王文龍，曾 捷，劉榮梅，季宏麗，郭曉華，龔曉靜，朱金陽(yáng)

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016；2.中航工業(yè) 金城南京機(jī)電液壓工程研究中心 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211106；3.法國(guó)圖盧茲大學(xué) 法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心 Clément Ader航空結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，UMR CNRS 5312；4.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028)

0 引 言

近年來(lái)，隨著各種型號(hào)航空裝備的快速發(fā)展，裝備服役環(huán)境日益嚴(yán)酷，不僅對(duì)環(huán)境適應(yīng)性要求持續(xù)提高[1,2]，而且對(duì)腐蝕環(huán)境考核試驗(yàn)真實(shí)性與合理性的要求也越來(lái)越高。海洋環(huán)境航空裝備主要面臨高溫、高濕、高鹽等特點(diǎn)的海洋性大氣腐蝕。大氣腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重影響著航空裝備的出勤率及使用壽命[3]，腐蝕導(dǎo)致故障問(wèn)題頻發(fā)和相關(guān)維護(hù)費(fèi)用不斷攀升。因此，開展針對(duì)海洋大氣微液膜腐蝕環(huán)境參量的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，對(duì)于探索腐蝕損傷機(jī)理、提升我國(guó)航空裝備腐蝕防護(hù)水平具有重要意義[4]。

美國(guó)Luna Innovations公司開發(fā)了用于腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線智能傳感節(jié)點(diǎn)[5]，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)溫濕度、濕潤(rùn)時(shí)間、累積腐蝕、線性極化電阻值等多種參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在Bell UH—1N型雙引擎軍用直升機(jī)電子艙內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試[6,7]。臺(tái)灣國(guó)立云林科技大學(xué)Chou Jung-Chuan等人利用離子敏感膜技術(shù)研制了氯離子傳感器[8,9]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也開始關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)針對(duì)腐蝕環(huán)境多種狀態(tài)參量的集成監(jiān)測(cè)方法，但僅限于對(duì)腐蝕環(huán)境參量的間接測(cè)量，直接測(cè)量手段相對(duì)匱乏。

本文提出了基于單片機(jī)MSP430的大氣腐蝕環(huán)境多參量在線集成監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度、濕潤(rùn)時(shí)間及氯離子濃度等影響航空裝備腐蝕狀態(tài)的環(huán)境特征參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)量原理

航空裝備所處環(huán)境的溫度、濕度、濕潤(rùn)時(shí)間和氯離子濃度等參量對(duì)于表征和評(píng)估結(jié)構(gòu)腐蝕速率和腐蝕狀態(tài)均具有重要意義。

1.1 溫濕度傳感器

為實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度與濕度特征的雙參量監(jiān)測(cè)，選用瑞士Sensirion公司研制的溫濕度傳感器SHT30，作為一種線性化、具有溫度補(bǔ)償、數(shù)字輸出的半導(dǎo)體型傳感器，SHT30精度為±2 %RH和±0.3 ℃，溫度和濕度測(cè)量范圍分別為-40～125 ℃和0 %～100 %RH。傳感器可直接通過(guò)內(nèi)部集成電路(inter-integrated circuit,I2C)總線接口結(jié)構(gòu)與單片機(jī)通信，封裝尺寸為2.5 mm×2.5 mm×0.9 mm，能夠滿足測(cè)試系統(tǒng)低功耗、微型化要求。

1.2 濕潤(rùn)時(shí)間傳感器

濕潤(rùn)時(shí)間用于表征設(shè)備表面濕潤(rùn)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間采用交叉指形電極測(cè)量濕潤(rùn)時(shí)間。該傳感器基于交叉指型電極電阻值隨表面附著液膜屬性不同而變化，干燥時(shí)電極間互不接觸，電阻值為無(wú)窮大；濕潤(rùn)時(shí)電極間導(dǎo)通，電阻值逐漸減小。

交叉指形電極采用陶瓷基板鍍金工藝，具有機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)、形狀穩(wěn)定、高強(qiáng)度、高絕緣性、結(jié)合力強(qiáng)、防腐蝕等特點(diǎn)，使用溫度范圍為-55～850 ℃，循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次。

1.3 氯離子濃度傳感器

基于電化學(xué)原理，根據(jù)Nernst方程測(cè)量液膜中氯離子濃度。氯離子濃度傳感器由工作電極和參比電極兩大部分組成。傳感器外殼由聚四氟乙烯制成，具有抗腐蝕特性，如圖1所示。

圖1 微液膜氯離子濃度傳感器

采用電化學(xué)沉積法，制得氯化銀充當(dāng)工作電極和參比電極。參比電極端內(nèi)充參比液，用于提供較為穩(wěn)定的參考電勢(shì)，工作電極提供與氯離子活度相關(guān)的指示電勢(shì)，兩者電勢(shì)差表征了微液膜中氯離子濃度。Nernst電勢(shì)方程為[10]

(1)

(2)

ΔE=Ew-Er

(3)

由式(1)～式(3)可得

(4)

式中Ew為工作電極電勢(shì)；Er為參比電極電勢(shì)；ΔE為氯離子濃度傳感器輸出電勢(shì)；E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì);R為氣體常數(shù)，通常取8.314 41 J/(mol·K)；T為溫度;n為電極反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F為法拉第常數(shù)96 487 C/mol；γ1，γ2分別為所測(cè)微液膜中和參比液中氯離子濃度。由式(4)可知，氯離子濃度傳感器輸出電勢(shì)ΔE與所測(cè)微液膜中氯離子濃度γ1的對(duì)數(shù)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)分析傳感器輸出電勢(shì)變化即可反推出氯離子濃度信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

航空腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)腐蝕環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，并將采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)及輸出顯示[11,12]，腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖，如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖

將用于監(jiān)測(cè)不同參量的傳感器裸露于測(cè)試腐蝕環(huán)境，當(dāng)環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí)，溫濕度傳感器感知溫度和濕度的變化并通過(guò)I2C接口將溫度和濕度信息發(fā)送至主控芯片；當(dāng)空氣中濕度達(dá)到某一閾值且產(chǎn)生附著于濕潤(rùn)時(shí)間傳感器和氯離子濃度傳感器敏感單元的凝露時(shí)，濕潤(rùn)時(shí)間傳感器電阻值和氯離子濃度傳感器輸出電勢(shì)均會(huì)隨之發(fā)生變化，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)供主控芯片采集。

2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

溫度和濕度由集成化傳感器采集，傳感器本身已對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理且為I2C式數(shù)字串行接口輸出。

濕潤(rùn)時(shí)間傳感器為電阻型感知器件，對(duì)應(yīng)的叉指電極電阻值變化范圍約為幾兆歐姆至無(wú)窮大。為更好反映叉指電極電阻值變化，采用電阻分壓電路及線性放大電路將叉指電極電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。分壓電路激勵(lì)源可由穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，分壓電阻值的選用也應(yīng)為兆歐(MΩ)級(jí)且精度高。

氯離子濃度傳感器屬于電壓型感知器件，輸出信號(hào)變化范圍為毫伏(mV)級(jí)，需對(duì)該毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)行線性跟蹤放大輸出。

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

由于溫濕度傳感器為數(shù)字式總線輸出，濕潤(rùn)時(shí)間和氯離子濃度傳感器為模擬輸出傳感器，因此,主控芯片需要具有數(shù)字輸入/輸出串行接口及模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口。同時(shí)，為滿足實(shí)際工況長(zhǎng)時(shí)間多參量在線監(jiān)測(cè)要求，系統(tǒng)選用TI公司低功耗MSP430F5529作為主控芯片。該芯片包含用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊，具有多種可選工作模式，休眠模式喚醒僅需3.5 μs，具有超低功耗特性。片內(nèi)外設(shè)資源豐富并可根據(jù)使用情況進(jìn)行關(guān)閉以降低功耗，具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，豐富的串行接口如I2C,通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART),串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)，CPU速度高達(dá)25MHz。

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

主控芯片上電進(jìn)行軟件初始化后，芯片可進(jìn)入休眠或半休眠模式。當(dāng)需要執(zhí)行采集任務(wù)時(shí)相關(guān)中斷使主控芯片退出休眠模式并進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

中斷服務(wù)程序中執(zhí)行讀寫SHT30和時(shí)鐘操作，啟動(dòng)A/D采集濕潤(rùn)時(shí)間及氯離子濃度傳感器信號(hào)，最終將采集數(shù)據(jù)保存并發(fā)送至軟件監(jiān)視界面。

當(dāng)任務(wù)完成時(shí)主控芯片再次進(jìn)入休眠模式以等待下次任務(wù)喚醒，如此循環(huán)。該工作模式能夠有效降低腐蝕系統(tǒng)的整體功耗，非常適合長(zhǎng)時(shí)間電池供電模式，極大地方便了日常監(jiān)測(cè)與維護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 濕潤(rùn)時(shí)間測(cè)試

采用移液槍量取微量氯化鈉(NaCl)溶液滴加于鏡頭紙，模擬實(shí)際環(huán)境可能形成的微液膜。叉指電極表面附著液膜厚度在1 μm～1 mm可視為濕潤(rùn)狀態(tài)，取20 μL氯化鈉溶液形成約100 μm液膜厚度模擬叉指電極表面濕潤(rùn)狀態(tài)。每次測(cè)量持續(xù)300 s，在50 s時(shí)滴加液體并在200 s時(shí)擦除，測(cè)得傳感器響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 0.1 mol/L NaCl溶液下叉指電極響應(yīng)曲線

分別設(shè)計(jì)100 μm和150 μm指間距兩種規(guī)格叉指電極。實(shí)驗(yàn)表明:叉指電極響應(yīng)迅速，對(duì)于同一種濃度溶液，指間距越小則叉指電極電阻值越小，即對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電壓越高，縮小指間距有助于提高傳感器靈敏度，因此，模擬實(shí)驗(yàn)中選用了100 μm指間距的叉指電極作為濕潤(rùn)時(shí)間傳感器。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求，可自行設(shè)定一個(gè)響應(yīng)電壓閾值，AD采樣結(jié)果高于此閾值所持續(xù)的時(shí)間即為濕潤(rùn)時(shí)間。

4.2 氯離子濃度傳感器測(cè)試

為更接近實(shí)際環(huán)境，測(cè)試溶液選用按照步長(zhǎng)0.2 mol/L依次從0.1 mol/L逐漸增大至1 mol/L的NaCl溶液進(jìn)行測(cè)試，每次采用移液槍量取1 mL溶液置于傳感器收集窗口。氯離子濃度傳感器響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 氯離子濃度傳感器第一次測(cè)試響應(yīng)曲線

對(duì)于每一種濃度的氯化鈉溶液，氯離子濃度傳感器均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升的階躍響應(yīng)并隨著時(shí)間推移而趨于穩(wěn)定。當(dāng)溶液濃度由低到高變化時(shí)，傳感器響應(yīng)電勢(shì)依次減小并呈規(guī)律性變化。通過(guò)多次重復(fù)性測(cè)量試驗(yàn)，共獲得4組類似響應(yīng)曲線。

圖4顯示了氯離子濃度傳感器響應(yīng)曲線在600 s時(shí)趨于穩(wěn)定，選取此時(shí)電壓作為判別氯離子濃度依據(jù)值。根據(jù)4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制氯離子濃度對(duì)數(shù)與響應(yīng)電壓曲線，如圖5所示。實(shí)測(cè)曲線與理論擬合曲線趨勢(shì)基本一致，且響應(yīng)曲線重復(fù)性較好，對(duì)應(yīng)的線性度分別為-0.985 8,-0.966 7,-0.985 8,-0.978 2。由此，可推算出溶液中氯離子濃度。

圖5 氯離子濃度對(duì)數(shù)與響應(yīng)電壓關(guān)系曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空裝備腐蝕環(huán)境多參量監(jiān)測(cè)需求，研究了基于MSP430單片機(jī)的航空腐蝕環(huán)境多參量集成監(jiān)測(cè)技術(shù)，為探索腐蝕損傷機(jī)理、提升我國(guó)航空裝備腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)與維護(hù)水平提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

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