面向结构健康监测的应力波通信激励模块设计

摘 要：针对现有应力波通信设备不适宜现场应用的难题，该文开发面向结构健康监测的应力波通信激励模块。提出激励模块新架构，重点设计扩频通信子模块和压电陶瓷激励电源。该模块可完成结构健康信息的采集、扩频和放大，最终激励承载结构健康信息的应力波。测试结果表明：该模块能够在载噪比低于2 dB的情况下进行结构温度信息的传输，并且无误码，可解决特殊环境下难以采用电磁波进行传感信息通信难题。

关键词：应力波；扩频通信；激励模块；结构健康监测

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）04-0063-05

0 引 言

面向工业结构的健康状态监测及其评估，已成为当今公共安全和生产安全的研究热点[1-2]。结构健康监测系统早期主要采用以电缆为载体的有线传感器网络，后以电磁波为载体的无线传感器网络因具有搭建快速、扩展性强等优点被广泛应用[3-5]。然而部分特殊结构，如地下管道结构、钻井机构等，工作于恶劣的电磁屏蔽环境[6]，本身也不允许铺设电缆，常规传感方式难以有效工作。

针对电磁屏蔽环境下特殊结构的健康信息传输，以应力波为载体的应力波通信技术受到广泛关注。例如，Jin等[7]提出了面向管道结构的基于时间反演PPM调制数据通信方案，Kailaswar等[8]结合软件无线电技术在混凝土结构中进行健康状态监测，Siu等[9]利用智能骨料研究了混凝土信道特征并对比了多种调制方式的优劣。

对于信噪比极低、信道具有频率选择性的情形，本课题组前期研究提出基于扩频理论的应力波通信方法，有效降低了误码率[10]。然而，应力波通信激励设备体积过于庞大，难以在实际场景中应用，有微型化的必要。本文结合应力波扩频通信理论，设计应力波通信激励集成模块完成结构健康信息采集和传输，并嵌入工业结构，在电磁屏蔽环境下进行实时、动态、多维度的监测、评估和预警。

1 应力波通信激励集成模块总体设计

1.1 应力波扩频通信原理

常规应力波通信方式因存在噪声严重、信道衰落等问题，通信可靠性差。应力波扩频通信采用伪随机序列为结构健康信息进行扩频处理，使得信息频谱得到展宽，与此同时，信息能量在频域中扩展，有效克服了信道衰落的影响，使得通信可靠性大幅度提升。

应力波扩频通信原理，如图1所示。信号A为扩频处理前的结构健康信息，为典型的窄带信号。信号B为扩频序列，由同一扩频码片在时域上重复而成，每一个扩频码片对应结构健康信息的一个码元，扩频序列的频率远高于结构健康信息，为典型的宽带信号。信号C为已扩信号，即扩频处理后的结构健康信息，扩频处理主要为结构健康信息与扩频序列在同一时刻逻辑异或，可见经过扩频处理，结构健康信息包含在已扩信号中，同时已扩信号的频谱相对未处理前得到扩展。

应力波扩频通信中，扩频处理是通信可靠性的关键步骤，扩频序列在扩频处理中占据核心地位。扩频序列一方面展宽结构健康信息的频谱，决定应力波扩频通信中的信号带宽，另一方面，在接收端可将信号压缩，以减小信道噪声的干扰。采用m序列作为扩频序列，可以满足通信抗干扰要求，同时简化模块设计。

1.2 应力波通信激励集成模块架构

应力波通信激励集成模块，需要完成信息采集、信息扩频和应力波激励3大功能，采用自定向下的设计模式，分为传感与控制子模块、扩频通信子模块和压电陶瓷激励电源3个子模块，如图2所示。

结构健康信息从传感与控制子模块开始，经扩频通信子模块处理，形成频谱扩展的已调信号，再通过压电陶瓷激励电源，形成具备足够能量驱动压电陶瓷的携带结构健康信息的强功率信号。压电传感与控制子模块主要承担结构健康信息采集任务，子模块同时可对激励模块进行控制与调试，使得激励模块具备应对采集不同结构的健康信息的能力。扩频通信子模块负责对结构健康信息进行扩频、调制、数/模转换和组帧，并在帧的基础上构成扩频通信协议，保障通信的准确性和可靠性。压电陶瓷激励电源需要完成已调信号的幅值和功率的放大，使得强功率信号拥有合适的幅值和足够的功率驱动压电陶瓷，以在结构中激励出较强的应力波，实现应力波通信。其中，扩频通信子模块为核心子模块，压电陶瓷激励电源为关键子模块。

2 扩频通信子模块设计

2.1 m序列发生器设计

m序列一般采用线性移位寄存器构建出m序列发生器的方法产生。本文采用长度为15的m序列，故需构建4级移位寄存器。15位的m序列的本原多项式为

f（x）=x4+x+1（1）

如圖3所示为本设计对应的4级移位寄存器结构，D1到D4按顺序连接，D3与D4之和作为D1的输入形成反馈环路。设D4到D1的初始值为[1 0 1 1]，得到输出序列[1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0]，由于一个本原多项式对应的反馈环路是唯一的，因此该移位寄存器有唯一的m序列输出。

2.2 BPSK调制器设计

压电陶瓷在中频带具有一定的带宽，然而已扩信号虽然带宽得到扩展，但大量能量集中在低频段，与压电陶瓷带宽不匹配。因此，本设计采用调制的方法将已扩信号频带搬迁到合适的位置，使得带宽得以匹配，从稳定性的角度，采用BPSK调制器实现调制功能。所设计的BPSK调制器如图4所示，其核心为DDS发生器，与此同时，设计中插入移相器以实现相位跳变。波形数据为一个周期的余弦波，选取存储深度为5位，从而实现16倍过采样，大大提高输出波形信噪比。

2.3 Sigma-Delta调制器设计

BPSK调制器输出信号为数字信号，考虑到元器件的匹配度和集成度，采用Sigma-Delta型DAC将数字信号转换成模拟信号。设计采用一阶Sigma-Delta型DAC，故需构建一阶Sigma-Delta调制器和1位DAC。如图5所示为一阶Sigma-Delta型DAC结构图，其核心工作过程为求和与求差，最终每一个输入数据都转换成脉冲信号，脉冲的占空比与输入数字信号的大小成正比，1位DAC的作用为钳位脉冲信号的幅值。

3 压电陶瓷激励电源设计

3.1 低通滤波器设计

Sigma-Delta调制器的输出信号为频率改变的脉冲信号，包含大量的高阶谐波，故需构建低通滤波器滤除高阶谐波。本文采用幅频特性较为平坦的巴特沃斯低通滤波器。为兼顾滤波成本和滤波效果，将巴特沃斯低通滤波器的阶数设置为4阶。因BPSK调制相位跳变产生的高阶谐波，设置通频带带宽为100 kHz。如图6所示为所设计的巴特沃斯低通滤波器的频率特性曲线，其衰减率为24 dB/dec，由于相位跳变带来的高阶谐波在100 kHz时相位<-120°，相位裕度达到50°，因此滤波器工作稳定。在13 ～100 kHz的频段，每1 kHz相移为1.38°，具有良好的线性关系。

3.2 高压功率放大器设计

压电陶瓷激励电源为激励模块的关键子模块，其需要完成已调信号的幅值和功率的放大，而大尺度的幅值和功率放大极易造成信号失真，同时给电路带来散热、电磁干扰等问题，因此采用APEX公司的PA78EU，其供电电压达到±175 V，失调电压<8 mV。

本设计将压电陶瓷等效为阻容网络R和C串联。由于功放存在输出电阻R0与阻容网络构成滞后网络，该滞后网络与反馈回路串联产生新的极点引起自激振荡，为避免该情况，本设计在放大器输出端与容性负载之间串联小补偿电阻RISO进行相位补偿。补偿结果是在放大器开环幅频特性曲线上使得极点和零点对应频率降低。

如图7所示，为经过相位补偿后的开环幅频特性曲线，极点使曲线斜率下降20 dB/dec，而零点使其上升20 dB/dec，从而曲线与横轴提前相交，相位滞后得到补偿。

4 集成模块通信性能测试

应力波通信激励集成模块通信测试平台如图8所示。激励模块测试平台采用外径60 mm×2.5 mm×300 mm钢管作为应力波信道，钢管外壁中间段相距100 mm固化两个PZT-5压电陶瓷分别作为应力波激励和探测器，钢管内壁固化4个数字温度传感器DS18B20，每个传感器间隔100 mm，以采集到的多点温度信息作为结构健康信息，以NI数据采集卡为核心构建计算机数据采集系统，配合解扩解调Matlab脚本作为通信接收机，以完成通过钢管的结构健康信息一发一收应力波通信测试。

以31.25bit/s的波特率进行50次一发一收测试，已调功率信号的幅值为±150 V，频率为7.5 kHz，每隔1 s进行一次自动测试，共获得200个结构温度信息，通信接收机接收到的主要信号波形如图9所示。应力波通信测试结果见表1，可见在载噪比<2 dB的情况下，误码率为0，具有较高的可靠性。

5 結束语

本文开发了一种应力波通信激励集成模块，采用3个子模块串级结构，能够对结构健康信息进行采集、扩频、调制、数/模转换、组帧，并进行幅值和功率放大。应力波通信测试结果表明，本模块能够在载噪比极低的情况下进行十分可靠地通信，能初步满足恶劣电磁屏蔽环境下特殊结构的健康监测要求。此外，本模块可嵌入工业结构，在电磁屏蔽环境下进行实时、动态、多维度的监测、评估和预警。

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（编辑：李妮）

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