PVDF傳感器和WSN 的振動信號測量系統

劉迎澍，熊瑞輝

（天津大學電氣與自動化工程學院，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，具有質量輕（膜片厚度可達μm 級）、輸出響應速度快（可達ns級）、靈敏度高（在0～20GPa范圍內均能實現穩定輸出）、安裝方便（可直接貼附在被測物體表面）等突出優點。

由于PVDF薄膜能夠方便、快捷、精確地測量彈性體的形變，因而在聲學及振動測量方面具有較高的應用價值，其應用范圍涉及工程、科研及醫療等領域。例如，可安裝在梁體、殼體等結構的表面，作為聲學及振動傳感器［1-6］，或用于識別梁體、殼體等結構的表面損傷［7］；可以安裝在輪胎內側胎面，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（ABS）及車輛穩定系統（ESP）提供實時的路面信息［8］；可以貼附在人體皮膚表面，用于測量肌肉及血管的運動［9］；還可以安裝在路面上，用于高速公路收費處的車輛稱重［10］。

當被測數據點較多需要采用傳感器陣列（如大型建筑物或復雜結構）、或傳感器距離監控系統較遠（例如遠程醫療監控及診斷）時，傳感器的輸出信號不能直接連接到系統的數據采集端口。此時，可借助無線傳感器網絡和物聯網技術來實現傳感器數據的遠程傳輸。本文針對上述應用領域，研制了基于無線傳輸的PVDF 傳感器數據采集系統，從而為大型復雜結構中振動傳感器陣列的多點數據實時采集和傳輸提供了高效、可靠的解決方案。

1 硬件構成

基于PVDF壓電薄膜傳感器和無線傳輸的振動信號測量系統硬件構成如圖1所示。

整個系統的實驗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理電路、AVR 微處理器（ATmega 8A）以及nRF24L01無線收發模塊，用于采集來自PVDF傳感器的振動信號以及實現信號調理和無線傳輸功能；后者主要包括Cortex-M3微控制器（STM32F107VCT6）、SD卡和無線收發模塊，用于接收并存儲來自各傳感器節點的數據。PVDF傳感器貼附在被測的彈性體表面，如圖2所示。

圖1 振動信號測量系統硬件構成

圖2 振動信號測量系統實驗裝置

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理電路在電路板的正面，nRF24L01無線收發模塊安裝在電路板的反面。AVR微處理器具有運算速度快、資源豐富、功耗低等特點，其主要功能是：

①通過其內置的A／D 轉換器將傳感器信號轉換為數字量；

②通過無線收發模塊將傳感器數據傳輸至主控單元。無線收發模塊與AVR 微處理器之間通過串行口實現通信。

1.2 信號調理電路

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，為了克服上述傳統信號調理電路的缺點，設計了以集成4個運放的LM324為核心原件的PVDF 信號調理電路。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。實驗證明，設計的該電路工作穩定可靠、噪聲小、抗干擾能力強。

圖4 信號調理模塊電路圖

由于PVDF壓電傳感器的壓電晶體電容較小，即產生的電荷量很小，而且晶片的漏電阻很高，即內阻抗很大，達到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，用來補償傳感器引起的高頻幅頻特性和衰減頻帶內無用的高頻分量。信號濾波后通過外部放大電路放大輸出。

1.3 無線收發裝置

本設計選擇nRF24L01作為無線收發裝置，這是因為nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz頻段的單片射頻收發芯片，并且其內置PCB 天線，體積小巧，高效GFSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制、無線音視頻傳輸等領域。

nRF24L01無線收發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 軟件設計

2.1 信號采集與數據傳輸程序設計

振動信號無線測量系統的數據采集與無線傳輸模塊負責將PVDF傳感器采集到的振動信號（經調理電路預處理）傳輸至主控單元，其程序流程如圖5所示。主控單元相應地進行數據接收、存儲并顯示輸出，其程序流程如圖6所示。

圖5 信號采集與數據傳輸流程圖（振動信號測量模塊）

圖6 數據接收程序流程圖（主控單元）

2.2 數據接收程序設計

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

3 測量結果

主控節點通過無線收發模塊接收來自振動信號測量模塊的數據，存儲到SD 卡中。為了觀察振動信號，主控單元將接收的數據通過控制器端口輸出，經電平轉換后由示波器顯示輸出。本實驗按振動的強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 振動信號采集結果

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

結 語

本文研制了一種基于壓電薄膜（PVDF）傳感器以及無線傳輸的振動信號測量系統，以滿足大型負復雜結構中振動傳感器陣列對多點信號實時傳輸的要求。該系統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現信號調理和無線傳輸功能；后者包括Cortex-M3微控制器、SD 卡和無線接收模塊，用于實現傳感器數據的接收和存儲。

本系統具有結構簡單、體積小、成本低、通信距離較遠、抗干擾能力強等特點。實驗結果表明，本系統能夠實現準確的振動信號測量以及實時、可靠的數據傳輸，因而可以廣泛應用在工程、科研及醫療等領域。

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