一种监测纤维缠绕层损伤的设备

技术领域

本发明涉及车载储氢气瓶的损伤检测领域，尤其涉及一种监测纤维缠绕层损伤的设备。

背景技术

近年来随着市场的发展，我国各种类型汽车数量的急剧增加，大量的汽车尾气排放已经成为城市环境污染的重要因素。

为了能够有效应对汽车排放带来的空气污染，从二十世纪开始，人类就开始探索利用零排放的氢燃料。到了二十一世纪初，氢燃料电池汽车已经作为新能源汽车家族的重要成员得到了空前发展。氢能作为一种零碳能源，具有来源丰富、洁净环保、燃烧值高、无污染、可储运等一系列优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。

氢能利用完整链条包括生产、储存、运输、应用等几方面，而决定氢能是否广泛应用的关键是安全可靠的储氢技术。车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢。在储氢的过程中，因为氢气无色无味，人体吸入后使肺缺氧并且氢气其本身可燃易爆炸，所以在新能源汽车的发展和普及阶段，车载储氢缠绕气瓶的安全就显得十分重要。

现有技术中，为了保证储氢缠绕气瓶使用时的安全可靠性，较常使用的检测技术有超声检测、射线检测和激光检测等在内的一系列复合材料无损检测技术。虽然这些技术较为成熟，但是这些检测技术只能用于间断性的检测，无法做到实时监测储氢缠绕气瓶的损伤情况。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如上所述，现有技术中的常用的复合材料无损检测技术如超声检测技术、射线检测技术、以及激光检测技术等适用于间断性的检测，无法对车载储氢缠绕气瓶做到连续不间断的实时性的检测。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种监测纤维缠绕层损伤的设备，该监测纤维缠绕层损伤的设备包括：电流源，用于提供激励电流；多个电极，分布于纤维缠绕层的边缘，与该纤维缠绕层相连，该多个电极中的一个电极接地以作为接地电极；电流电极选通开关，设置于该电流源和该纤维缠绕层上的该多个电极之间，用于选通该多个电极中该接地电极之外的一对相邻电极作为激励电极以接入该激励电流；以及电压电极选通开关，设置于上位机和该纤维缠绕层上的该多个电极之间，用于选通该多个电极中除该激励电极以外的电极以输出响应于该激励电流的响应信号至该上位机。本发明通过使用该监测纤维缠绕层损伤的设备实现对于车载储氢缠绕气瓶进行实时检测。

在一实施例中，该电流电极选通开关轮流选通该接地电极之外的所有相邻电极以施加激励电流，对应被激励的每一对相邻电极，该电压电极选通开关轮流选通除该激励电极之外的其余电极以获得响应于该激励电流的其余电极与该接地电极之间的电势差信号以作为该响应信号的一帧电阻抗数据。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括差分放大电路，经由该电压电极选通开关连接该纤维缠绕层上的该多个电极以放大采集到的该电势差信号。

更进一步地，该差分放大电路设有两条用于电压采集的电线，其中一条与该电压电极选通开关相连，另一条与该纤维板上的接地电极相连实现相对共地。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括反向加法器电路和反相器电路，用于在该电势差信号上施加直流电压以获得单极性正弦电压并将该单极性正弦电压反相恢复为原相位。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括低通滤波器，该反相器电路连接至该低通滤波器以减少噪声对于采集到的该电势差信号的干扰。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括微控制器，该低通滤波器连接至该微控制器以将该电势差信号模数转换，转换而成的该电势差信号的数字信号上传至该上位机以生成该纤维缠绕层的电阻抗层析成像图。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括微控制器，该微控制器与该电流电极选通开关和该电压电极选通开关相连以控制该电流电极选通开关和该电压电极选通开关的开闭。

更进一步地，该微控制器采用STM32F103系列的微控制器。

在一实施例中，该电流源采用AD5933芯片产生双极性正弦电流作为电流，该电流源和该电流电极选通开关之间还设置一压控电流源电路以稳定输出该双极性正弦电流。

在一实施例中，该监测纤维缠绕层损伤的设备还包括该上位机，用于基于该响应数据生成该纤维缠绕层的电阻抗层析成像图。

本发明提供了一种监测纤维缠绕层损伤的设备，将车载储氢气瓶的纤维缠绕层视为导体，在纤维缠绕层的边缘设置多个电极。通过采集纤维缠绕层的边界电压并将该电压信号上传至上位机，得到该纤维缠绕层的电阻抗层析成像图。相比于常用的激光检测、超声检测等检测设备，本发明提供的检测设备简单，操作便捷，更易于设置于移动端进行实时监测。

通过观察实时的电阻抗层析成像图，用户可持续性地监测车载储氢气瓶缠绕层的每一部分的导电率。当车载储氢气瓶的纤维缠绕层出现界面剥离、基体开裂、纤维断裂以及分层等损伤时，该气瓶缠绕层局部电导率发生异常，该异常情况会于电阻抗层析成像图中直接显示出来。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的连接图；

图2示出了本发明的一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的电极标识图；

图3示出了本发明的一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的相邻激励-共地测量模式的纤维缠绕层测量连接图；

图4示出了现有技术中电阻层析成像技术的相邻激励-相邻测量模式的纤维缠绕层测量连接图；以及

图5示出了本发明的另一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的连接图。

附图标记说明：

100：监测纤维缠绕层损伤的设备；

101：电流源；

102：电流电极选通开关；

103：电压电极选通开关；

104：纤维缠绕层；

105：上位机；

1041：激励电极；

1042：接地电极；

200：监测纤维缠绕层损伤的设备；

201：电流源；

202：电流电极选通开关；

203：电压电极选通开关；

205：上位机；

206：微控制器；

207：压控电流源；

208：差分放大电路；

209：反向加法器；

210：反相器电路；

211：低通滤波器；

1：电极1；

2：电极2；

3：电极3；

4：电极4；

5：电极5；

6：电极6；

7：电极7；

8：电极8；

9：电极9；

10：电极10；

11：电极11；

12：电极12；

13：电极13：

14：电极14；

15：电极15；以及

16：电极16。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。

能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。

本实施例提供了一种监测纤维缠绕层损伤的设备，用于对车载储氢气瓶纤维层损伤进行实时监测。当车载储氢气瓶纤维层出现不同程度的损伤时，电阻抗层析成像图中可以清晰且直观地将其显示，防止车载储氢气瓶纤维层破损而发生氢气泄露等严重危害人身安全的事故。

请参看图，图1出了本发明的一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的连接图。

本实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备100主要包括电流源101、设置于纤维缠绕层104边缘的多个电极、电流电极选通开关102、以及电压电极选通开关103。当然，本实施例并不具体限定所述监测纤维缠绕层损伤的设备100的部件，能够实现本实施例提供的功能的前提下，也可根据实际情况增设相应的其他部件。

具体如图1所示，在本实施例中的电流源101用于提供激励电流。本实施例中采用AD5933芯片产生双极性正弦电流作为激励电流。

AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。这个频率发生器可以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值R和虚部值I。这样就可以很容易的计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。

AD5933主要具有以下特性：为可编程的频率发生器，最高频率可达100KHz；可作为设备通过口和主机通讯，实现频率扫面控制；其频率分辨率为27位(<0.1Hz)；其阻抗测量范围为100Ω到10MΩ；其内部带有温度传感器，测量误差范围为±2℃；其带有内部时钟；可以实现相位测量；其系统精度为0.5％；可供选择的电源范围为2.7V到5V；其正常工作的温度范围-40℃到+125℃；有16脚SSOP封装。

本实施例中设有多个电极，该多个电极间隔等距地分布于纤维缠绕层104的边缘，并与纤维缠绕层104相连。在多个电极中任选一个电极接地以作为接地电极1042。

请参看图2，图2示出了本发明的一些实施例中监测纤维缠绕层损伤的设备的电极标识图。在本实施例中，从车载储氢气瓶纤维层上截取部分纤维缠绕复合材料，并于该截取下的纤维缠绕复合材料的边缘分布连接16个电极。为了方便概念的统一，后续在该纤维缠绕复合材料上实施的操作在本说明书中统一为在纤维缠绕层104上进行操作。

图2的实施例中，所有的电极都等距离地分布于纤维缠绕复合材料的边缘。为了方便理解，本实施例中于每个电极处进行了标号，将该纤维缠绕层104边缘的所有电极按照1-16的标号一一对应。

请继续参看图1，如图1所示，本实施例中包括电流电极选通开关102和电压电极选通开关103。电流电极选通开关102设置于电流源101和纤维缠绕层104上的多个电极之间，用于选通该多个电极中除接地电极1042之外的一对相邻电极作为激励电极1041以接入激励电流。电压电极选通开关103设置于上位机105和该纤维缠绕层104上的该多个电极之间，用于选通该多个电极中除上述一对激励电极1041以外的电极，用以输出响应于施加的激励电流的响应信号至上位机105。上位机105基于收到的响应数据生成该纤维缠绕层104的电阻抗层析成像图。

在本实施例的一种监测纤维缠绕层损伤的设备100，通过相邻激励-共地测量的数据采集模式，使用电阻层析成像技术对现有车载储氢缠绕气瓶进行实时损伤检测。

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，简称ERT)技术起源于医学领域，它是电阻抗层析成像技(Electrical Impedance Tomography，简称EIT)技术的一种简化形式，即只利用了电阻抗的实部信息。

在本发明的实施例中，将该电阻层析成像技术应用于车载储氢气瓶的损伤检测领域。

电阻层析成像技术基于多相流各介质间电导率的不同，根据敏感场内物体的导电率分布可获得多相流介质分布，从而实现对封闭的管道或过程容器设备内部多相组分物质参数的可视化测量。通过交叉给物质注入电流，测量物体表面的电极的电压的变化，从而可获得该物体标点电导率的分布情况。通常，给定一个电极列阵，就有无限多可能的电流-电压组合方式，即数据采集模式，用来进行测量。

目前现有技术中，电阻层析成像技术的主要采用的工作方式为单层16个电极的相邻激励-相邻测量模式。激励信号为正弦波交流电流信号，检测信号为相邻电极对上的边界电压信号。当物场内导电率分布变化时，电流场的分布会随之变化，导致场内的电势分布变化，从而场域边界上的测量电压也发生变化。测量边界上的电压并通过相应的成像算法，可以重建场内电导率分布，实现可视化测量。

但是，在电阻层析成像技术的发展过程中，相邻激励-相邻测量的工作模式主要暴露出三个问题：(1)由于未检测激励源及相邻的三对电极，因此得到的边界电压数据信息不充分。根据互易原理，单层16个电极循环检测一周，测量的有效数据为104个。(2)激励电流主要流经激励电极1041附近的区域，导致电流分布不均匀，激励源附近区域非常敏感，因而造成非均匀煤质的加权系数不易给定。(3)检测电极端缺少接地点，使检测的数据易受干扰影响。

在本发明的实施例中，将该相邻激励-相邻测量的数据采集模式应用于车载储氢气瓶的损伤检测领域，并对其进一步改进为相邻激励-共地测量的数据采集模式，通过电阻层析成像图以实现对于车载储氢气瓶的实时损伤检测。

电流电极选通开关102的输出口的数量与纤维缠绕层104边缘的电极的数量相等。在本实施例中，因为设置于纤维缠绕层104边缘的电极的数量为16个，所以选用ADI公司ADG1206模拟开关作为电流电极选通开关102。

ADG1206为单芯片iCMOS模拟多路复用器，分别内置16个单通道和8个差分通道。ADG1206根据4位二进制地址线A0、A1、A2和A3所确定的地址，将16路输入之一切换至公共输出。ADG1206提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。

iCMOS(工业CMOS)是一种模块式制造工艺，集高电压CMOS(互补金属氧化物半导体)与双极性技术于一体。利用这种工艺，可以开发工作电压达33V的各种高性能模拟IC，并实现以往的高压器件所无法实现的尺寸。与采用传统CMOS工艺的模拟IC不同，iCMOS器件不但可以承受高电源电压，同时还能提升性能、大幅降低功耗并减小封装尺寸。

本实施例中，电流电极选通开关102ADG1206芯片的16个输出口通过鳄鱼钳与纤维缠绕层104上的电极连接。

电压电极选通开关103的输出口的数量与纤维缠绕层104边缘的电极的数量也相等。在本实施例中，因为设置于纤维缠绕层104边缘的电极的数量为16个，所以选用ADI公司ADG1606模拟开关作为电压电极选通开关103。

ADG1606为单芯片iCMOS模拟多路复用器，分别内置16个单通道和8个差分通道。ADG1606根据4位二进制地址线A0、A1、A2和A3所确定的地址，将16路输入之一切换至公共输出。ADG1606提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。使能时，各通道在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。

ADG1206和ADG1606这两个多路复用器具有超低电容和电荷注入特性，因而是要求低突波和快速建立时间的数据采集与采样保持应用的理想解决方案，且这两个开关都具有较快的开关速度及高信号带宽。iCMOS结构可确保功耗极低，因而这些器件非常适合便携式电池供电仪表。

ADG1606和ADG1206地址线、使能线、信号输出口数量都一样多。特别地，为了保证在电压信号采集的过程中，信号一直处于稳定状态，无论是电流电极选通开关102还是电压电极选通开关103，每次打开开关都延时10ms再进行下一步操作，以保证每一次电极选取的持续打开时间都大于等于AD采样时间。

在纤维缠绕层104的边缘连接多个电极之前，要先对该纤维缠绕层104做进一步处理以增强其导电性，便于之后的响应数据的采集。本实施例中，先用高温灼烫的方法去除裹覆在纤维缠绕层104表面的绝缘树脂。之后，用酒精清洗擦拭获得洁净的碳纤维表面。之后，再于碳纤维表面涂覆导电银浆将分散的碳纤维连接成整体。最后，用双组分环氧树脂将导电铜导线固定于缠绕层碳纤维104上，以增强其导电性。

接下来请参看图3，图3示出了本发明的一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的相邻激励-共地测量模式的纤维缠绕层测量连接图。

本实施例中，采用的是相邻激励-共地测量的数据采集模式。电流电极选通开关102ADG1206轮流选通除了接地电极1042之外的所有相邻电极以施加激励电流。

在图3的实施例中，在纤维缠绕层104的边缘上连接了16个电极。为了方便理解，每个电极都对应1-16中的一个数字标号。在纤维缠绕层104边缘上的所有电极中任意选择一个电极接地，作为接地电极1042。本实施例中选择电极4接地作为接地电极1042。如图1所示，电流电极选通开关102和纤维缠绕层104相连。电流电极选通开关102首先选通纤维缠绕层104上两个相邻的电极，电极1和电极2，作为激励电极1041，在电极1和电极2上施加激励电流I

对应被激励的每一对相邻电极，电压电极选通开关102轮流选通除该对激励电极1041之外的其余电极以获得响应于该激励电流的其余电极与确定的接地电极1042之间的电势差信号以作为响应信号的一帧电阻抗数据。

在图3的实施例中，在确定了电极1和电极2作为激励电极1041，于其上施加激励电流后，通过电压电极选通开关103分别选通除了电极1和电极2以外的其余电极和接地电极1042之间的电势差。本实施例中选电极4作为接地电极1042。即采集电极3和电极4之间的电势差V

在接地电极1042为电极4不变的情况下，电流电极选通开关102轮流选通除了接地电极1042电极4以外的一对相邻的电极作为激励电极1041。本实施例按照顺时针，电流电极选通开关102在第二轮中选通电极2和电极3作为激励电极1041，于其上施加激励电流I

每一轮中每对激励电极1041的选择顺序并不受限于本实施例，只要位于该纤维缠绕层104边缘的所有电极都逐个轮换过即可。

特别地，在电流电极选通开关102选择轮换接通一对激励电极1041的过程中，接地电极1042始终不变，还是电极4，且接地电极1042不能作为激励电极1041施加激励电流。

以此类推，在本实施例中，在接地电极1042不变的情况下，在每一对激励电极1041上施加激励电流，都能获得响应于该激励电流的13个电势差信号。本实施例中设置了16个电极，在接地电极1042不变的情况下，逐一轮换纤维缠绕层104边缘的激励电极1041，如每一轮的激励电极1041可以分别为电极1和电极2、电极2和电极3…电极15和电极16、以及电极16和电极1，可以轮换14轮。在激励电极1041轮换的过程中，接地电极1042不参与轮换作为激励电极1041，即电极3和电极4，电极4和电极5，这两对电极不能作为一对激励电极1041，于其上施加激励电流。

所以，本实施例中，这种相邻激励-共地测量的数据采集模式可以得到182(14×13)个独立的电位测量值。

以此类推，当纤维缠绕层104的边缘设有N个电极时，使用相邻激励-共地测量的数据采集模式可以得到(N-2)×(N-3)个独立的电位测量值。(N-2)表示一次完整的数据采集进行了(N-2)轮的电流激励。N个电极相邻激励模式本应该激励N次，但是由于接地电极1042的引入，接地电极1042不进行电流激励，所以相邻激励模式中与接地电极1042相关的两轮电流激励不进行，故只剩下(N-2)轮电流激励。(N-3)表示响应于每一轮的电流激励得到(N-3)个电压值。在所有N个电极中除去2个激励电极1041和1个接地电极1042外，其余(N-3)个电极分别与接地电极1042测电势差，从而得到(N-3)个电压值。

本实施例中的电阻层析成像技术的相邻激励-共地测量的数据采集模式相比于现有技术中的相邻激励-共地测量的数据采集模式，打破了电流注入和电压测量之间的对称性，相邻激励-共地测量模式得到的所有测量值都是独立的，因而可以获得更高的分辨率。

请参看图4，图4示出了现有技术中电阻层析成像技术中的相邻激励-相邻测量模式的纤维缠绕层测量连接图。

在图4的实施例中，对于16个电极的纤维缠绕层104，使用相邻激励-相邻测量的数据采集模式，电流注入和电压测量之间具有对称性。因为相邻测量模式中没有接地电极1042，所以16个电极逐一轮换纤维缠绕层104边缘的激励电极1041，如每一轮的激励电极1041可以分别为电极1和电极2、电极2和电极3…电极15和电极16、以及电极16和电极1，可以轮换16轮。在确定完一对激励电极1041之后，采集其余相邻电极两两之间的电势差。假设电极1和电极2为激励电极1041，电流电极选通开关102选通电极1和电极2并施加激励电流。电压电极选通开关103选通除了电极1和电极2以外的其余电极，采集电极3和电极4之间的电势差、电极4和电极5之间的电势差、…电极15和电极16之间的电势差，采集到的电势差有13个。

对于16个电极使用相邻激励-相邻测量的数据采集模式测量得208(16×13)个数据，但是因为响应于每一轮激励电流的电势差数据中，除了激励电极1041以外的其余电极都参与了两次测量。如上述中电极1和电极2为激励电极1041时，采集电极3和电极4之间的电势差、电极4和电极5之间的电势差，其中电极4被采集了两次。所以，相邻激励-相邻测量的数据采集模式测得的独立的电位测量值为104(16×13÷2)个。

明显可以看，在纤维缠绕层104的边缘连接相同数量的电极时，本实施例中的电阻层析成像技术的相邻激励-共地测量模式采集得到独立电位测量值的数量(182)大于相邻激励-相邻测量模式采集得到独立电位测量值的数量(104)。所以，本实施例中的通过相邻激励-共地测量模式的采集数据生成的电阻层析成像图拥有更高的分辨率。

此外，对于实际的测量电路，共地点测量模式测量得的纤维缠绕层104边缘的电位电势差比相邻测量模式测量得的边缘电位值电势差更大。在相同的测量噪声情况下，共地点测量模式测得信号的信噪比更大。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小。

本实施例中的电极等距离地设置于纤维缠绕层104的边缘，从而更利于均匀地采集该纤维缠绕层104每一处的电压信号，不易出现在纤维缠绕层104的局部区域测得好几个电位值，而另一些区域则因测得的值不够，从而无法形成完整的图像。

继续参看图1，本实施例中的电压选通开关103将通过相邻激励-共地测量模式采集到的响应于每轮激励电流的所有电势差信号都上传至上位机105。上位机105负责处理采集而得的上述电势差数据，获得该纤维缠绕层104的电阻抗层析成像图。

请参看图5，图5示出了本发明的另一些实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备的连接图。

在图5的实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备200主要包括上位机205、微控制器206、电流源201、压控电流源207、电流电极选通开关202、电压电极选通开关203、差分放大电路208、反向加法器209、反相器电路210、以及低通滤波器211。

在本实施例中，电流源201还是采用AD5933芯片，电流电极选通开关202和电压电极选通开关203依旧采用ADG1206和ADG1606两个多路复用器。

微控制器206采用STM32F103系列的微控制器。STM32是ST公司开发的32位微控制器，其内核是ARM公司生产的ARMv7架构的32Cortex-M3微控制内核。微控制器206STM32自带了各种常用的通信接口，比如USART、I2C、SPI等可连接非常多的传感器，可以控制很多的设备。

压控电流源207采用的是ADI公司的AD8021高速电压反馈放大器。AD8021可以用于16bit分辨率系统。AD8021具有低压噪声和低电流噪声(其典型值分别为2.1nV/√Hz和2.1pA/√Hz)，是当今的高速低噪声运算放大器产品中静态电源电流(7mA@±5V)最低的产品。AD8021的工作电压范围较宽，为±2.25V～±12V，也可以采用5V单电源供电，因此非常适合高速低功耗仪器仪表。输出禁用引脚可以将静态电源电流进一步降低至1.3mA。与同类放大器相比，AD8021不仅技术性能出众，而且价格优势明显，静态电流也低得多。AD8021是一款高速、通用放大器，非常适合各种增益配置，可以用于信号处理链路以及控制环路。AD8021采用标准8引脚SOIC与MSOP封装，其工作温度范围为-40℃～+85℃。

在本实施例中，微控制器206STM32F103通过I2C总线和电流源201AD5933芯片相连。微控制器206STM32F103控制电流源201AD5933芯片产生峰峰值2.68V、频率10KHz的正弦波作为激励电流的信号源。AD5933产生的激励电流的信号源流入由AD8021高压反馈放大器构成的压控电流源207，用以稳定输出激励产生的10KHz、1mA的双极性正弦电流。

本实施例中的电流电极选通开关202分别与微控制器206STM32相连以及压控电流源207相连。微控制器206STM32F103的GPIO口与电流电极选通开关202相连，用以控制电流电极选通开关202ADG1206的4个输入端口的选通。该电流电极选通开关202的16个输出端口分别与纤维缠绕层104上的16个电极相连，使得压控电流源207输出的电流能够按照选定的顺序依次流入纤维缠绕层104上每轮选定的激励电极1041中。

通过微控制器206STM32F103的GPIO口输出高低电平，控制电流电极选通开关202ADG1206的4个地址位和1个使能端口。具体来说，用STM32F103的4个GPIO口控制ADG1206的地址选取。因为ADG1206有4个地址线，0000～1111，其分别对应输出端口的0～15个开关。STM32控制ADG1206每轮选通输出端口中相邻的两个开关，通过鳄鱼钳连接纤维缠绕层104上的两个激励电极1041，注入激励电流。在本实施例中的采用的相邻激励-共地测量的工作模式中，除了固定的接地电极1042上不施加激励电流，其余的电极中相邻的两个电极轮流施加激励电流，如此循环施加13轮激励电流。

微控制器206STM32F103的GPIO口还与电压电极选通开关203相连，用以控制电压电极选通开关203ADG1606的4个地址位和1个使能端口。具体来说，用STM32F103的4个GPIO口控制ADG1606的地址选取。因为ADG1606也有4个地址线，0000～1111，其分别也对应输出端口的0～15个开关。STM32控制ADG1606每轮选通输出端口中的除了连接接地电极1042和连接本轮两个激励电极1041以外的13个电极的开关，通过鳄鱼钳连接纤维缠绕层104上的电极，依次采集响应于每轮激励电流的除了接地电极1042以外的其余电极的电压值。

ADG1606和ADG1206地址线、使能线、信号输出口数量都一样多。特别地，为了保证在电压信号采集的过程中，信号一直处于稳定状态，无论是电流电极选通开关202还是电压电极选通开关203，每次打开开关都延时10ms再进行下一步操作，以保证每一次电极选取的持续打开时间都大于等于AD采样时间。

继续参看图5，本实施例中的监测纤维缠绕层损伤的设备200还包括差分放大电路208。本实施例中的差分放大电路208由是ADI公司AD8422放大器构成。

Analog Devices AD8422是一款高精密、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器。Analog Devices AD8422以超低失真性能处理信号，在整个输出范围内负载不影响性能。AD8422具有极低的偏置电流，高源阻抗时不会产生误差，允许多个传感器多路复用至输入端。低电压噪声和低电流噪声特性使AD8422成为测量惠斯登电桥的理想选择。AD8422具有鲁棒的输入保护，能够确保稳定性，并且不牺牲噪声性能。AD8422具有高ESD抑制能力和针对来自相反供电轨、高达40V的连续电压输入保护。通过一个电阻可将增益设置为1至1000。基准引脚可用来向输出电压施加精确失调。AD8422的额定工作温度范围为-40℃至+85℃，可在高达125℃时保证典型性能曲线。AD8422共有8引脚MSOP和8引脚SOIC两种封装。

在本实施例中，构成差分放大电路208的差分放大器AD8422经由电压电极选通开关203连接纤维缠绕层104上的多个电极以放大采集到的响应于每轮激励电流的电势差信号。

差分放大电路208中设有两条用于电压采集的电线，其中一条与电压电极选通开关203相连，另一条与该纤维缠绕层104上的接地电极1042相连以实现相对共地。在本实施例中的相对共地的连接方式操作较为简便。相对共地连接方式的接入点的电势实际上并不是零，其实现的效果是测量所有除接地电极1042和每轮激励电极1041以外的其余电极与此接地点的相对电势差。

在另一实施例中，差分放大电路208和纤维缠绕层104上的接地电极1042两者也可以采用分别接地的方式。此种情况下，两者分别接地方式的接入点的电势为零，其实现的效果是测量的是绝对电压，此时采集的虽然也是除接地电极1042和每轮激励电极1041以外的其余电极与此接地点的相对电势差，但这时的相对电势差就是其余电极处的电压值。

将电压电极选通开关203控制的两端电势接入AD8422放大器构成的差分电路208后，对采集得的电势差信号进行20.8倍的放大，将放大后的电势差信号进入反向加法器209和反相器电路210。本实施例中选用TI公司OPA2227运算放大器构成反相加法器209和反相器电路210。

OPA2227运算放大器兼具低噪声，宽带宽和高精度等特性，因此是同时需要交流和精密直流性能应用的理想选择。OPA2227具有稳定的单位增益并具有高压摆率(2.3V/μs)和宽带宽(8MHz)。此外，低静态电流和低成本使得它们非常适合于便携式应用。OPA2227系列运算放大器是行业标准型OP-27的引脚对引脚替代产品，在整个电路板上都有重大改进。为了节省空间和降低每通道成本，还提供双通道和四通道版本。OPA2227采用DIP-8封装，其额定工作度范围是-40℃至85℃。

本实施例中，通过OPA2227运算放大器中的反向加法器209将放大后的电势差信号与1.15V直流相加，使得整体电压变为单极性正弦电压。

因为同向加法器的输入阻抗高，会导致信号不容易流入加法器中，会影响其他路的正常使用。而反向加法器209的输入阻抗低，输入端的信号更容易流入加法器，且不会影响其他路的正常使用。因而本实施例中选用反相加法器209。

为保证电势差信号前后相位一致，将于反相加法器209中得到的单极性正弦电压后再通过反相器电路210以恢复为原相位。

随后，该电势差信号再经过由OPA2227构成的一阶低通滤波器211。低通滤波可以简单的认为：设定一个频率点，当信号频率高于这个频率时不能通过。在数字信号中，这个频率点也就是截止频率，当频域高于这个截止频率时，则全部赋值为0。因为在这一处理过程中，让低频信号全部通过，所以称为低通滤波。

在数字图像处理领域，从频域看，低通滤波可以对图像进行平滑去噪处理。本实施例中，采集的电势差信号数据用于生成纤维缠绕层104的电阻抗层析成像图。所以，电势差信号经过OPA2227构成的一阶低通滤波器211用以减少噪声干扰，对图像进行平滑去噪。

滤波后的电势差信号返回至微控制器206STM32F103，通过STM32F103的12位逐次逼近型的模拟数字转换器将滤波后的电势差信号进行AD采样。本实施例中的，AD时钟为12MHz，采样周期1.5个周期。

微控制器206STM32拥有1～3个ADC(STM32F101/102系列只有1个ADC)，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式以便提高采样率。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

继续将转换而成的该电势差信号的数字信号上传至上位机205以生成该纤维缠绕层104的电阻抗层析成像图。上位机205通过通用异步收发传输器(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter；UART)口和微控制器206STM32F103相连以获得采集数据，并通过调用电阻抗层析成像算法获得电阻抗层析成像图。

通用异步接受器-发送器(UART)把数据的字节按照比特顺序发送。另一端的UART把比特组装为字节。每个UART包含一个移位寄存器。通过一根线或其他媒介的串行通信比通过多根线的并行通信具有更低成本。UART通常并不直接产生或接收其他设备的外部信号。独立接口设备用于转换信号的逻辑电平给UART。通信可以是单工、全双工或半双工。

综上，本发明提供了一种监测纤维缠绕层损伤的设备。将车载储氢气瓶缠绕层整体视为导体，将电极直接与该缠绕层碳纤维相连。当气瓶缠绕层出现界面剥离、基体开裂、纤维断裂以及分层等损伤时，气瓶缠绕层的局部电导率发生异常。本发明通过测量有限数量的边界电压重建气瓶缠绕层电导率的三维分布进而发现缠绕气瓶的内部损伤。

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