劉建波

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利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)測(cè)

劉建波

(海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200139)

本文設(shè)計(jì)了一款基于無線傳感技術(shù)的低功耗無線多跳網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)三軸振動(dòng)的過程檢測(cè)。采用高精度加速度傳感器拾取振動(dòng)信息，通過二階巴特沃斯有源濾波器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,最后通過基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線多跳網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)的發(fā)送,進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合。實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)具有良好的精度和可操作性，具有數(shù)據(jù)溯源和存儲(chǔ)能力，能夠進(jìn)行連續(xù)過程檢測(cè)。

無線傳感技術(shù) 多跳網(wǎng)絡(luò) 過程監(jiān)測(cè) 有源濾波器 多傳感器數(shù)據(jù)融合

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)設(shè)備的可靠性要求越來越高，振動(dòng)分析作為結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的重要內(nèi)容，可以為生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)提供直觀的數(shù)據(jù)。在確定振動(dòng)源時(shí)傳統(tǒng)測(cè)試方法的局限性更加明顯[1]。

無線多跳網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)度的測(cè)量、精確評(píng)估采集到的數(shù)據(jù)、測(cè)量的頻率和時(shí)間安排、傳感器的位置和分布，適當(dāng)?shù)奈臋n記錄和可追溯性隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動(dòng)傳感器的出現(xiàn)，預(yù)見性維護(hù)程序開發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動(dòng)分析方法的限制和不足，大幅提高數(shù)據(jù)采集過程的質(zhì)量和完整性。 本文提出了一款高線性度、低噪聲、寬帶自組網(wǎng)無線三軸振動(dòng)檢測(cè)解決方案。該方案適用于要求具有寬動(dòng)態(tài)范圍(±200 g)以及平坦頻率響應(yīng)(從直流到1300 Hz)的應(yīng)用。該電路提供了適合于復(fù)雜件全面振動(dòng)過程檢測(cè)的低功耗解決方案。

1 無線多跳網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)

無線多跳網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)傳感器由振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及ADC、電池充電電路和自組網(wǎng)無線收發(fā)電路組成。

本設(shè)計(jì)選取CN3063進(jìn)行充電電路設(shè)計(jì)。

振動(dòng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的拾取并將信號(hào)傳輸至信號(hào)調(diào)理電路。由于連續(xù)過程數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性，存儲(chǔ)器對(duì)于電路是非常必須要的。設(shè)計(jì)選取TI公司的C2538 Zigbee 解決方案進(jìn)行自組網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的建立。CC2538 是一款針對(duì)高性能Zigbee 應(yīng)用的理想片上系統(tǒng)，其運(yùn)行的Z-Stack保證其成為功能強(qiáng)大的Zigbee 解決方案。

本設(shè)計(jì)選取ADI公司的ADXL377BCPZ-RL作為振動(dòng)提取器件。ADXL377BCPZ-RL具有優(yōu)異的性能，其動(dòng)態(tài)范圍為±200 g，且?guī)挒?300Hz，非常適合需要寬帶、小尺寸、低功耗以及可靠性的應(yīng)用。其內(nèi)置的加速度計(jì)輸出經(jīng)過寬帶寬差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器進(jìn)行差分信號(hào)輸出，可充分發(fā)揮傳感器的機(jī)械性能。

2 振動(dòng)傳感器及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

電源噪聲對(duì)ADXL377BCPZ-RL精度影響較大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)電源進(jìn)行去耦以保證加速度噪聲最低。而在工業(yè)應(yīng)用中更需要考慮市電的干擾，此時(shí)需進(jìn)行大電容去耦并添加鐵氧體磁珠確保電源線路具有低阻抗[4]。

1）ADXL377BCPZ-RL的帶寬受引腳外接電容控制，其三軸輸出具有限制帶寬功能。加速度傳感器三軸輸出電阻為32KΩ，由此可計(jì)算其-3dB帶寬

由于內(nèi)部輸出電阻的容差通常在±15%的范圍內(nèi)變動(dòng)，其帶寬也會(huì)隨之變化。ADXL377的典型輸出帶寬為1000 Hz，此時(shí)輸出電容值為5nf，以便抑制混疊誤差。為最大程度減少混疊，對(duì)其進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)時(shí)3dB帶寬選取為1000Hz。為對(duì)其進(jìn)行濾波本設(shè)計(jì)進(jìn)行有源濾波器設(shè)計(jì)[4]。設(shè)計(jì)采用filter solutions軟件進(jìn)行濾波器輔助設(shè)計(jì)?？紤]到通帶內(nèi)最小失真設(shè)計(jì)選取二階巴特沃斯低通濾波器，濾波器截止頻率1000Hz，增益為1，由于加速度計(jì)輸出電阻32KΩ，濾波器輸入電阻也設(shè)為32KΩ。考慮到電源供電需求本設(shè)計(jì)選取TI公司的低功耗精密放大器OPA2333進(jìn)行有源濾波器設(shè)計(jì)。仿真電路如下。

通過計(jì)算可得到其S函數(shù)：

時(shí)域和頻域仿真分析如下：

通過上圖可以看出在1000 Hz 處該濾波器具有-3dB的衰減。群時(shí)延曲線為平行于X軸的直線說明其具有良好的線性度。以上濾波器可滿足加速度傳感器輸出濾波需要。

通過以上分析可設(shè)計(jì)傳感器與信號(hào)調(diào)理電路如下:

圖4 濾波器電路

ADXL377BCPZ-RL輸出頻率范圍為1300Hz，0g時(shí)輸出信號(hào)幅度為1.5 V。本設(shè)計(jì)選用凌力爾特公司的LTC1867L進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。LTC1867L為16位8通道SAR低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣頻率高達(dá)175KSPS，完全可滿足設(shè)計(jì)需要。ADXL377BCPZ-RL輸出電壓范圍為0～1.5V，有源濾波器增益為1，即ADC輸入信號(hào)范圍為0～1.5V，由此可以確定ADC輸入?yún)⒖茧妷海驹O(shè)計(jì)選取參考電壓源為Ti公司的REF5020，其輸出參考電壓為2.048 V，另ADC的位數(shù)為16位，由此可算出設(shè)計(jì)的理論精度為0.006 g。而實(shí)際中，ADC的有效位數(shù)可通過以下公式計(jì)算：

2）LTC1867L的SNR為83.7 dB，由此可計(jì)算出其有效位數(shù)ENOB=13，由此可算出設(shè)計(jì)的實(shí)際精度為0.05 g，可滿足大部分工業(yè)應(yīng)用需求。REF5020的輸出電流高達(dá)10 mA，LTC1867L的參考電壓輸入電流根據(jù)手冊(cè)可查為0.1 mA，故不需要參考電壓緩沖電路，REF5020可直接驅(qū)動(dòng)LTC1867L參考電壓輸入端。由此可設(shè)計(jì)ADC電路如下：

圖5 ADC電路

3）電池充電電路選用CN3063實(shí)現(xiàn)。CN3063能夠根據(jù)供電電源輸出電流自動(dòng)調(diào)整充電電流，并且只需要很少的外圍設(shè)備，特別適合對(duì)體積要求較高的應(yīng)用中。Riset為充電電流調(diào)整電阻，其充電電流：

本設(shè)計(jì)充電電流設(shè)為100 mA，故R應(yīng)取值為1.8 kΩ。CHRG和DONE為充電指示端口，采用雙色LED驅(qū)動(dòng)以表明充電狀態(tài)。

圖6 充電管理電路

3 無線收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

CC2538為Ti公司基于ARM Cortex-M3的ZIGbee/IEEE802.15.4 射頻片上系統(tǒng)，其卓越的低功耗能力為便攜工業(yè)設(shè)備提供了良好的無線互聯(lián)解決方案。從數(shù)據(jù)表可查出CC2538的輸出阻抗為66±j64Ω，如何將能量最大限度的傳輸出去已達(dá)到最遠(yuǎn)的距離是CC2538的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

CC2538的能量傳輸網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，S系數(shù)可以表示其在各個(gè)方向上的傳輸方式[5]。其中S11表示能量輸出路徑，根據(jù)S11的計(jì)算公式：

從上公式可以看出當(dāng)VSWR=1時(shí)傳輸效率達(dá)到最高，即沒有能量的反射。根據(jù)雅克比的最大功率傳輸理論，當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗相等時(shí)，功率可以最大限度的向負(fù)載端傳輸，即由于阻抗一致，能量在傳輸路徑上沒有損失[6]。假設(shè)源阻抗為Z，負(fù)載阻抗為Z，則可用反射系數(shù)來表明阻抗的匹配程度。

本設(shè)計(jì)采用smith圓圖軟件進(jìn)行CC2538無線發(fā)射電路的仿真分析與設(shè)計(jì)。CC2530的源阻抗為66±j64 Ω，天線阻抗為50 Ω，因此匹配電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將差分阻抗電路轉(zhuǎn)換為單端的50 Ω特性阻抗。對(duì)于RF_P端口，其仿真模型如下。

在圖7中，1為66+j64 Ω阻抗位置。根據(jù)阻抗圓環(huán)特性，沿著阻抗圓順時(shí)針方向?yàn)樵黾哟?lián)電感，沿著阻抗圓逆時(shí)針方向?yàn)樵黾哟?lián)電容，沿著導(dǎo)納圓順時(shí)針方向?yàn)椴⒙?lián)電容，沿著導(dǎo)納圓逆時(shí)針方向?yàn)椴⒙?lián)電感。1-2路徑沿電阻圓逆時(shí)針方向表示串聯(lián)電容，電容值為17 pf，2-3路徑沿導(dǎo)納圓順時(shí)針方向表示并聯(lián)電容，電容值為1.1 pf，3-4路徑沿阻抗圓順時(shí)針方向移動(dòng)表示串聯(lián)電感，電感值為3.9 nH。經(jīng)過途中1-2-3-4的路徑后，阻抗由66+j64Ω轉(zhuǎn)移到50Ω位置。

可以看出經(jīng)過RC匹配網(wǎng)絡(luò)變換后，輸出阻抗由66+j64 Ω變?yōu)?0 Ω，實(shí)現(xiàn)了與天線的阻抗匹配，能量損耗最小。

對(duì)于RF_N,源阻抗為66-j64 Ω，其電路如下：

該電路同樣實(shí)現(xiàn)了阻抗由66-j64 Ω到50 Ω的變換。實(shí)現(xiàn)阻抗匹配后，由于CC2538的中心頻率為2400 MHz，頻帶范圍為(2400±50) MHz，還要進(jìn)行選頻匹配電路設(shè)計(jì)。經(jīng)過以上分析可設(shè)計(jì)CC2538射頻電路如圖11。

回路的幅頻特性公式可算出如（6）式。把f=2400 MHz，CL和L的值代入上式可得=Z。即選頻電路在2400 MHz處實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振，能量全部傳送過去。

由于過程檢測(cè)要進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，傳感器節(jié)點(diǎn)若可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)集中器或網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，可大大減小數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用華邦公司的W25Q256FV芯片。W25Q256FV為串行FLASH芯片，其存儲(chǔ)容量高達(dá)32MByte，可滿足長時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將傳感器至于鋼構(gòu)懸臂梁上，分別進(jìn)行靜止實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。

圖12 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

靜態(tài)試驗(yàn)采樣率5000 Hz，靜止實(shí)驗(yàn)波形:

通過實(shí)驗(yàn)可以看出在靜止時(shí)傳感器具有良好的靜態(tài)特性。隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動(dòng)傳感器的出現(xiàn)，預(yù)見性維護(hù)程序開發(fā)人員終于能夠擺脫以往振動(dòng)分析方法的限制和不足，大幅提高數(shù)據(jù)采集過程的質(zhì)量和完整性。能夠更精確可靠地檢測(cè)性能變化，為大幅降低前期開發(fā)和循環(huán)維護(hù)成本提供了機(jī)會(huì)。

[1] M+P INTERNATIONAL. Continuous data acquisition, signal analysis and process monitoring[J]. 2009.

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Implementation of Process Monitoring By Vibration Sensor Used in Wireless Multi-hop Network

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard(Group)CO.,LTD., Shanghai 200139, China)

2014-07-03

TM930

A

1003-4862（2014）11-0025-04

劉建波(1970-), 男，工程師。研究方向：檢測(cè)技術(shù)。