基于無(wú)線技術(shù)的壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

杜 菲 馬天兵

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

壓電陶瓷傳感器因具有響應(yīng)快、頻帶寬的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制和損傷探測(cè)中。但壓電陶瓷較脆，受力過(guò)大時(shí)容易斷裂，電流過(guò)大時(shí)容易被擊穿，它本身的狀態(tài)將直接影響到系統(tǒng)的可靠性。目前，已有學(xué)者針對(duì)傳感器的故障監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，基本上都是采用可靠性較差的有線通信方式或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法[1～3]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖具有良好的非線性辨識(shí)能力，但網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的計(jì)算量大，很難滿足實(shí)時(shí)性要求。筆者以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)多模態(tài)控制中的多組壓電片為研究對(duì)象，主要考慮斷裂或被擊穿的故障(不考慮壓電片部分損傷情況)，以LabVIEW作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，集無(wú)線和串口通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)8個(gè)壓電片的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)①

壓電陶瓷傳感器常用于梁、板或殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)檢測(cè)中，在有外界擾動(dòng)時(shí)，梁、板或殼結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，粘附在結(jié)構(gòu)基體上的壓電陶瓷傳感器會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)，但如果傳感器本身出現(xiàn)故障，會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)有所不同，因此，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

壓電陶瓷傳感器在正常和故障情況下會(huì)呈現(xiàn)不一樣的檢測(cè)結(jié)果，該結(jié)果先通過(guò)放大濾波電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后由A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給含單片機(jī)的無(wú)線發(fā)射模塊，再由含單片機(jī)的無(wú)線接收模塊接收信號(hào)，通過(guò)串口與LabVIEW上位機(jī)通信，最后在軟件里顯示各種傳感器的工作狀態(tài)，當(dāng)傳感器工作狀態(tài)不正常時(shí)指示燈點(diǎn)亮，狀態(tài)正常時(shí)不亮，從而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)(圖1)。

圖1 壓電傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

2 壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由穩(wěn)壓電路、放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、nRF905外圍電路以及51單片機(jī)外圍電路等組成[4，5]，限于篇幅，選取其中的主要電路和接口作介紹。

2.1 穩(wěn)壓電路

nRF905芯片的工作電壓為1.9～3.6V，因此選用常用的ASM1117芯片將單片機(jī)系統(tǒng)板上5.0V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V輸出來(lái)給nRF905供電。同時(shí)在芯片左右兩側(cè)并聯(lián)100、10μF電解電容濾波增強(qiáng)濾波效果。

2.2 nRF905外圍電路

nRF905收發(fā)器主要由晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)節(jié)器、帶解調(diào)器的接收器和頻率調(diào)制器組成，其工作方式是ShockBurst模式，工作ISM頻段為433/868/915MHz，易于通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。在發(fā)射功率為-10dB時(shí)，發(fā)射電流僅為10.0mA，接收電流僅為12.5mA，總體來(lái)說(shuō)，電流消耗較低，當(dāng)進(jìn)入POWERDOWN模式時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電節(jié)能。

2.3 STC89C52RC單片機(jī)與nRF905接口

在無(wú)線發(fā)射和接收模塊中，單片機(jī)需分配合適的引腳與905芯片和傳感器連接，單片機(jī)引腳分配見(jiàn)表1。

表1 單片機(jī)引腳分配

3 壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 串口調(diào)試

在硬件準(zhǔn)備搭建完成后，在PC中寫(xiě)好程序，通過(guò)串口和單片機(jī)通信，采用STC-ISP軟件進(jìn)行程序燒錄，調(diào)試中選取MCU-TOOLS超級(jí)單片機(jī)工具，讀取串口數(shù)據(jù)來(lái)顯示數(shù)據(jù)傳送和接收過(guò)程。

當(dāng)傳感器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，調(diào)試界面最后字節(jié)的8位數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出不同的值(低電平有效，表示對(duì)應(yīng)傳感器有故障)，圖2列舉了兩種狀態(tài)下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，圖2a表示第4和第6傳感器出現(xiàn)故障時(shí)的代碼，圖2b表示所有傳感器狀態(tài)正常時(shí)的代碼。

a. 傳感器有故障時(shí)

b. 傳感器正常時(shí)

3.2 LabVIEW監(jiān)測(cè)程序

LabVIEW程序主要包括串口初始化、讀串口數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、顯示數(shù)據(jù)、寫(xiě)串口數(shù)據(jù)、串口結(jié)束以及錯(cuò)誤輸出(沒(méi)有則不輸出)等模塊。主界面中的8個(gè)指示燈分別代表8個(gè)壓電陶瓷傳感器的狀態(tài)(圖3)。當(dāng)系統(tǒng)受到激振后，壓電傳感片(壓電陶瓷傳感器)在正常狀態(tài)下會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電壓值，被設(shè)定為初始值。人為斷開(kāi)傳感器模擬壓電陶瓷碎裂或被擊穿或接線脫落狀態(tài)故障，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)處理后，由相應(yīng)的指示燈是否點(diǎn)亮來(lái)監(jiān)測(cè)各個(gè)壓電片的狀態(tài)，具體監(jiān)測(cè)過(guò)程可由傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)后面板顯示(圖4)。

圖3 傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)主界面(前面板)

圖4 傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)后面板

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)壓電陶瓷傳感器的特點(diǎn)，基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一種傳感器狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)的方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)多個(gè)傳感器狀態(tài)，計(jì)算量小、可靠性高，將為后續(xù)的壓電智能結(jié)構(gòu)的無(wú)線振動(dòng)主動(dòng)控制研究奠定良好的基礎(chǔ)。