基于硅微傳感器的混合機槳葉狀態(tài)無線測試系統(tǒng)———基于硅微傳感器的混合機槳葉狀態(tài)無

　1 引 言

混合是固體火箭推進劑制造過程中的一個關(guān)鍵工序，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是保證安全生產(chǎn)，是極為重要的。目前國內(nèi)固體推進劑的混合設(shè)備大都使用立式混合機。該混合機有一對槳葉，其中近心槳為實心，遠心槳為空心，依靠兩槳葉的自轉(zhuǎn)和遠心槳圍繞近心槳的公轉(zhuǎn)對藥漿進行攪拌。由于藥漿是危險的含能材料，在攪拌混合過程中槳葉對藥漿進行擠壓、剪切，如果超過藥漿的攪拌感度，就會出現(xiàn)燃爆事故。為避免事故發(fā)生，需要測量槳葉上的壓力信號，但采用有線的測量方法無法實現(xiàn)測量目的。藍牙、ZigBee等短距離無線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使此類測試系統(tǒng)的研發(fā)成為可能。

　　為此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了混合機槳葉狀態(tài)的在線檢測系統(tǒng)，通過藍牙無線傳輸?shù)姆绞綄~上硅微壓阻壓力傳感器采集到的信號發(fā)送出來，然后在混合機外接收并進行處理。系統(tǒng)的實現(xiàn)為實時判斷混合機生產(chǎn)過程中的安全狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

　　2 測試系統(tǒng)的設(shè)計

　　測試系統(tǒng)的設(shè)計過程包括硅微壓阻壓力傳感器的選型及安裝、無線傳輸數(shù)據(jù)方式的實現(xiàn)等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　為了獲取槳葉上的壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)在混合機遠心槳和近心槳槳葉上各安裝若干個微型壓力傳感器，并在槳葉軸上各安裝一個藍牙采集、發(fā)射模塊，在混合機鍋壁外側(cè)安裝藍牙數(shù)據(jù)接收模塊。系統(tǒng)的工作過程為：兩個藍牙采集模塊通過模擬開關(guān)分時選通壓力傳感器信號，經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過藍牙無線傳輸技術(shù)將槳葉壓力狀態(tài)發(fā)送到混合機鍋壁的藍牙接收模塊上。在藍牙接收模塊中，將兩槳葉的多路信號進行匯總，再通過藍牙模塊上的RS422接口將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程計算機中，對數(shù)據(jù)進行處理和顯示。藍牙采集模塊由電池供能、壓力傳感器組、多路選通放大和藍牙通訊等幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　混合機工作時，一方面，槳葉與槳葉之間的間隙僅為(3±1)mm，槳葉與混合鍋壁、鍋底間隙也為(3±1)mm，并且槳葉在攪拌過程中沒有死區(qū);另一方面，槳葉為光滑的金屬，攪拌的物質(zhì)非常黏稠。因此，需解決的首要問題是壓力傳感器的選擇和安裝。

　　目前選用的壓力傳感器為硅微壓阻式壓力傳感器，其通過各向異性腐蝕技術(shù)在單晶硅上制造壓力敏感彈性膜，采用半導體加工方式制造四個壓力敏感電阻，構(gòu)成惠斯通電橋以檢測外加壓力變化。而根據(jù)槳葉的特殊形狀，需制作特定的柔性電路板，將壓力傳感器通過雙金絲焊接技術(shù)焊接到柔性電路板上，并利用環(huán)氧樹脂對柔性電路板進行固定，固定后整體的最大厚度為1.5 mm，可滿足混合機攪拌的要求。圖2給出了壓力傳感器焊接、封裝后粘貼于槳葉上的效果示意圖。

　　無線數(shù)據(jù)傳輸也是制約系統(tǒng)實現(xiàn)的瓶頸環(huán)節(jié)，通過對多種無線傳輸技術(shù)的對比分析，決定選用藍牙無線傳輸方式，選用的芯片是CSR公司的BLUECORE2。這主要是由于該芯片內(nèi)部集成了I/O口、模擬口、I2C、UART及SPI等豐富的硬件資源，可以極大地簡化混合機內(nèi)部數(shù)據(jù)采集模塊的體積，同時有效地節(jié)省功耗。

　　3 測試結(jié)果及分析

　　測試系統(tǒng)設(shè)計完成后，必須經(jīng)過標定才能夠進行現(xiàn)場測試?？紤]到單獨對傳感器進行標定異常困難，因此采用的是整系統(tǒng)標定的方式。首先將安裝有壓力傳感器的柔性電路板放入定制的標定設(shè)備，然后逐漸加壓，壓力傳感器的輸出經(jīng)藍牙數(shù)據(jù)采集、發(fā)射模塊處理后發(fā)射出來，然后通過藍牙接收模塊接收數(shù)據(jù)并顯示。因此，最終顯示的壓力數(shù)值，是考慮到整個系統(tǒng)誤差后的輸出結(jié)果，將其和標準壓力傳感器的讀數(shù)進行對比分析，即可得到整個測試系統(tǒng)的性能指標。

　　標定實驗的現(xiàn)場和測試系統(tǒng)的工作環(huán)境類似，圖3為壓力傳感器標定裝置圖。圖4為系統(tǒng)工作時，遠程計算機上采集軟件的顯示畫面，界面可同時顯示測試系統(tǒng)所有34路傳感器的數(shù)據(jù)。選取其中的5個壓力傳感器輸出曲線進行線性擬合，各個壓力傳感器的線性度分別為1.39%，2.07%，1.03%，3.02%。1.39%，結(jié)果如圖5所示。

　　選取某壓力傳感器在同等條件下，進行重復性實驗，可得到圖6所示的結(jié)果，兩次測量的結(jié)果基本重合，可見測試系統(tǒng)的重復性不錯，因現(xiàn)場條件限制，不能進行多次測量，因此無法得到重復性的具體指標。

　　通過數(shù)據(jù)分析可知，選用的硅微壓阻壓力傳感器在標準大氣壓下的初始值并不一致。但通過標定結(jié)果可知，各個壓力傳感器的線性關(guān)系基本一致。

　　4 結(jié)論與改進

　　在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，因混合機體積方面的原因，選擇了嵌入式藍牙單芯片方案。通過現(xiàn)場測試的結(jié)果看出，測試系統(tǒng)基本完成了測試任務(wù)。但是因為藍牙芯片中運行了大量的協(xié)議軟件，分配給模擬口數(shù)據(jù)采集的時間非常有限，導致本模塊的數(shù)據(jù)采集速度較慢，并且藍牙芯片上的模擬口為8位，精度有限。因此在后續(xù)的大容量混合機測試系統(tǒng)設(shè)計中，可選擇藍牙主機-主機控制器的應(yīng)用模式。主機可由單片機或ARM實現(xiàn)，用于負責多路壓力傳感器的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，并將采集到的所有壓力傳感器數(shù)據(jù)通過HCI接口與藍牙主機控制器邊行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)的無線傳輸由藍牙主機控制器完成。這種設(shè)計方法占用的體積會有所增加，所以應(yīng)在體積允許的條件下進行。