杜 菲 馬天兵

(安徽理工大學(xué)機械工程學(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，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動控制和損傷探測中。但壓電陶瓷較脆，受力過大時容易斷裂，電流過大時容易被擊穿，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)者針對傳感器的故障監(jiān)測進行了研究，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能力，但網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的計算量大，很難滿足實時性要求。筆者以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動多模態(tài)控制中的多組壓電片為研究對象，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，單片機作為下位機，集無線和串口通信技術(shù)來實現(xiàn)8個壓電片的狀態(tài)監(jiān)測，并通過實驗驗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)的振動檢測中，在有外界擾動時，梁、板或殼結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生振動，粘附在結(jié)構(gòu)基體上的壓電陶瓷傳感器會感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號，但如果傳感器本身出現(xiàn)故障，會造成檢測信號有所不同，因此，筆者設(shè)計了一種新型的壓電陶瓷傳感器狀態(tài)監(jiān)測方法。

壓電陶瓷傳感器在正常和故障情況下會呈現(xiàn)不一樣的檢測結(jié)果，該結(jié)果先通過放大濾波電路進行信號調(diào)理，然后由A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給含單片機的無線發(fā)射模塊，再由含單片機的無線接收模塊接收信號，通過串口與LabVIEW上位機通信，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)不正常時指示燈點亮，狀態(tài)正常時不亮，從而實現(xiàn)壓電陶瓷傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(圖1)。

圖1 壓電傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

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

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芯片將單片機系統(tǒng)板上5.0V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V輸出來給nRF905供電。同時在芯片左右兩側(cè)并聯(lián)100、10μF電解電容濾波增強濾波效果。

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SPI接口進行編程配置。在發(fā)射功率為-10dB時，發(fā)射電流僅為10.0mA，接收電流僅為12.5mA，總體來說，電流消耗較低，當(dāng)進入POWERDOWN模式時很容易實現(xiàn)節(jié)電節(jié)能。

2.3 STC89C52RC單片機與nRF905接口

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

表1 單片機引腳分配

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

3.1 串口調(diào)試

在硬件準(zhǔn)備搭建完成后，在PC中寫好程序，通過串口和單片機通信，采用STC-ISP軟件進行程序燒錄，調(diào)試中選取MCU-TOOLS超級單片機工具，讀取串口數(shù)據(jù)來顯示數(shù)據(jù)傳送和接收過程。

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

a. 傳感器有故障時

b. 傳感器正常時

3.2 LabVIEW監(jiān)測程序

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)、寫串口數(shù)據(jù)、串口結(jié)束以及錯誤輸出(沒有則不輸出)等模塊。主界面中的8個指示燈分別代表8個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)下會感應(yīng)出相應(yīng)的電壓值，被設(shè)定為初始值。人為斷開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，通過數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)處理后，由相應(yīng)的指示燈是否點亮來監(jiān)測各個壓電片的狀態(tài)，具體監(jiān)測過程可由傳感器狀態(tài)監(jiān)測后面板顯示(圖4)。

圖3 傳感器狀態(tài)監(jiān)測主界面(前面板)

圖4 傳感器狀態(tài)監(jiān)測后面板

4 結(jié)束語

根據(jù)壓電陶瓷傳感器的特點，基于LabVIEW設(shè)計了一種傳感器狀態(tài)無線監(jiān)測的方法，實驗證明該方法可實時地監(jiān)測多個傳感器狀態(tài)，計算量小、可靠性高，將為后續(xù)的壓電智能結(jié)構(gòu)的無線振動主動控制研究奠定良好的基礎(chǔ)。