基于無線技術的壓電陶瓷傳感器狀態監測研究

杜 菲 馬天兵

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

壓電陶瓷傳感器因具有響應快、頻帶寬的特點，被廣泛應用于結構振動控制和損傷探測中。但壓電陶瓷較脆，受力過大時容易斷裂，電流過大時容易被擊穿，它本身的狀態將直接影響到系統的可靠性。目前，已有學者針對傳感器的故障監測進行了研究，基本上都是采用可靠性較差的有線通信方式或神經網絡的方法[1～3]，神經網絡雖具有良好的非線性辨識能力，但網絡訓練的計算量大，很難滿足實時性要求。筆者以應用于結構振動多模態控制中的多組壓電片為研究對象，主要考慮斷裂或被擊穿的故障(不考慮壓電片部分損傷情況)，以LabVIEW作為上位機，單片機作為下位機，集無線和串口通信技術來實現8個壓電片的狀態監測，并通過實驗驗證了該方法的可行性和準確性。

1 壓電陶瓷傳感器狀態監測系統①

壓電陶瓷傳感器常用于梁、板或殼結構的振動檢測中，在有外界擾動時，梁、板或殼結構就會產生振動，粘附在結構基體上的壓電陶瓷傳感器會感應出相應的電壓信號，但如果傳感器本身出現故障，會造成檢測信號有所不同，因此，筆者設計了一種新型的壓電陶瓷傳感器狀態監測方法。

壓電陶瓷傳感器在正常和故障情況下會呈現不一樣的檢測結果，該結果先通過放大濾波電路進行信號調理，然后由A/D芯片轉換成數字量送給含單片機的無線發射模塊，再由含單片機的無線接收模塊接收信號，通過串口與LabVIEW上位機通信，最后在軟件里顯示各種傳感器的工作狀態，當傳感器工作狀態不正常時指示燈點亮，狀態正常時不亮，從而實現壓電陶瓷傳感器的狀態監測(圖1)。

圖1 壓電傳感器狀態監測系統工作原理

2 壓電陶瓷傳感器狀態監測系統硬件設計

系統的硬件主要由穩壓電路、放大濾波電路、A/D轉換電路、nRF905外圍電路以及51單片機外圍電路等組成[4，5]，限于篇幅，選取其中的主要電路和接口作介紹。

2.1 穩壓電路

nRF905芯片的工作電壓為1.9～3.6V，因此選用常用的ASM1117芯片將單片機系統板上5.0V電壓轉換成3.3V輸出來給nRF905供電。同時在芯片左右兩側并聯100、10μF電解電容濾波增強濾波效果。

2.2 nRF905外圍電路

nRF905收發器主要由晶體振蕩器、功率放大器、調節器、帶解調器的接收器和頻率調制器組成，其工作方式是ShockBurst模式，工作ISM頻段為433/868/915MHz，易于通過SPI接口進行編程配置。在發射功率為-10dB時，發射電流僅為10.0mA，接收電流僅為12.5mA，總體來說，電流消耗較低，當進入POWERDOWN模式時很容易實現節電節能。

2.3 STC89C52RC單片機與nRF905接口

在無線發射和接收模塊中，單片機需分配合適的引腳與905芯片和傳感器連接，單片機引腳分配見表1。

表1 單片機引腳分配

3 壓電陶瓷傳感器狀態監測系統軟件設計

3.1 串口調試

在硬件準備搭建完成后，在PC中寫好程序，通過串口和單片機通信，采用STC-ISP軟件進行程序燒錄，調試中選取MCU-TOOLS超級單片機工具，讀取串口數據來顯示數據傳送和接收過程。

當傳感器狀態發生變化時，調試界面最后字節的8位數據會呈現出不同的值(低電平有效，表示對應傳感器有故障)，圖2列舉了兩種狀態下無線數據傳輸結果，圖2a表示第4和第6傳感器出現故障時的代碼，圖2b表示所有傳感器狀態正常時的代碼。

a. 傳感器有故障時

b. 傳感器正常時

3.2 LabVIEW監測程序

LabVIEW程序主要包括串口初始化、讀串口數據、數據處理、顯示數據、寫串口數據、串口結束以及錯誤輸出(沒有則不輸出)等模塊。主界面中的8個指示燈分別代表8個壓電陶瓷傳感器的狀態(圖3)。當系統受到激振后，壓電傳感片(壓電陶瓷傳感器)在正常狀態下會感應出相應的電壓值，被設定為初始值。人為斷開傳感器模擬壓電陶瓷碎裂或被擊穿或接線脫落狀態故障，通過數據采集、無線傳輸和數據處理后，由相應的指示燈是否點亮來監測各個壓電片的狀態，具體監測過程可由傳感器狀態監測后面板顯示(圖4)。

圖3 傳感器狀態監測主界面(前面板)

圖4 傳感器狀態監測后面板

4 結束語

根據壓電陶瓷傳感器的特點，基于LabVIEW設計了一種傳感器狀態無線監測的方法，實驗證明該方法可實時地監測多個傳感器狀態，計算量小、可靠性高，將為后續的壓電智能結構的無線振動主動控制研究奠定良好的基礎。