何 鋒，儲(chǔ)建華，宋小波，劉忠杰，畢世書，李 芬

(1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164;2.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164)

0 引言

輸油管道因腐蝕和打孔盜油造成的石油泄漏嚴(yán)重影響輸油管道安全并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，需要進(jìn)行連續(xù)不間斷的輸油管道監(jiān)測(cè)。常規(guī)安全監(jiān)測(cè)主要靠人工沿管線定時(shí)巡視和讀取數(shù)據(jù)，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且不能保證實(shí)時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，對(duì)管道的安全運(yùn)行十分不利。近年來，有學(xué)者提出了一種Zig Bee和GPRS混網(wǎng)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)［1］來監(jiān)控管網(wǎng)狀態(tài)，存在費(fèi)用高的特點(diǎn)，針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)出一種新型帶有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的壓力傳感器，能連續(xù)不間斷有效監(jiān)測(cè)管道內(nèi)流體的正面沖擊的瞬時(shí)壓力和對(duì)管壁的作用力，利于油田計(jì)量站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度。

針對(duì)多維力的測(cè)量，有不同學(xué)者提出了多種結(jié)構(gòu)，其中有 Stewart式平臺(tái)結(jié)構(gòu)［2］、一板兩桿式結(jié)構(gòu)［3］、直角組合型結(jié)構(gòu)［4］等。本文采用了十字梁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈性體設(shè)計(jì)和測(cè)量原理，以及傳感器的無線射頻傳輸和數(shù)據(jù)處理流程。最后給出了傳感器標(biāo)定的方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

傳感器由彈性體機(jī)械部分和信號(hào)處理系統(tǒng)兩大部分組成。彈性體機(jī)械部分如圖1所示，主要由彈性接觸裝置、彈性體梁裝置和固定裝置三部分組成。信號(hào)處理系統(tǒng)包括測(cè)量電路、無線傳輸電路、數(shù)據(jù)采集放大電路、應(yīng)用軟件等幾部分。傳感器處理電路和彈性體集成為一個(gè)傳感器本體，使用CMOS電池進(jìn)行供電，傳感器整體進(jìn)行密封操作，能長期置于管道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)傳感器采用LY12硬鋁材料，彈性模量E為70×109N/m2，泊松比 μ為0.3，密度為2.7×103kg/m3，內(nèi)外徑分別為38，54 mm，彈性接觸頭內(nèi)外徑分別為38，34 mm，傳感器的壓力量程為±150 N。

1.2 傳感器彈性體設(shè)計(jì)與測(cè)量原理

如圖2所示，在彈性體的十字梁上對(duì)稱貼上箔式電阻應(yīng)變計(jì)，橫軸與縱軸梁上的4個(gè)應(yīng)變計(jì)電阻組成惠斯通全橋電路(見圖3)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的自動(dòng)解耦。應(yīng)變計(jì)間使用直徑25μm的細(xì)銅線焊接。

圖1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Mechanical configuration diagram of the sensor

圖2 傳感器貼片示意圖Fig 2 Arrangement of the stain gauge

圖3 箔式應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通全橋電路Fig 3 Wheatstone bridge formed by the foil strain gauge

傳感器受到外力作用時(shí)，由于力的大小方向的不同，各個(gè)方向的應(yīng)變計(jì)受到的應(yīng)力也不一樣，根據(jù)應(yīng)變計(jì)的電阻變化，可以得到力與應(yīng)變的關(guān)系。

由于電阻變化值ΔRFn正比于傳感器的力信號(hào)，因此，橋路的輸出電壓信號(hào)隨外力改變而變化，測(cè)量輸出電壓信號(hào)就可以得到被測(cè)目標(biāo)的力信號(hào)。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

2.1 無線傳輸電路和采集放大電路

由于傳感器長期置于管道內(nèi)，采用無線射頻模塊NRF2401［5］進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)試器等功能模塊，輸出功率和通信頻道能通過程序進(jìn)行配置，芯片功耗低，工作電流只有10.5 mA，接收信號(hào)時(shí)工作電流僅僅為18 mA，適用于電池供電的場(chǎng)合，使用該芯片對(duì)傳感器A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答式傳輸，能夠滿足傳感器信號(hào)傳輸?shù)男枨?。采集放大電路使用MSP430F1232 芯片［6，7］來完成 A/D 轉(zhuǎn)換、標(biāo)定計(jì)算、力值輸出、無線芯片控制等功能，具體的電路圖見圖4。

圖4 傳感器信號(hào)處理電路圖Fig 4 Signal processing circuit of the sensor

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電工作后，在主程序中進(jìn)行芯片AD引腳數(shù)據(jù)采集，得到當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，當(dāng)主程序監(jiān)聽到上位機(jī)傳來的呼叫數(shù)據(jù)指令后，將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過ID號(hào)來識(shí)別不同的傳感器，以達(dá)到同時(shí)監(jiān)控各類不同傳感器的目的。單片機(jī)軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)工作流程圖Fig 5 Working flow chart of the SCM

3 傳感器標(biāo)定

對(duì)管道壓力傳感器標(biāo)定過程中，對(duì)施加在傳感器力(F)和力矩(M)兩條梁上的載荷和敏感橋路的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量值(AD碼值)與所加N數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6(a)，(b)所示。從圖6(a)，(b)中可以看出:傳感器加力時(shí)，所受載荷和傳感器敏感橋路之間的映射關(guān)系基本上具有較好的線性度，傳感器誤差為2.1%。通過標(biāo)定可知，傳感器靈敏度、線性、重復(fù)性和滯后的指標(biāo)均與設(shè)計(jì)要求一致。

4 結(jié)論

本文研究了一種用于石油管道壓力檢測(cè)的傳感器，該傳感器使用了無線信號(hào)進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)功耗低，安裝方便，適于多管網(wǎng)流體傳輸情況的集中監(jiān)控，對(duì)油田計(jì)量站改進(jìn)生產(chǎn)效率，節(jié)省成本支出，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分析有著十分重要的意義。傳感器的性能測(cè)試和標(biāo)定結(jié)果分析表明:該結(jié)構(gòu)傳感器具有較好的線性度和靈敏度。

圖6 x軸F/M載荷與傳感器輸出數(shù)字值關(guān)系圖Fig 6 Relation diagrams of x-axis(M/F)load and output voltages(AD value)

［1］馬小強(qiáng)，張春業(yè)，張波，等.基于Zig Bee和GPRS的管道監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(5):128－130.

［2］Mote W L C D.Development and calibration of a sub-millimeter three-momponent force sensor［J］.Sensors and Actuators，1998，65:88－94.

［3］沈 輝，吉愛紅，顏化冰，等.一種二維力/扭矩傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(1):63－65.

［4］史 炎.用于摩擦系數(shù)測(cè)量的二維力傳感器［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2002(2):41－42.

［5］陳麗娟，常丹華.基于nRFID2401芯片的無線數(shù)據(jù)通信［J］.電子器件，2006，29(1):248－250.

［6］劉志平.基于MSP430和NRF2401的WSNs節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28(8):57－59.

［7］房澤平.基于雙MCU和nRF2401的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(8):25－27.