PVDF傳感器和WSN 的振動信號測量系統(tǒng)

劉迎澍，熊瑞輝

（天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072）

引 言

聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）壓電薄膜是一種高性能、低成本的高分子壓電材料，具有質(zhì)量輕（膜片厚度可達(dá)μm 級）、輸出響應(yīng)速度快（可達(dá)ns級）、靈敏度高（在0～20GPa范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出）、安裝方便（可直接貼附在被測物體表面）等突出優(yōu)點(diǎn)。

由于PVDF薄膜能夠方便、快捷、精確地測量彈性體的形變，因而在聲學(xué)及振動測量方面具有較高的應(yīng)用價值，其應(yīng)用范圍涉及工程、科研及醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，可安裝在梁體、殼體等結(jié)構(gòu)的表面，作為聲學(xué)及振動傳感器［1-6］，或用于識別梁體、殼體等結(jié)構(gòu)的表面損傷［7］；可以安裝在輪胎內(nèi)側(cè)胎面，用于測量車輛行駛過程中胎面與路面的摩擦力，為車輛防抱死系統(tǒng)（ABS）及車輛穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）提供實(shí)時的路面信息［8］；可以貼附在人體皮膚表面，用于測量肌肉及血管的運(yùn)動［9］；還可以安裝在路面上，用于高速公路收費(fèi)處的車輛稱重［10］。

當(dāng)被測數(shù)據(jù)點(diǎn)較多需要采用傳感器陣列（如大型建筑物或復(fù)雜結(jié)構(gòu)）、或傳感器距離監(jiān)控系統(tǒng)較遠(yuǎn)（例如遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控及診斷）時，傳感器的輸出信號不能直接連接到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端口。此時，可借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。本文針對上述應(yīng)用領(lǐng)域，研制了基于無線傳輸?shù)腜VDF 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中振動傳感器陣列的多點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集和傳輸提供了高效、可靠的解決方案。

1 硬件構(gòu)成

基于PVDF壓電薄膜傳感器和無線傳輸?shù)恼駝有盘枩y量系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

整個系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置包括振動信號測量模塊和主控單元，前者集成了振動信號調(diào)理電路、AVR 微處理器（ATmega 8A）以及nRF24L01無線收發(fā)模塊，用于采集來自PVDF傳感器的振動信號以及實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理和無線傳輸功能；后者主要包括Cortex-M3微控制器（STM32F107VCT6）、SD卡和無線收發(fā)模塊，用于接收并存儲來自各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。PVDF傳感器貼附在被測的彈性體表面，如圖2所示。

圖1 振動信號測量系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2 振動信號測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 振動信號測量模塊的控制單元

圖3所示的振動信號測量模塊中，AVR 微處理器和振動信號調(diào)理電路在電路板的正面，nRF24L01無線收發(fā)模塊安裝在電路板的反面。AVR微處理器具有運(yùn)算速度快、資源豐富、功耗低等特點(diǎn)，其主要功能是：

①通過其內(nèi)置的A／D 轉(zhuǎn)換器將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；

②通過無線收發(fā)模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至主控單元。無線收發(fā)模塊與AVR 微處理器之間通過串行口實(shí)現(xiàn)通信。

1.2 信號調(diào)理電路

圖3 振動信號測量模塊電路板

壓電式傳感器的輸出信號能量不僅十分微弱，而且內(nèi)阻抗非常高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。考慮到PVDF壓電傳感器產(chǎn)生的電荷信號變化比較微弱，電荷信號很容易被干擾，還有各種噪聲的影響，為了克服上述傳統(tǒng)信號調(diào)理電路的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以集成4個運(yùn)放的LM324為核心原件的PVDF 信號調(diào)理電路。該電路包括兩部分：電荷放大電路和濾波放大電路，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的該電路工作穩(wěn)定可靠、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)。

圖4 信號調(diào)理模塊電路圖

由于PVDF壓電傳感器的壓電晶體電容較小，即產(chǎn)生的電荷量很小，而且晶片的漏電阻很高，即內(nèi)阻抗很大，達(dá)到TΩ 級。在這樣的前提下，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗電荷放大電路。其作用：一是把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出微弱信號。因此電荷放大電路的輸入阻抗R1選為100 MΩ。

濾波器為二階有源低通濾波器，用來補(bǔ)償傳感器引起的高頻幅頻特性和衰減頻帶內(nèi)無用的高頻分量。信號濾波后通過外部放大電路放大輸出。

1.3 無線收發(fā)裝置

本設(shè)計(jì)選擇nRF24L01作為無線收發(fā)裝置，這是因?yàn)閚RF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz頻段的單片射頻收發(fā)芯片，并且其內(nèi)置PCB 天線，體積小巧，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制、無線音視頻傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

nRF24L01無線收發(fā)模塊具有貼片以及直插兩種類型。為了減小體積和降低功耗，振動信號采集模塊上選用了貼片型的無線發(fā)射器，而對于主控單元上的接收模塊則沒有這方面的要求，因此選用了直插型的無線接收器。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號采集與數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

振動信號無線測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊負(fù)責(zé)將PVDF傳感器采集到的振動信號（經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理）傳輸至主控單元，其程序流程如圖5所示。主控單元相應(yīng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、存儲并顯示輸出，其程序流程如圖6所示。

圖5 信號采集與數(shù)據(jù)傳輸流程圖（振動信號測量模塊）

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖（主控單元）

2.2 數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

主控單元通過無線模塊接收來自振動信號測量模塊的數(shù)據(jù)，其軟件流程如圖6所示。對nRF2401 進(jìn)行初始化設(shè)置為接收模式，將采集到的數(shù)據(jù)送入Cortex-M3微控制器的GPIO 端口，同時連接示波器顯示信號波形，以檢查數(shù)據(jù)是否成功接收。

3 測量結(jié)果

主控節(jié)點(diǎn)通過無線收發(fā)模塊接收來自振動信號測量模塊的數(shù)據(jù)，存儲到SD 卡中。為了觀察振動信號，主控單元將接收的數(shù)據(jù)通過控制器端口輸出，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由示波器顯示輸出。本實(shí)驗(yàn)按振動的強(qiáng)弱程度分為兩種情況：輕微振動以及較大振動情況下波形的變化。采集的振動信號曲線分別如圖7（a）、（b）所示。

圖7 振動信號采集結(jié)果

從圖7（a）、（b）中可以觀察出，在不同振動強(qiáng)度下，壓電薄膜傳感器所對應(yīng)的輸出電壓不相同，并且振動強(qiáng)度越大，壓電薄膜傳感器所對應(yīng)的輸出電壓越大。同時，實(shí)驗(yàn)研究表明，壓電薄膜傳感器的輸出電壓與振動強(qiáng)度有很好的線性關(guān)系，因此可以根據(jù)傳感器的信號判斷振動強(qiáng)度。

結(jié) 語

本文研制了一種基于壓電薄膜（PVDF）傳感器以及無線傳輸?shù)恼駝有盘枩y量系統(tǒng)，以滿足大型負(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中振動傳感器陣列對多點(diǎn)信號實(shí)時傳輸?shù)囊蟆Ｔ撓到y(tǒng)包含振動信號采集模塊及主控單元，前者集成了振動信號調(diào)理電路、ATmega 8A微處理器以及nRF24L01無線傳輸模塊，用于采集來自PVDF傳感器的振動信號以及實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理和無線傳輸功能；后者包括Cortex-M3微控制器、SD 卡和無線接收模塊，用于實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的接收和存儲。

本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、通信距離較遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的振動信號測量以及實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，因而可以廣泛應(yīng)用在工程、科研及醫(yī)療等領(lǐng)域。

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