喬卿陽，王競，張婷

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自組網(wǎng)無線動態(tài)應(yīng)變檢測節(jié)點設(shè)計

喬卿陽，王競，張婷

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文設(shè)計了高精度自組網(wǎng)無線動態(tài)應(yīng)變采集電路。設(shè)計采用TI公司的ZIGBEE解決方案進(jìn)行無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建立，采用恒流式電橋提高傳感器的抗干擾能力和精度，并進(jìn)行ADC驅(qū)動電路的分析設(shè)計，并進(jìn)行現(xiàn)場實驗。實驗表明該方案具有較好的環(huán)境適應(yīng)性、可維護(hù)性并具有優(yōu)異的采集精度，可以滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分布式疲勞測試。

自組網(wǎng) 態(tài)應(yīng)變 恒流式電橋

0 引言

現(xiàn)代產(chǎn)品競爭要求產(chǎn)品在同樣的結(jié)構(gòu)下具有更好的效率、壽命、可維護(hù)性和可制造性。靜態(tài)結(jié)構(gòu)和疲勞測試可以很好的為以上問題提供解決方法。生產(chǎn)周期和成本控制要求急需新的測試方法來縮短測試周期和測試成本?，F(xiàn)代測試方法面臨的挑戰(zhàn)主要包括以下幾個方面：測試點的增加、合理的測試點布局和識別、減小測試的不確定性、復(fù)雜結(jié)構(gòu)測試的線纜布置和測試裝置的靈活性[1]。

本文設(shè)計的高精度無線動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點采用ＴＩ的ＺＩＧＢＥＥ硬件解決方案進(jìn)行自組網(wǎng)無線局域網(wǎng)絡(luò)的組建，采用高精度Δ－Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器輔以精密信號調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具有自組網(wǎng)絡(luò)、體積小、安裝靈活、采集精度高的特點，能夠有效解決傳統(tǒng)采集方式的以上問題，適用于對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞測試的場合。

1 數(shù)據(jù)采集電路

本文設(shè)計的無線動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集電路和無線發(fā)射電路。由于ZiGBEE的傳輸速率限制，在數(shù)據(jù)采集電路和無線發(fā)射電路之間設(shè)計數(shù)據(jù)緩沖電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩沖存儲。

數(shù)據(jù)采集電路由電橋電路、ADC驅(qū)動電路、基準(zhǔn)源電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。本設(shè)計采用日本AKM公司的24位高性能Δ－Σ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AK5393vs進(jìn)行采集電路設(shè)計。AK5393vs的無雜散動態(tài)范圍達(dá)到117dB，信噪比也達(dá)到117dB，并且采用差分輸入方式，其兩對模擬輸入通道實現(xiàn)完全隔離，可滿足設(shè)計的要求。AK5393vs自帶抗混跌濾波器并具有過采樣功能，可以大大簡化驅(qū)動電路設(shè)計。另外其完全隔離的兩路高精度輸入可以保證采集精度[2]。ADC控制電路可設(shè)計如下：

應(yīng)變采集有機(jī)械式、涂層方法、光纖和金屬箔式應(yīng)變片四種方法。機(jī)械式精度較低、涂層和光纖則對布置環(huán)境有較高要求只可在實驗室實現(xiàn)。而金屬箔式應(yīng)變片具有較長的壽命、精度和動態(tài)特性，故本設(shè)計采用120Ω金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行電橋組建。電橋激勵可分為電壓源激勵與電流源激勵兩種[1]。電壓源激勵電橋抗干擾能力差并且伴隨引線距離的增加衰減比較嚴(yán)重。而電流源激勵電橋可以很好地解決以上問題[3]。

恒流源輸出電流

即恒流源輸出電流不得大于41mA，在實際設(shè)計中考慮到電橋功耗要求

若采用40mA驅(qū)動電流，則功耗Pbrg=0.192W，若驅(qū)動電流為20mA，則功耗將為0.048W，此時共模電壓

輸入電壓滿足ADC的輸入電壓要求，若ADC采用2.5 V基準(zhǔn)電壓源，輸入電壓可以基本達(dá)到滿量程輸入。

由于電橋采用雙端輸出差分輸入，等長引線引起的寄生電壓即共模噪聲可以很好的抑制。而動態(tài)應(yīng)變由于采樣頻率較高，溫漂效應(yīng)對應(yīng)變影響較小可以忽略[4]。由于采用電流源方式，此橋路采用半橋方式以簡化電路設(shè)計及布局。

恒流源采用TI公司的REF200和OPA602組合方案來實現(xiàn)。

圖上的板橋電路考慮了引線電阻的影響。假設(shè)引線長度相同則引線電阻Rl相同，兩個可變橋臂的特性參數(shù)相同，應(yīng)變片的特性參數(shù)為g，則半橋應(yīng)變輸出電壓：