何海森，錢璐帥，柴瑞武，陳 樂(lè)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引 言

微帶天線作為一種具有低剖面高度、較輕重量，易與物理結(jié)構(gòu)表面共形的諧振型天線，在各種便攜化、小型化的無(wú)線系統(tǒng)中均得到了廣泛的應(yīng)用[1]，以陶瓷作為介質(zhì)基片的微帶天線簡(jiǎn)稱為陶瓷天線[2]。饋電探針技術(shù)是一種能夠增加陶瓷天線傳輸效率和增加天線工作帶寬的有效方法，通過(guò)饋針對(duì)貼片進(jìn)行耦合饋電產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)，調(diào)節(jié)饋針的高度和長(zhǎng)度，可以使得駐波比小于2的帶寬達(dá)40%以上[3]，增大天線的工作帶寬。饋針的尺寸必須同時(shí)符合性能要求和陶瓷天線的安裝尺寸要求，因此陶瓷天線饋針的檢測(cè)十分重要。

在饋針生產(chǎn)過(guò)程中，鍍銀之前要進(jìn)行一次產(chǎn)品質(zhì)量初檢，由于陶瓷天線饋針的日產(chǎn)數(shù)量過(guò)萬(wàn)，如果初檢環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題那么會(huì)浪費(fèi)大量的鍍銀原材料，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。目前大部分廠家初檢工作都是由工人使用千分尺等工具抽檢目測(cè)完成的，人工初檢不僅效率低，同時(shí)由于存在漏檢，其檢測(cè)準(zhǔn)確性無(wú)法得到保障。而企業(yè)里常用的通用視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)[4]，其價(jià)格昂貴且安裝復(fù)雜，并不適用于饋針初檢。

同時(shí)，饋針的原材料成本較低，但是其所附著的陶瓷天線價(jià)值較高，一旦出現(xiàn)由于饋針尺寸不合格導(dǎo)致天線性能受限與安裝問(wèn)題，饋針制造廠將賠付整批陶瓷天線的成本，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，陶瓷天線饋針的初檢對(duì)于預(yù)防經(jīng)濟(jì)損失有著重要的意義。

本文通過(guò)分析陶瓷天線饋針的尺寸偏差與質(zhì)量大小的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于統(tǒng)計(jì)稱重的陶瓷天線饋針檢測(cè)系統(tǒng)，其成本較低，響應(yīng)速度靈敏。

1 陶瓷天線饋針尺寸偏差與統(tǒng)計(jì)稱重

1.1 單個(gè)饋針的尺寸偏差與質(zhì)量大小區(qū)間

陶瓷天線饋針是通過(guò)單軸三刀數(shù)控車床對(duì)銅柱原材料車削而得，對(duì)車刀形變影響最大的兩大因素分別是熱變形[5]和磨損[6]。由于陶瓷天線饋針在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地受到刀具熱伸長(zhǎng)和刀具磨損的情況所影響，不同部位的尺寸大小具有一定的波動(dòng)性。

圖1 為一典型陶瓷天線饋針的工程設(shè)計(jì)圖。

圖1 典型陶瓷天線饋針工程尺寸圖

由于陶瓷天線饋針是一根黃銅柱由車床多把車刀進(jìn)行車削加工而成，根據(jù)其尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值以及其上下限可以計(jì)算饋針的標(biāo)準(zhǔn)體積大小和體積的上下限。由M=ρ×V，可計(jì)算陶瓷天線饋針的質(zhì)量大小。已知原材料為含鋅量有15%的黃銅，其密度則達(dá)8.62 g/cm3，代入可得：

從而可以得出該型號(hào)饋針合格品的質(zhì)量大小分布區(qū)間為（79.5，87.2）mg。不在該區(qū)間的饋針部分尺寸必定超過(guò)偏差范圍，為尺寸不合格品。

1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證1.1 節(jié)中饋針的合格品存在特定的質(zhì)量大小區(qū)間這一結(jié)論，對(duì)該型號(hào)的陶瓷天線饋針的同批次合格品與總長(zhǎng)偏短的不合格品分別隨機(jī)取30 個(gè)，通過(guò)BSM-220電子天平對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)稱重，得到單個(gè)質(zhì)量大小，再逐個(gè)進(jìn)行產(chǎn)品編號(hào)并且畫出柱狀圖，如圖2、圖3所示。

圖2 單個(gè)合格品稱重圖

圖3 單個(gè)不合格品稱重圖

由圖2、圖3 可知，單個(gè)陶瓷天線饋針合格品圍繞83.6 mg 進(jìn)行上下波動(dòng)，不合格品圍繞79.3 mg 進(jìn)行上下波動(dòng)，有著明顯不同的平均質(zhì)量大小分布，其平均質(zhì)量大小差為4.3 mg。

由以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)稱重能夠判斷出所測(cè)的陶瓷天線饋針是否處于合格質(zhì)量大小區(qū)間。

1.3 多個(gè)饋針尺寸偏差與統(tǒng)計(jì)稱重

單個(gè)陶瓷天線饋針盡管能夠從質(zhì)量大小上判斷其合格與否，但是需要精度達(dá)到0.1 mg 的高精度電子天平才能夠完成該檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)效率十分低下。將多個(gè)不合格的陶瓷天線饋針一同進(jìn)行稱重統(tǒng)計(jì)，其尺寸偏差帶來(lái)的ΔM也會(huì)隨著其個(gè)數(shù)的疊加帶來(lái)顯著的重量差異。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行批量稱重則能進(jìn)一步地放大合格品與不合格品的重量差，從而能判斷出其合格與否。已知陶瓷天線饋針的加工重量為M± ΔM，其中M是工程設(shè)計(jì)尺寸所定的重量大小，而ΔM為實(shí)際加工過(guò)程中因局部偏差累計(jì)所致的重量偏差，當(dāng)對(duì)一定數(shù)量上的不合格品進(jìn)行合計(jì)稱重，其合計(jì)重量為

當(dāng)合計(jì)稱重的數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，其中偏差重量的累計(jì)將達(dá)到一個(gè)臨界值Wg，通過(guò)該臨界值可以輕易判斷出所檢測(cè)的陶瓷天線饋針是否為合格品，同時(shí)不需要高精度的電子天平就能夠完成該檢測(cè)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

饋針檢測(cè)系統(tǒng)如圖4 所示，整個(gè)系統(tǒng)分為上料機(jī)械設(shè)備、嵌入式硬件平臺(tái)、嵌入式軟件平臺(tái)三個(gè)部分。

圖4 饋針檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

將檢測(cè)裝置放置于振動(dòng)盤導(dǎo)軌物料下落處，同時(shí)在振動(dòng)盤與檢測(cè)裝置的下方作隔振處理，對(duì)每一根陶瓷天線饋針下落對(duì)壓力傳感器施加的沖擊產(chǎn)生的毫伏電壓進(jìn)行采集放大，再經(jīng)過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字量大小，由ARM 處理器對(duì)該數(shù)字量進(jìn)行分析、判定，完成對(duì)陶瓷天線饋針生產(chǎn)個(gè)數(shù)的記錄。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32 微處理器

STM32 微處理器是基于ARM 架構(gòu)的一個(gè)精簡(jiǎn)指令集處理器，該架構(gòu)以ARM 處理器為核心部件，能夠在保留32 位系統(tǒng)所有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，減少實(shí)際工作中產(chǎn)生的能耗。通過(guò)ARM 架構(gòu)的應(yīng)用[7]，能夠降低控制系統(tǒng)中單一部件對(duì)其他硬件設(shè)備的影響程度，間接地提升軟件運(yùn)行程序的運(yùn)行精準(zhǔn)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制效果的優(yōu)化。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸通信模塊

檢測(cè)系統(tǒng)的通信電路包括各個(gè)設(shè)備之間的電路連接以及RS 232 通信[8]，如圖6 所示。設(shè)定通信速率為9 600 b/s，通過(guò)DB9 接口與各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的精準(zhǔn)同步，并利用串口調(diào)試助手程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)調(diào)試信息，為系統(tǒng)調(diào)試提供接口。

圖6 RS 232 通信電路圖

3.3 AD 采樣模塊

檢測(cè)過(guò)程需要ADC 將采集的模擬型號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便計(jì)算機(jī)處理。同時(shí)，由于所測(cè)的陶瓷天線饋針的單顆重量低于0.1 g，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要選擇精度要求較高的ADC 模塊，CS1237[9]作為一款分辨率達(dá)到24 位的ADC 模塊，同時(shí)還有著較高的數(shù)據(jù)采集速率，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 CS1237 參數(shù)表

3.4 檢測(cè)裝置

壓阻式壓力傳感器[10]是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。

本系統(tǒng)裝置所使用的壓力傳感器實(shí)物如圖7 所示，其電氣參數(shù)如表2 所示。

表2 壓力傳感器參數(shù)表

圖7 壓力傳感器實(shí)物圖

本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置由陶瓷天線饋針接收盒、壓力傳感器、固定底座三部分組成。其中陶瓷天線饋針接收盒材料為pla，提供良好的拉伸強(qiáng)度、高剛度的同時(shí)有著較輕的重量，能夠滿足不超過(guò)高精度壓力傳感器的量程需求。底座為一斤重帶有通孔的鋼板，用于連接穩(wěn)定上方的壓力傳感器與陶瓷天線饋針接收盒的同時(shí)，提供固定整個(gè)裝置的支點(diǎn)。

通過(guò)螺紋通孔將壓力傳感器與陶瓷天線饋針接收盒與固定底座進(jìn)行連接，裝置實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 檢測(cè)裝置實(shí)物圖

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 饋針個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

陶瓷天線饋針下落沖擊接收盒表面，根據(jù)沖量定理，陶瓷天線饋針的動(dòng)量會(huì)全部轉(zhuǎn)換為傳感元件的沖擊力，在沖擊力作用下傳感器金屬殼產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，壓電傳感元件將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出[11]。每個(gè)陶瓷天線饋針對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)為振幅指數(shù)衰減的正弦信號(hào)，輸出電壓在發(fā)生撞擊的時(shí)刻達(dá)到最大值，該閾值大小應(yīng)當(dāng)滿足能夠反映典型情況下沖擊時(shí)的峰值電壓，通過(guò)對(duì)落入裝置的饋針沖擊進(jìn)行檢測(cè)，從而完成饋針的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

傳感器采樣圖如圖9 所示，一個(gè)陶瓷天線激勵(lì)下對(duì)應(yīng)的壓電信號(hào)如圖10 所示。

圖9 陶瓷天線饋針壓力采樣示意圖

圖10 一個(gè)陶瓷天線激勵(lì)下對(duì)應(yīng)的壓電信號(hào)

4.2 中位值算法結(jié)合限幅算法濾波

通過(guò)ADC 模塊對(duì)陶瓷天線饋針落入檢測(cè)裝置中所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)在圖像上呈現(xiàn)出來(lái)，原本的波形呈現(xiàn)出波動(dòng)明顯、不連續(xù)或者波峰波谷不平滑等特點(diǎn)，如圖11 所示。

圖11 原始數(shù)據(jù)采樣圖

為了消除在饋針個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)的過(guò)程中信號(hào)中的毛刺、抖動(dòng)等擾動(dòng)，本裝置采用中位值算法結(jié)合限幅算法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波。

中位值濾波[12]是一種非線性數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通常用于去除數(shù)字信號(hào)中的噪聲或異常值，將一個(gè)數(shù)字信號(hào)中的每個(gè)樣本值替換為以該樣本值為中心的一組數(shù)字的中位數(shù)，這樣可以有效地去除數(shù)字信號(hào)中的噪聲或異常值，同時(shí)保留數(shù)字信號(hào)中較強(qiáng)的信號(hào)成分。中位值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

設(shè)輸入數(shù)字信號(hào)為x[n]，輸出數(shù)字信號(hào)為y[n]，中位值濾波器的長(zhǎng)度為N，則：

式中median(·)表示取一組數(shù)字的中位數(shù)。

具體地，對(duì)于一個(gè)有m個(gè)元素的數(shù)字序列a1,a2,…,am，其中中位數(shù)定義為：

限幅濾波[13]通過(guò)限制數(shù)字信號(hào)的幅度去除數(shù)字信號(hào)中的高頻噪聲或異常值，同時(shí)保留數(shù)字信號(hào)中較強(qiáng)的信號(hào)成分，將數(shù)字信號(hào)的幅度限制在一定的范圍內(nèi)，從而去除幅度過(guò)大或過(guò)小的信號(hào)成分。與中位值濾波不同，限幅濾波不需要考慮濾波器的長(zhǎng)度，因?yàn)槠湫Ч蝗Q于限制幅度的范圍。限幅濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

設(shè)輸入數(shù)字信號(hào)為x[n]，輸出數(shù)字信號(hào)為y[n]，則限幅濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，clip(x[n],α,β)表示將輸入信號(hào)限制在α～β的范圍內(nèi)，即：

將中位值濾波和限幅濾波結(jié)合起來(lái)，能夠在去除數(shù)字信號(hào)中高頻噪聲和異常值的同時(shí)，保留數(shù)字信號(hào)中較強(qiáng)的信號(hào)成分，其濾波效果如圖12 所示。

圖12 濾波后數(shù)據(jù)采樣圖

由圖12 可知，波形變得更加平滑和連續(xù)，毛刺和抖動(dòng)將得到有效去除，從而呈現(xiàn)出更加平滑和自然的變化，噪聲和干擾被有效地去除，波形變得更加精確和可靠。同時(shí)，通過(guò)該圖能夠輕易地判別是否有饋針掉入饋針接收盒，從而完成陶瓷天線饋針的個(gè)數(shù)記錄。

4.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)引用模塊化設(shè)計(jì)思想[14]，依據(jù)功能將控制程序分別分離開來(lái)，提高軟件系統(tǒng)的可移植性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性。

通過(guò)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）配置I/O，實(shí)現(xiàn)主控芯片與AD 采樣芯片進(jìn)行通信，完成信號(hào)采集和數(shù)據(jù)讀?。?/p>

2）I/O 管腳分配，實(shí)現(xiàn)模擬電路開關(guān)閉合；

3）采用SPI 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)AD 測(cè)試信號(hào)讀?。?/p>

4）測(cè)量傳感器輸出電壓，檢測(cè)電源點(diǎn)亮和傳感器連接狀態(tài)；

5）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的RS 232 通信功能，使上位機(jī)和下位機(jī)之間可以完成指令的收發(fā)。

下位機(jī)主程序流程圖如圖13 所示。

圖13 下位機(jī)程序流程圖

4.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件通過(guò)Python 進(jìn)行編寫，使用MySerial 模塊進(jìn)行串口通信，校驗(yàn)位為空完成串口通信初始化設(shè)定，通過(guò)使用Tkinter 實(shí)現(xiàn)軟件界面的設(shè)計(jì)，如圖14 所示，該界面總計(jì)包含3 種檢測(cè)信息，包括當(dāng)前所記錄的陶瓷天線饋針個(gè)數(shù)、當(dāng)前單個(gè)饋針平均質(zhì)量大小、判斷結(jié)果，同時(shí)包含打開與關(guān)閉串口、界面黑白切換、跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前信息、清除記錄等按鈕。

圖14 陶瓷天線饋針?lè)Q重檢測(cè)軟件界面圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

將振動(dòng)盤進(jìn)行充分的隔震處理，裝置放置于振動(dòng)盤物料下落處正下方，確保裝置能夠正確接收下落的陶瓷天線饋針。在硬件和軟件都設(shè)計(jì)完成且調(diào)試成功的情況下進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15 所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)裝置圖

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

點(diǎn)擊上位機(jī)軟件中的open serial 按鈕，對(duì)陶瓷天線饋針合格品開始檢測(cè)，打開振動(dòng)盤電源與壓力傳感器供電電源，令每一個(gè)饋針都準(zhǔn)確無(wú)誤地落入裝置內(nèi)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，由于單個(gè)陶瓷天線饋針的質(zhì)量較小，同時(shí)壓力傳感器的精度有限，對(duì)單個(gè)陶瓷天線饋針的檢測(cè)存在著一定的偏差，但隨著個(gè)數(shù)的增加，總重增加，致使分?jǐn)偟降钠骄|(zhì)量消除了由于偏差帶來(lái)的不準(zhǔn)確性，使檢測(cè)的精度提高，從而能夠完成對(duì)陶瓷天線饋針的合格檢測(cè)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出陶瓷天線饋針的尺寸與質(zhì)量大小的關(guān)系，由理論分析結(jié)合稱重實(shí)驗(yàn)論證了統(tǒng)計(jì)稱重檢測(cè)的可行性，通過(guò)設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置結(jié)合振動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)了在無(wú)接觸條件下批量稱重，從而對(duì)陶瓷天線饋針的尺寸是否合格進(jìn)行判斷檢測(cè)。文中針對(duì)陶瓷天線饋針尺寸與質(zhì)量大小的關(guān)系，提出了一種基于統(tǒng)計(jì)稱重的檢測(cè)方法，依據(jù)該批次陶瓷天線饋針的平均質(zhì)量大小是否合格來(lái)進(jìn)行判斷，并從理論與實(shí)驗(yàn)上論證了該方法的可行性。另外，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)批量稱重檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)落入裝置的陶瓷天線饋針進(jìn)行接收與記數(shù)，完成后續(xù)的平均質(zhì)量大小計(jì)算，從而判斷該批次饋針尺寸是否合格。

注：本文通訊作者為陳樂(lè)。