基于硅微傳感器的混合機(jī)槳葉狀態(tài)無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)

1 引 言

混合是固體火箭推進(jìn)劑制造過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵工序，對(duì)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(guó)內(nèi)固體推進(jìn)劑的混合設(shè)備大都使用立式混合機(jī)。該混合機(jī)有一對(duì)槳葉，其中近心槳為實(shí)心，遠(yuǎn)心槳為空心，依靠?jī)蓸~的自轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)心槳圍繞近心槳的公轉(zhuǎn)對(duì)藥漿進(jìn)行攪拌。由于藥漿是危險(xiǎn)的含能材料，在攪拌混合過(guò)程中槳葉對(duì)藥漿進(jìn)行擠壓、剪切，如果超過(guò)藥漿的攪拌感度，就會(huì)出現(xiàn)燃爆事故。為避免事故發(fā)生，需要測(cè)量槳葉上的壓力信號(hào)，但采用有線的測(cè)量方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的。藍(lán)牙、ZigBee等短距離無(wú)線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使此類測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)成為可能。

為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了混合機(jī)槳葉狀態(tài)的在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄~上硅微壓阻壓力傳感器采集到的信號(hào)發(fā)送出來(lái)，然后在混合機(jī)外接收并進(jìn)行處理。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為實(shí)時(shí)判斷混合機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的安全狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

2 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程包括硅微壓阻壓力傳感器的選型及安裝、無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)方式的實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)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(jī)遠(yuǎn)心槳和近心槳槳葉上各安裝若干個(gè)微型壓力傳感器，并在槳葉軸上各安裝一個(gè)藍(lán)牙采集、發(fā)射模塊，在混合機(jī)鍋壁外側(cè)安裝藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：兩個(gè)藍(lán)牙采集模塊通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)選通壓力傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)將槳葉壓力狀態(tài)發(fā)送到混合機(jī)鍋壁的藍(lán)牙接收模塊上。在藍(lán)牙接收模塊中，將兩槳葉的多路信號(hào)進(jìn)行匯總，再通過(guò)藍(lán)牙模塊上的RS422接口將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。藍(lán)牙采集模塊由電池供能、壓力傳感器組、多路選通放大和藍(lán)牙通訊等幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

混合機(jī)工作時(shí)，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(guò)程中沒(méi)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(wèn)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(guò)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(dǎo)體加工方式制造四個(gè)壓力敏感電阻，構(gòu)成惠斯通電橋以檢測(cè)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(guò)雙金絲焊接技術(shù)焊接到柔性電路板上，并利用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)柔性電路板進(jìn)行固定，固定后整體的最大厚度為1.5 mm，可滿足混合機(jī)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸也是制約系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)多種無(wú)線傳輸技術(shù)的對(duì)比分析，決定選用藍(lán)牙無(wú)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(jiǎn)化混合機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集模塊的體積，同時(shí)有效地節(jié)省功耗。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?？紤]到單獨(dú)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定異常困難，因此采用的是整系統(tǒng)標(biāo)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(biāo)定設(shè)備，然后逐漸加壓，壓力傳感器的輸出經(jīng)藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集、發(fā)射模塊處理后發(fā)射出來(lái)，然后通過(guò)藍(lán)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(gè)系統(tǒng)誤差后的輸出結(jié)果，將其和標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，即可得到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試系統(tǒng)的工作環(huán)境類似，圖3為壓力傳感器標(biāo)定裝置圖。圖4為系統(tǒng)工作時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上采集軟件的顯示畫面，界面可同時(shí)顯示測(cè)試系統(tǒng)所有34路傳感器的數(shù)據(jù)。選取其中的5個(gè)壓力傳感器輸出曲線進(jìn)行線性擬合，各個(gè)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(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可得到圖6所示的結(jié)果，兩次測(cè)量的結(jié)果基本重合，可見(jiàn)測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性不錯(cuò)，因現(xiàn)場(chǎng)條件限制，不能進(jìn)行多次測(cè)量，因此無(wú)法得到重復(fù)性的具體指標(biāo)。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，選用的硅微壓阻壓力傳感器在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的初始值并不一致。但通過(guò)標(biāo)定結(jié)果可知，各個(gè)壓力傳感器的線性關(guān)系基本一致。

4 結(jié)論與改進(jìn)

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，因混合機(jī)體積方面的原因，選擇了嵌入式藍(lán)牙單芯片方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果看出，測(cè)試系統(tǒng)基本完成了測(cè)試任務(wù)。但是因?yàn)樗{(lán)牙芯片中運(yùn)行了大量的協(xié)議軟件，分配給模擬口數(shù)據(jù)采集的時(shí)間非常有限，導(dǎo)致本模塊的數(shù)據(jù)采集速度較慢，并且藍(lán)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(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可選擇藍(lán)牙主機(jī)-主機(jī)控制器的應(yīng)用模式。主機(jī)可由單片機(jī)或ARM實(shí)現(xiàn)，用于負(fù)責(zé)多路壓力傳感器的信號(hào)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(guò)HCI接口與藍(lán)牙主機(jī)控制器邊行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸由藍(lán)牙主機(jī)控制器完成。這種設(shè)計(jì)方法占用的體積會(huì)有所增加，所以應(yīng)在體積允許的條件下進(jìn)行。