自組網無線動態應變檢測節點設計

喬卿陽，王競，張婷

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自組網無線動態應變檢測節點設計

喬卿陽，王競，張婷

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文設計了高精度自組網無線動態應變采集電路。設計采用TI公司的ZIGBEE解決方案進行無線自組網網絡建立，采用恒流式電橋提高傳感器的抗干擾能力和精度，并進行ADC驅動電路的分析設計，并進行現場實驗。實驗表明該方案具有較好的環境適應性、可維護性并具有優異的采集精度，可以滿足大型復雜結構的分布式疲勞測試。

自組網 態應變 恒流式電橋

0 引言

現代產品競爭要求產品在同樣的結構下具有更好的效率、壽命、可維護性和可制造性。靜態結構和疲勞測試可以很好的為以上問題提供解決方法。生產周期和成本控制要求急需新的測試方法來縮短測試周期和測試成本。現代測試方法面臨的挑戰主要包括以下幾個方面：測試點的增加、合理的測試點布局和識別、減小測試的不確定性、復雜結構測試的線纜布置和測試裝置的靈活性[1]。

本文設計的高精度無線動態應變采集節點采用ＴＩ的ＺＩＧＢＥＥ硬件解決方案進行自組網無線局域網絡的組建，采用高精度Δ－Σ模數轉換器輔以精密信號調理電路進行數據轉換，具有自組網絡、體積小、安裝靈活、采集精度高的特點，能夠有效解決傳統采集方式的以上問題，適用于對復雜結構件進行疲勞測試的場合。

1 數據采集電路

本文設計的無線動態應變采集節點包括數據采集電路和無線發射電路。由于ZiGBEE的傳輸速率限制，在數據采集電路和無線發射電路之間設計數據緩沖電路進行數據的緩沖存儲。

數據采集電路由電橋電路、ADC驅動電路、基準源電路和數據轉換器構成。本設計采用日本AKM公司的24位高性能Δ－Σ數據轉換器AK5393vs進行采集電路設計。AK5393vs的無雜散動態范圍達到117dB，信噪比也達到117dB，并且采用差分輸入方式，其兩對模擬輸入通道實現完全隔離，可滿足設計的要求。AK5393vs自帶抗混跌濾波器并具有過采樣功能，可以大大簡化驅動電路設計。另外其完全隔離的兩路高精度輸入可以保證采集精度[2]。ADC控制電路可設計如下：

應變采集有機械式、涂層方法、光纖和金屬箔式應變片四種方法。機械式精度較低、涂層和光纖則對布置環境有較高要求只可在實驗室實現。而金屬箔式應變片具有較長的壽命、精度和動態特性，故本設計采用120Ω金屬箔式應變片進行電橋組建。電橋激勵可分為電壓源激勵與電流源激勵兩種[1]。電壓源激勵電橋抗干擾能力差并且伴隨引線距離的增加衰減比較嚴重。而電流源激勵電橋可以很好地解決以上問題[3]。

恒流源輸出電流

即恒流源輸出電流不得大于41mA，在實際設計中考慮到電橋功耗要求

若采用40mA驅動電流，則功耗Pbrg=0.192W，若驅動電流為20mA，則功耗將為0.048W，此時共模電壓

輸入電壓滿足ADC的輸入電壓要求，若ADC采用2.5 V基準電壓源，輸入電壓可以基本達到滿量程輸入。

由于電橋采用雙端輸出差分輸入，等長引線引起的寄生電壓即共模噪聲可以很好的抑制。而動態應變由于采樣頻率較高，溫漂效應對應變影響較小可以忽略[4]。由于采用電流源方式，此橋路采用半橋方式以簡化電路設計及布局。

恒流源采用TI公司的REF200和OPA602組合方案來實現。

圖上的板橋電路考慮了引線電阻的影響。假設引線長度相同則引線電阻Rl相同，兩個可變橋臂的特性參數相同，應變片的特性參數為g，則半橋應變輸出電壓：