu控制器以及主被动切换模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次
序。
77.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种主被动信号切换装置，应用于结构健康监测系统，所述结构健康监测系统还包括主机单元、主被动传感网络，其特征在于,所述主被动信号切换装置包括：主被动切换模块和微cpu控制器，所述主被动切换模块与所述主被动传感网络连接，以用于接收所述主被动传感网络产生的传感信号，所述主被动切换模块与所述主机单元连接，所述传感信号传输至所述主机单元反馈得到激励信号；所述微cpu控制器分别与所述主机单元、所述主被动切换模块连接，通过与所述主机单元进行信息交互控制所述主被动切换模块实现所述主被动传感网络监测状态与信号传输通道的转换。2.根据权利要求1所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动切换模块包括相互通信连接的主被动切换器和矩阵式衰减器，所述主被动切换器分别与所述矩阵式衰减器、所述主机单元连接；所述主被动切换器接收所述主被动传感网络传送的传感信号，并将所述传感信号通过所述矩阵衰减器传输至所述主机单元，所述传感信号触发所述主机单元向所述主被动传感网络发送所述激励信号，同时所述主机单元依据所述传感信号决策信号传输通道的切换，所述激励信号依次通过所述矩阵式衰减器以及所述主被动切换器反馈至所述主被动传感网络。3.根据权利要求2所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动切换器和所述矩阵式衰减器同时与所述微cpu控制器连接，所述微cpu控制器与所述主机单元连接进行信息交互并生成第一指令和第二指令，所述第一指令控制所述主被动切换器实现所述主被动传感网络由被动监测状态向主动检测状态转换,所述第二指令控制所述矩阵式衰减器切换所述传感信号和所述激励信号的传输通道。4.根据权利要求1所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动信号切换装置还包括多路复用器，所述多路复用器一端与所述微cpu控制器连接，另一端与所述主被动切换模块连接，所述微cpu控制器控制所述多路复用器选择接收所需的传感信号。5.根据权利要求1所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动信号切换装置还包括电荷放大及信号调理器，所述电荷放大及信号调理器对输入至所述主被动信号切换装置的信号进行放大和滤波。6.根据权利要求1所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动信号切换装置还包括电源稳压模块，所述电源稳压模块与微cpu处理器连接，用于对输入所述主被动信号切换装置的直流电源进行稳压滤波。7.根据权利要求2所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动切换模块还包括移位缓存器，所述移位缓存器的输入端与所述微cpu控制器的输出端相连接，所述移位缓存器的输出端与所述主被动切换器的输入端相连接，所述微cpu控制器通过控制所述移位缓存器控制所述主被动传感网络转换。8.根据权利要求3所述的主被动信号切换装置，其特征在于：所述主被动切换模块还包括地址译码器，所述地址译码器的输入端与所述微cpu控制器的输出端相连接，所述地址译码器的输出端与所述矩阵式衰减器的输入端相连接，所述微cpu控制器通过控制所述地址译码器控制所述矩阵式衰减器切换信号传输通道。9.一种结构健康监测系统，其特征在于：包括主被动传感网络、主动检测单元、被动监
测单元、主机单元以及使用如权利要求1-8任一项所述的主被动信号切换装置。10.根据权利要求9所述的结构健康监测系统，其特征在于：所述主被动传感网络包括压电陶瓷(pzt)传感器。

技术总结
本发明涉及结构监测技术领域，特别涉及一种主被动信号切换装置及结构健康监测系统，其包括电源稳压模块、微CPU控制器、移位缓存器、地址译码器、多路复用器、主被动切换器、矩阵式衰减器、电荷放大及信号调理器。该装置不仅可以作为一种独立的外设单元单独用于主动式或被动式结构健康监测系统中，也可以作为主被动一体化结构健康系统的集成单元用于实现主/被动工作模式的切换控制及通道信号的激励与采集。集。集。


技术研发人员：王奕首 李泽华 王明华 薛文东 卿新林 孙虎
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/6