徐 濤，陳 赫，盧少微，馬克明

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136)

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，聚合物基復(fù)合材料逐漸成為了飛機(jī)主要的外殼制作材料，這種材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性高、易于成形等優(yōu)良特點(diǎn)，滿足了先進(jìn)飛機(jī)對(duì)材料性能的要求，隨著飛機(jī)使用時(shí)間的增加，復(fù)合材料容易在表面或者內(nèi)部出現(xiàn)微觀的結(jié)構(gòu)受損，其損傷位置隱蔽，難于察覺(jué)，顯著降低了復(fù)合材料的可靠行，對(duì)飛行器的飛行安全造成隱患[1-6]。碳納米紙薄膜具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、機(jī)械特性、化學(xué)特性和傳熱性能，為復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用提供了巨大的潛力并引起了人們的廣泛關(guān)注[7-10]。根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，碳納米管可以與其他材料混合，改變其物理和化學(xué)性質(zhì)[11]，可以采用噴涂或者粘貼的方式與復(fù)合材料無(wú)縫接觸[12-13]，當(dāng)復(fù)材在載荷作用下發(fā)生沖擊形變時(shí)，碳納米管由于內(nèi)部隧穿效應(yīng)和碳納米管在接觸長(zhǎng)度和接觸面積之間發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻發(fā)生改變，根據(jù)薄膜的電阻變化情況分析復(fù)合材料的應(yīng)變損傷程度[14-16]，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析表明碳納米管薄膜傳感器具有良好的檢測(cè)沿光纖方向損傷情況的能力[17-21]。

目前所使用的34401A萬(wàn)用表用來(lái)測(cè)量碳納米紙傳感器的電阻值精度很高，但是采集頻率低，本次設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)顯著提高了采集頻率，可以對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。因此，開(kāi)發(fā)一種碳納米紙傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)于復(fù)合材料的應(yīng)變損傷檢測(cè)具有十分重要的意義。

1 傳感器機(jī)理

碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)中的碳納米管相互交錯(cuò)疊加在一起，彼此之間相互接觸，碳納米管薄膜內(nèi)部電阻R由2部分構(gòu)成，一部分為本身自帶的電阻R1，另一部分為碳納米管之間彼此接觸而產(chǎn)生的電阻R2，總電阻R表示如下形式：

R=μ1R1+μ2R2

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μi為常系數(shù)；Li為參與導(dǎo)電的碳納米管的有效長(zhǎng)度；Ai為參與導(dǎo)電的碳納米管的有效橫截面積；T為溫度；R1為碳納米管的自身電阻；R2為碳納米管之間的接觸電阻；J1為碳納米管接觸處的寬度；J0為隧道勢(shì)壘的高度；ω0為電子頻率;A、B、η、kA為常系數(shù)。

由電子遂穿效應(yīng)理論得知，碳納米管薄膜的形變量與電阻成線性正相關(guān)，由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電特性，在分析時(shí)可以忽略碳納米管自身電阻R1，R近似等于R2[22]。

R=μ2R2

(5)

2 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

碳納米紙傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及上位機(jī)界面4部分組成，將直徑為3 cm的碳納米紙與復(fù)合材料一體成型，當(dāng)復(fù)合材料表面或內(nèi)部發(fā)生破損時(shí)會(huì)發(fā)生形變進(jìn)而導(dǎo)致貼附在材料表面的碳納米紙發(fā)生形變，將1 mA的恒流源電路連接到傳感器直徑的2個(gè)端點(diǎn)處，使用導(dǎo)電銀漿把導(dǎo)線與傳感器固定在一起，當(dāng)傳感器發(fā)生形變時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電阻發(fā)生變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換微弱的電壓信號(hào)。微弱的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大以后傳輸?shù)紸D7606中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)進(jìn)行處理，可以把實(shí)時(shí)采集到電阻值存儲(chǔ)到MicroSD卡中，并且通過(guò)以太網(wǎng)通信方式，把信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)LabVIEW中，可以觀察到實(shí)時(shí)變化的電阻值曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料表面損傷情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握被測(cè)材料的損傷狀態(tài)，對(duì)突發(fā)情況做出及時(shí)的判斷與處理。圖1為采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

圖1 采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源供電端口采用MiniUSB與直流電源雙電源供電模式，可以直接得到5 V直流電源，電源波動(dòng)范圍在2%以內(nèi)，可以為放大器OPA340提供電源；5 V直流電源經(jīng)過(guò)MT3608升壓芯片后可以得到7 V直流電源；7 V直流電源經(jīng)過(guò)ADM660電壓正負(fù)轉(zhuǎn)換芯片得到-7 V直流電源，可以為放大器OP07提供電源；7 V直流電源經(jīng)過(guò)REF02穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的5 V直流電源，可以為恒流源提供電源，電源紋波顯著減??；5 V直流電源經(jīng)過(guò)ASM1117-3.3降壓芯片得到3.3 V直流電源，可以為主控芯片以及外圍數(shù)字電路供電；ADR421電源芯片可以提供2.5 V基準(zhǔn)電源，作為片外A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考電源；ADR130電源芯片可以得到0.5 V基準(zhǔn)電源，為放大電路提供固定基準(zhǔn)電源。經(jīng)實(shí)際測(cè)量得到結(jié)果和我們需要的結(jié)果一致，誤差在1%以內(nèi)，滿足了使用的需求，可以為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的電源。圖2為電源模塊設(shè)計(jì)。

2.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)使用8路信號(hào)調(diào)理電路，可以同時(shí)多通道采集傳感器信號(hào)。

2.1.1 恒流源電路

恒流源電路由放大器OPA340、三極管MMBT3904和MMBT3906組成，由5 V和2.5 V基準(zhǔn)電源兩路輸入電源供電，由于基準(zhǔn)電壓芯片輸出電壓噪聲低，電壓精度高，芯片功耗低，因此產(chǎn)生的恒流源相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)節(jié)元器件J7處的滑動(dòng)變阻器的阻值改變恒流源輸出值，本次設(shè)計(jì)采用1 mA恒流源，Q2和Q7三級(jí)管組合成達(dá)林頓體系結(jié)構(gòu)，可以增加恒流源的帶載能力減小功率損耗，完成碳納米紙的電阻到電壓的轉(zhuǎn)化。圖3為恒流源電路設(shè)計(jì)。

2.2.2 放大電路

傳感器采集的電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)恒流源以后變成微弱的電壓信號(hào)，所以需要放大后才能被后續(xù)電路所使用。采用減法放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，放大器采用OP07，具有低噪聲、低失真、高增益、正負(fù)信號(hào)雙區(qū)間放大等特點(diǎn)，供電端由+7 V和-7 V雙電源供電，OP07在出廠時(shí)就做過(guò)調(diào)零處理，一般情況下可以不需要調(diào)零，在要求精密輸出的條件下，可以在放大器的1和8引腳之間增加一個(gè)20 kΩ左右的可變電阻，當(dāng)放大器的輸入端為0時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻使放大器的輸出值為0，即完成調(diào)零工作。誤差來(lái)源主要是電阻器件的精確度，誤差范圍在2%以內(nèi)，可以在后面的軟件設(shè)計(jì)中減小或者消除此誤差，使測(cè)量結(jié)果更加精確。圖4為放大電路設(shè)計(jì)。

圖2 電源模塊設(shè)計(jì)

圖3 恒流源電路設(shè)計(jì)

圖4 放大電路設(shè)計(jì)

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AD7606作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，AD7606可以8路同步采樣輸入，5 V單電源供電，2.5 V片外基準(zhǔn)電源提供A/D芯片所用的參考電源，具有16位轉(zhuǎn)換精度，最高轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到200 kHz，AD7606的模擬輸入有±10 V和±5 V兩種，本次設(shè)計(jì)采用±5 V模擬輸入量程，無(wú)倍頻采集。轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字信號(hào)采用并行通信的方式傳輸?shù)組CU中，大大提高了信號(hào)傳輸?shù)乃俣?，并在控制器中進(jìn)行處理和分析。圖5為A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。

2.4 MUC最小系統(tǒng)以及外圍功能電路

2.4.1 最小系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用STM32F407芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，STM32F407芯片硬件架構(gòu)Cortex-M4，具有功耗低、速度快、成本低、軟件開(kāi)發(fā)周期快等特點(diǎn)，在其最小系統(tǒng)中外接32.768 kHz低速晶振作為系統(tǒng)的LES時(shí)鐘源為RTC提供時(shí)鐘，外接8 MHz高速晶振作為系統(tǒng)的HES時(shí)鐘源為MUC提供系統(tǒng)時(shí)鐘；紐扣電池的設(shè)計(jì)可以使RTC時(shí)鐘在掉電之后還能運(yùn)行；復(fù)位開(kāi)關(guān)采用手動(dòng)復(fù)位方式，可以使系統(tǒng)復(fù)位重置；JTAG電路的設(shè)計(jì)可以為數(shù)字電路提供電源以及下載程序；預(yù)留串行通信接口，可以在PC中的串口助手軟件觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或代碼，方便后續(xù)程序調(diào)試。圖6為STM32F407最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖6 STM32F40最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.4.2 MicroSD卡模塊

MicroSD卡具有數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀取速度快，支持熱插拔，容量大，體積小攜帶方便等優(yōu)良特性，非常適合在便攜式裝置上使用，圖7為MicroSD卡模塊設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用MicroSD卡作用外接存儲(chǔ)設(shè)備，可以把采集到的電阻值數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在里面，MicroSD卡模塊的設(shè)計(jì)可以使數(shù)據(jù)更加快捷的存儲(chǔ)，且安全高效，在軟件設(shè)計(jì)中添加了FATFAS文件系統(tǒng)模塊，其獨(dú)立于硬件架構(gòu)，可移植性高，具有較高的可配置性，最小配置僅使用1 KB的RAM空間，非常適用于嵌入式系統(tǒng)，可以把數(shù)據(jù)保存成文本文件，然后直接用讀卡器通過(guò)PC讀取文件，方便在安裝windows系統(tǒng)的PC和嵌入式設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。

2.4.3 以太網(wǎng)模塊

本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行下位機(jī)與上位機(jī)的通信，以太網(wǎng)通信功能主要通過(guò)移植小型高效的TCP/IP協(xié)議棧LWIP來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與TCP協(xié)議相比省略了握手、確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制等機(jī)制，大大加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度。采用3.3 V電源供電，外接25 MHz高速晶振，網(wǎng)線接線端口采用HR911105A接口,其內(nèi)部具有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，可以使信號(hào)在傳輸過(guò)程中不容易受到干擾，傳輸信號(hào)穩(wěn)定，另外在接口處有綠色和黃色2個(gè)指示燈，黃燈閃爍代表數(shù)據(jù)正在傳輸，綠燈常亮表示連接正常。圖8為以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)。

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件程序是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，在keil5環(huán)境下編輯和仿真調(diào)試，方便在庫(kù)函數(shù)的基礎(chǔ)上移植和修改，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。首先初始化系統(tǒng)運(yùn)行所用到的時(shí)鐘、I/O口以及外設(shè)(MicroSD卡、AD7606、LAN8720)，設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級(jí)分組，設(shè)置定時(shí)器定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，進(jìn)行AD7606的采集與轉(zhuǎn)換，打開(kāi)文件系統(tǒng)，把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到MicroSD卡中，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，結(jié)束后關(guān)閉文件系統(tǒng)，完成一次數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸。圖9為系統(tǒng)軟件流程圖。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖7 MicroSD卡模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW圖形化軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，與下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信方式通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，只需要輸入端口號(hào)就可以連接，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)傳感器的電阻變化情況的功能，圖10為L(zhǎng)abVIEW前面板設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)同步PC端的時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)4通道和8通道波形圖表的切換，滿足多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，拓寬了使用范圍，在波形圖表中可以直觀地看到電阻值曲線，另外在圖表下方增加了實(shí)時(shí)顯示傳感器的電阻數(shù)值的功能，可以與圖表曲線進(jìn)行對(duì)比，精確讀數(shù)。在對(duì)碳納米紙傳感器電阻的變化情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，可以把采集的電阻值數(shù)據(jù)以TDMS形式實(shí)時(shí)保存到PC機(jī)上，并且可以更改保存路徑，方便讀取和使用。綜合分析出被測(cè)材料的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料在受力形變過(guò)程中的健康狀況。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)整體調(diào)試完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)為測(cè)量值。采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電阻采樣最大范圍在0～1 000 Ω，而碳納米紙傳感器的電阻變化范圍在0～200 Ω，可以滿足使用需求。將與復(fù)合材料一體成型后的碳納米紙傳感器兩端引出兩根導(dǎo)線，接在采集器的采集端口處，分別用不同程度的彎曲應(yīng)力作用在復(fù)合材料上，同時(shí)觀察上位機(jī)界面電阻值曲線的變化情況，圖11為通道1采集電阻值的曲線，可以發(fā)現(xiàn)電阻值隨著形變大小而產(chǎn)生相應(yīng)的正相關(guān)特性，并把數(shù)據(jù)保存在TDMS文件中，插入MicroSD卡后，數(shù)據(jù)也可以保存在卡中，方便數(shù)據(jù)的比較與分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)利用34401A萬(wàn)用表進(jìn)行同步測(cè)量，萬(wàn)用表所采集的電阻數(shù)據(jù)為實(shí)際值，把記錄的結(jié)果與采集器所采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖8 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

圖10 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

圖11 通道1采集電阻值曲線

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，采集器所測(cè)量的電阻值與34401A萬(wàn)用表所測(cè)量的電阻實(shí)際值相比，最小誤差率僅為0.88%，最大誤差率為2%，平均誤差為1.416%?？梢越品从吵鎏技{米紙傳感器真實(shí)的電阻值，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，可以正確檢測(cè)出復(fù)合材料的損傷情況，進(jìn)而整體掌握飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)健康狀況。

表1 通道1的測(cè)量值與實(shí)際值數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)碳納米紙傳感器的動(dòng)態(tài)特性分析要求，本文設(shè)計(jì)了一款以碳納米紙作為傳感器，STM32F407單片機(jī)作為主控芯片，AD7606作為A/D模塊轉(zhuǎn)換芯片的信號(hào)采集器，并通過(guò)LabVIEW上位機(jī)界面可以觀察到電阻值曲線，直觀地反映出復(fù)合材料的健康狀況，并將采集結(jié)果儲(chǔ)存在MicroSD卡和TDMS數(shù)據(jù)文件中，通過(guò)與34401A萬(wàn)用表所測(cè)量的電阻值進(jìn)行比較，測(cè)量誤差低于2%，數(shù)據(jù)采集結(jié)果穩(wěn)定性高，滿足高頻數(shù)據(jù)采集環(huán)境的需求，為下一步碳納米紙傳感器應(yīng)用于飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。