梁幫偉，韋佳宏，劉 沖，張志新

(1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116024;

2.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧 大連116024;3.大連大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116622)

0 引 言

傳感器節(jié)點綜合傳感器、嵌入式等技術(shù)被廣泛應(yīng)用在生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家庭自動化等領(lǐng)域。將傳感器節(jié)點應(yīng)用于鋼軌振動監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)可用于分析鋼軌振動特性與損傷特征(折斷、磨損、裂紋等)之間的對應(yīng)關(guān)系。故障節(jié)點會產(chǎn)生并傳輸錯誤數(shù)據(jù)，這將消耗節(jié)點的能量和帶寬，甚至?xí)?dǎo)致形成錯誤的決策［1］。由于傳感器節(jié)點集成多種功能，需要煩瑣的測試才能查明故障，現(xiàn)場測試或維修必然耗時耗力［2，3］。因此，在節(jié)點現(xiàn)場應(yīng)用之前，需對其數(shù)據(jù)采集功能進行測試。目前針對節(jié)點采集性能測試的一種普遍方法是將信號發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號輸入給傳感器節(jié)點［4～6］，通過比較標(biāo)準(zhǔn)輸入與節(jié)點輸出來判定節(jié)點性能。但是信號發(fā)生器提供的標(biāo)準(zhǔn)輸入大都是簡單周期信號，不能很好地反映節(jié)點對非穩(wěn)態(tài)瞬變信號的響應(yīng);另一種方法是將節(jié)點和標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備同時安裝在測試現(xiàn)場，通過比較兩者輸出來判定節(jié)點數(shù)據(jù)采集正確與否。這種方法可靠程度高，但是需要現(xiàn)場安裝，測試周期長，效率低，不適合大規(guī)模測試。

本文設(shè)計了用于檢測傳感器節(jié)點工作性能的振動測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)能產(chǎn)生穩(wěn)定的振動測試信號并輸出至傳感器節(jié)點。通過對節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行時頻分析，可以對節(jié)點的工作性能進行判定，避免了因故障發(fā)現(xiàn)不及時而造成的決策失誤和不必要的現(xiàn)場維修。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

測試系統(tǒng)由控制單元、功率放大器、激振器、簡支梁以及監(jiān)控軟件構(gòu)成?？刂茊卧蒑SP430 單片機輸出激勵信號，信號經(jīng)功率放大器增益后驅(qū)動激振器振動，激振器動子部分激振簡支梁使之產(chǎn)生形變和振動。簡支梁表面安裝有應(yīng)變傳感器和加速度傳感器，傳感器信號經(jīng)由傳感器節(jié)點發(fā)送到上位機監(jiān)控軟件，通過監(jiān)控軟件上顯示的數(shù)據(jù)和曲線來判斷傳感器節(jié)點是否正常運行。

1.1 控制單元設(shè)計

控制單元設(shè)計包括供電模塊設(shè)計、主控模塊設(shè)計及其軟件設(shè)計。供電模塊實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，給主控模塊提供穩(wěn)定的供電電壓;主控模塊由MSP430 單片機產(chǎn)生激勵信號和其他控制信號。

1.1.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊選擇MSP430 單片機作為控制芯片，實現(xiàn)對信號頻率、幅值以及激振時長等的設(shè)定。單片機通過程序控制經(jīng)引腳P3.0 輸出方波信號。方波信號的頻率10 Hz，持續(xù)10 s。

根據(jù)測試的需要，并參考運營列車實際經(jīng)過的頻率，激振周期可在2，5，10，20 min 這4 個檔位之間進行調(diào)節(jié)。電路控制原理如圖1 所示。5 V 電壓經(jīng)過兩路電阻器和開關(guān)后接地。開關(guān)S1 和S2 的開關(guān)狀態(tài)決定了4 種輸入，即0x00，0x01，0x10 和0x11，分別對應(yīng)著上述4 種時間周期。

圖1 激振周期選擇電路Fig 1 Circuit for selecting exciting period

1.1.2 軟件設(shè)計

程序流程見圖2。首先進行系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘、引腳、定時器和看門狗初始化。然后程序進入主函數(shù)，查詢開關(guān)S1 和S2 的狀態(tài)。依據(jù)查詢結(jié)果，程序選擇運行某一激振周期。當(dāng)觸發(fā)時間滿足設(shè)定要求，系統(tǒng)進入中斷程序，由引腳P3.0 輸出方波信號，輸出限定的方波周期后跳出中斷，繼續(xù)查詢開關(guān)狀態(tài)。

1.1.3 供電模塊設(shè)計

主控模塊設(shè)計為5 V 直流電源供電，需要對外部220 V交流輸入進行轉(zhuǎn)換。電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3 所示。

首先對220V 輸入電壓進行降壓，變壓器T1 的匝數(shù)比為25∶1，經(jīng)過變壓后的電壓V=220 V/25≈9 V;變壓之后的電源仍為交流，選用4 只1N4001 二極管組成全橋整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流;整流后電壓波動大，選用1 000 μF 的電容器C1 進行濾波。濾波電容器的設(shè)計應(yīng)滿足C1≥(1.5～2.5)/fR［7］，f 為輸入交流電的頻率，R 為負(fù)載的等效電阻。最后通過穩(wěn)壓芯片LM7805，輸出5 V 直流電壓，使電壓的穩(wěn)定性大大提高。

圖2 程序流程圖Fig 2 Program flow chart

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig 3 Voltage converting circuit

1.2 功率放大器和激振器的選擇

功率放大器的作用是將來自信號源的小功率信號放大，供給激振器驅(qū)動線圈足夠的驅(qū)動電源。根據(jù)信號源的特點和激振器的輸入要求，選擇某公司功率放大器。其額定功率為100 W，最大輸出電流10 A，最大輸出電壓10 V，增益30 dB。

測試系統(tǒng)中激振器用于激勵簡支梁，使其產(chǎn)生變形和振動，從而提供信號給應(yīng)變片和加速度傳感器。根據(jù)軟件仿真和實驗調(diào)試，最終選擇某公司的激振器。其額定出力50 N，額定電流5 A，力常數(shù)10 N/A，最大振幅±3 mm。實驗測試中，可以通過調(diào)節(jié)線圈中電流的大小來改變激振力的大小。

1.3 簡支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

簡支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4 所示。支架采用可以靈活多變組合的支吊架系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠，安裝快速簡便;簡支梁材料為45#鋼，具有一定強度和剛度;由于測試中激振器主要用于低頻激振，所以，激振器通過激振器座固定在支架上，不僅保證了在激振過程中激振器與簡支梁的相對位置不變，又增加了測試系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。激振器直接激勵梁的中間位置，所以，此處的梁的形變和瞬間加速度也最大，實驗效果比較明顯。因此，將電阻應(yīng)變片和加速度傳感器固定安裝在梁的中間位置，并通過信號線將應(yīng)變信號和加速度信號引出至傳感器節(jié)點。

2 系統(tǒng)應(yīng)用測試

搭建測試系統(tǒng)，連接儀器設(shè)備和傳感器節(jié)點單元，設(shè)定采集參數(shù)后開始測試，如圖4 所示。傳感器節(jié)點單元由大連理工大學(xué)開發(fā)，用于采集輪軌激勵下鋼軌的振動信號，內(nèi)有動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點和加速度采集節(jié)點。

圖4 測試系統(tǒng)搭建Fig 4 Build up testing system

2.1 動態(tài)應(yīng)變采集節(jié)點測試

測試過程中緩慢旋轉(zhuǎn)功率放大器的增益旋鈕，使流過激振器的電流達(dá)到1 A。在激振器的激振過程中，簡支梁受力示意圖如圖5 所示。

圖5 簡支梁受力示意圖Fig 5 Force diagram of simply supported beam

集中力F 作用于梁A，B 中間位置L/2 處。容易計算出此處梁所受的彎矩為M=KdFL/4，Kd為梁在沖擊載荷下的動荷因數(shù)。

由于h≥2b，所以，這里忽略彎曲切應(yīng)力的影響。當(dāng)激振器電流為1 A 時，出力F=10 N，L=520 mm，b=50 mm，h=3 mm，Kd經(jīng)計算取1.15，查表可得45#鋼的彈性模量E=210 GPa。帶入以上值，得

在相同工況下，由動態(tài)應(yīng)變節(jié)點和標(biāo)準(zhǔn)測試儀器分別測得5 組動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，取每組數(shù)據(jù)峰值的最大值作為分析依據(jù)，記錄見表1(由于實驗時間較短，而且是在室內(nèi)進行，不考慮溫度的影響。)

表1 動態(tài)應(yīng)變最大峰值Tab 1 Maximum peak value of dynamic strain

由表1 分析可知，動態(tài)應(yīng)變傳感器節(jié)點測得該工況下的采集的應(yīng)變平均值為90.14×10－6(傳感器單元測量精度在±10×10－6以內(nèi))，由標(biāo)準(zhǔn)儀器測得的應(yīng)變平均值為93.01×10－6，這與理論計算所得的數(shù)值基本一致，可以認(rèn)為節(jié)點數(shù)據(jù)采集正常;反之，如果在同樣工況下，節(jié)點采集值偏差較大，便即可判斷節(jié)點內(nèi)部發(fā)生故障，暫不能應(yīng)用于測試現(xiàn)場。

2.2 加速度采集節(jié)點測試

測試過程中旋轉(zhuǎn)功率放大器的增益旋鈕，使流過激振器的電流達(dá)到1 A。由加速度傳感器節(jié)點和標(biāo)準(zhǔn)測試儀器分別采集5 組加速度數(shù)據(jù)，取每組數(shù)據(jù)中正向最大峰值記錄見表2。

表2 加速度正向最大峰值Tab 2 Maximum peak value of acceleration in forward direction

對一組加速度數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，得到簡支梁振動的幅頻特性曲線。

由表2 中的數(shù)據(jù)可知，加速度節(jié)點采集到的峰值略小于標(biāo)準(zhǔn)儀器的采集值，但是基本一致，這是由于傳感器節(jié)點的頻響范圍較窄造成的峰值衰減。由圖6 可知，經(jīng)過傅里葉變換，二者所得結(jié)果趨于一致，均在300～500 Hz 和900～1 100 Hz頻率范圍內(nèi)幅值最大。通過分析另外4 組數(shù)據(jù)，也有一樣的結(jié)果。這說明在設(shè)定的參數(shù)下，系統(tǒng)在這2 個頻帶內(nèi)的能量最高。所以，如果在相同工況下，傳感器節(jié)點采集到的正向峰值遠(yuǎn)離90 gn，并且通過幅頻特性分析，最大能量沒有落在300～500 Hz 和900～1 100 Hz 頻率范圍內(nèi)，可判斷傳感器節(jié)點出現(xiàn)異常。

圖6 幅頻特性曲線Fig 6 Amplitude-frequency characteristics curve

3 結(jié) 論

本文基于MSP430 單片機開發(fā)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了用于測試傳感器節(jié)點工作性能的振動測試系統(tǒng)?？梢栽诠?jié)點投入使用前對其進行測試。該測試系統(tǒng)由控制單元、激振器、簡支梁結(jié)構(gòu)等組成。通過對比試驗，該測試系統(tǒng)實用性強，運行可靠，能夠給傳感器節(jié)點提供穩(wěn)定有效的振動測試信號，檢測效率高，故障發(fā)現(xiàn)及時，對故障檢測具有指導(dǎo)意義。

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