基于振動信號的傳感器節點性能測試系統設計*

梁幫偉，韋佳宏，劉 沖，張志新

(1.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連116024;

2.大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統重點實驗室，遼寧 大連116024;3.大連大學 機械工程學院，遼寧 大連116622)

0 引 言

傳感器節點綜合傳感器、嵌入式等技術被廣泛應用在生態監測、健康監護、家庭自動化等領域。將傳感器節點應用于鋼軌振動監測，采集數據可用于分析鋼軌振動特性與損傷特征(折斷、磨損、裂紋等)之間的對應關系。故障節點會產生并傳輸錯誤數據，這將消耗節點的能量和帶寬，甚至會導致形成錯誤的決策［1］。由于傳感器節點集成多種功能，需要煩瑣的測試才能查明故障，現場測試或維修必然耗時耗力［2，3］。因此，在節點現場應用之前，需對其數據采集功能進行測試。目前針對節點采集性能測試的一種普遍方法是將信號發生器產生的標準信號輸入給傳感器節點［4～6］，通過比較標準輸入與節點輸出來判定節點性能。但是信號發生器提供的標準輸入大都是簡單周期信號，不能很好地反映節點對非穩態瞬變信號的響應;另一種方法是將節點和標準測試設備同時安裝在測試現場，通過比較兩者輸出來判定節點數據采集正確與否。這種方法可靠程度高，但是需要現場安裝，測試周期長，效率低，不適合大規模測試。

本文設計了用于檢測傳感器節點工作性能的振動測試系統。測試系統能產生穩定的振動測試信號并輸出至傳感器節點。通過對節點采集到的數據進行時頻分析，可以對節點的工作性能進行判定，避免了因故障發現不及時而造成的決策失誤和不必要的現場維修。

1 測試系統設計與實現

測試系統由控制單元、功率放大器、激振器、簡支梁以及監控軟件構成。控制單元由MSP430 單片機輸出激勵信號，信號經功率放大器增益后驅動激振器振動，激振器動子部分激振簡支梁使之產生形變和振動。簡支梁表面安裝有應變傳感器和加速度傳感器，傳感器信號經由傳感器節點發送到上位機監控軟件，通過監控軟件上顯示的數據和曲線來判斷傳感器節點是否正常運行。

1.1 控制單元設計

控制單元設計包括供電模塊設計、主控模塊設計及其軟件設計。供電模塊實現電壓轉換，給主控模塊提供穩定的供電電壓;主控模塊由MSP430 單片機產生激勵信號和其他控制信號。

1.1.1 主控模塊設計

主控模塊選擇MSP430 單片機作為控制芯片，實現對信號頻率、幅值以及激振時長等的設定。單片機通過程序控制經引腳P3.0 輸出方波信號。方波信號的頻率10 Hz，持續10 s。

根據測試的需要，并參考運營列車實際經過的頻率，激振周期可在2，5，10，20 min 這4 個檔位之間進行調節。電路控制原理如圖1 所示。5 V 電壓經過兩路電阻器和開關后接地。開關S1 和S2 的開關狀態決定了4 種輸入，即0x00，0x01，0x10 和0x11，分別對應著上述4 種時間周期。

圖1 激振周期選擇電路Fig 1 Circuit for selecting exciting period

1.1.2 軟件設計

程序流程見圖2。首先進行系統初始化，包括系統時鐘、引腳、定時器和看門狗初始化。然后程序進入主函數，查詢開關S1 和S2 的狀態。依據查詢結果，程序選擇運行某一激振周期。當觸發時間滿足設定要求，系統進入中斷程序，由引腳P3.0 輸出方波信號，輸出限定的方波周期后跳出中斷，繼續查詢開關狀態。

1.1.3 供電模塊設計

主控模塊設計為5 V 直流電源供電，需要對外部220 V交流輸入進行轉換。電壓轉換電路設計如圖3 所示。

首先對220V 輸入電壓進行降壓，變壓器T1 的匝數比為25∶1，經過變壓后的電壓V=220 V/25≈9 V;變壓之后的電源仍為交流，選用4 只1N4001 二極管組成全橋整流電路將其轉換為直流;整流后電壓波動大，選用1 000 μF 的電容器C1 進行濾波。濾波電容器的設計應滿足C1≥(1.5～2.5)/fR［7］，f 為輸入交流電的頻率，R 為負載的等效電阻。最后通過穩壓芯片LM7805，輸出5 V 直流電壓，使電壓的穩定性大大提高。

圖2 程序流程圖Fig 2 Program flow chart

圖3 電壓轉換電路Fig 3 Voltage converting circuit

1.2 功率放大器和激振器的選擇

功率放大器的作用是將來自信號源的小功率信號放大，供給激振器驅動線圈足夠的驅動電源。根據信號源的特點和激振器的輸入要求，選擇某公司功率放大器。其額定功率為100 W，最大輸出電流10 A，最大輸出電壓10 V，增益30 dB。

測試系統中激振器用于激勵簡支梁，使其產生變形和振動，從而提供信號給應變片和加速度傳感器。根據軟件仿真和實驗調試，最終選擇某公司的激振器。其額定出力50 N，額定電流5 A，力常數10 N/A，最大振幅±3 mm。實驗測試中，可以通過調節線圈中電流的大小來改變激振力的大小。

1.3 簡支梁結構設計與實現

簡支梁結構設計如圖4 所示。支架采用可以靈活多變組合的支吊架系統，穩定可靠，安裝快速簡便;簡支梁材料為45#鋼，具有一定強度和剛度;由于測試中激振器主要用于低頻激振，所以，激振器通過激振器座固定在支架上，不僅保證了在激振過程中激振器與簡支梁的相對位置不變，又增加了測試系統整體的穩定性。激振器直接激勵梁的中間位置，所以，此處的梁的形變和瞬間加速度也最大，實驗效果比較明顯。因此，將電阻應變片和加速度傳感器固定安裝在梁的中間位置，并通過信號線將應變信號和加速度信號引出至傳感器節點。

2 系統應用測試

搭建測試系統，連接儀器設備和傳感器節點單元，設定采集參數后開始測試，如圖4 所示。傳感器節點單元由大連理工大學開發，用于采集輪軌激勵下鋼軌的振動信號，內有動態應變采集節點和加速度采集節點。

圖4 測試系統搭建Fig 4 Build up testing system

2.1 動態應變采集節點測試

測試過程中緩慢旋轉功率放大器的增益旋鈕，使流過激振器的電流達到1 A。在激振器的激振過程中，簡支梁受力示意圖如圖5 所示。

圖5 簡支梁受力示意圖Fig 5 Force diagram of simply supported beam

集中力F 作用于梁A，B 中間位置L/2 處。容易計算出此處梁所受的彎矩為M=KdFL/4，Kd為梁在沖擊載荷下的動荷因數。

由于h≥2b，所以，這里忽略彎曲切應力的影響。當激振器電流為1 A 時，出力F=10 N，L=520 mm，b=50 mm，h=3 mm，Kd經計算取1.15，查表可得45#鋼的彈性模量E=210 GPa。帶入以上值，得

在相同工況下，由動態應變節點和標準測試儀器分別測得5 組動態應變數據，取每組數據峰值的最大值作為分析依據，記錄見表1(由于實驗時間較短，而且是在室內進行，不考慮溫度的影響。)

表1 動態應變最大峰值Tab 1 Maximum peak value of dynamic strain

由表1 分析可知，動態應變傳感器節點測得該工況下的采集的應變平均值為90.14×10－6(傳感器單元測量精度在±10×10－6以內)，由標準儀器測得的應變平均值為93.01×10－6，這與理論計算所得的數值基本一致，可以認為節點數據采集正常;反之，如果在同樣工況下，節點采集值偏差較大，便即可判斷節點內部發生故障，暫不能應用于測試現場。

2.2 加速度采集節點測試

測試過程中旋轉功率放大器的增益旋鈕，使流過激振器的電流達到1 A。由加速度傳感器節點和標準測試儀器分別采集5 組加速度數據，取每組數據中正向最大峰值記錄見表2。

表2 加速度正向最大峰值Tab 2 Maximum peak value of acceleration in forward direction

對一組加速度數據進行傅里葉變換，得到簡支梁振動的幅頻特性曲線。

由表2 中的數據可知，加速度節點采集到的峰值略小于標準儀器的采集值，但是基本一致，這是由于傳感器節點的頻響范圍較窄造成的峰值衰減。由圖6 可知，經過傅里葉變換，二者所得結果趨于一致，均在300～500 Hz 和900～1 100 Hz頻率范圍內幅值最大。通過分析另外4 組數據，也有一樣的結果。這說明在設定的參數下，系統在這2 個頻帶內的能量最高。所以，如果在相同工況下，傳感器節點采集到的正向峰值遠離90 gn，并且通過幅頻特性分析，最大能量沒有落在300～500 Hz 和900～1 100 Hz 頻率范圍內，可判斷傳感器節點出現異常。

圖6 幅頻特性曲線Fig 6 Amplitude-frequency characteristics curve

3 結 論

本文基于MSP430 單片機開發技術，設計并實現了用于測試傳感器節點工作性能的振動測試系統?？梢栽诠濣c投入使用前對其進行測試。該測試系統由控制單元、激振器、簡支梁結構等組成。通過對比試驗，該測試系統實用性強，運行可靠，能夠給傳感器節點提供穩定有效的振動測試信號，檢測效率高，故障發現及時，對故障檢測具有指導意義。

［1］ 季 賽，袁慎芳.無線傳感器網絡中節點故障診斷方法的研究［J］.計算機工程與應用，2010，46(23):95－97.

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［4］ 孫 文.多通道數據采集系統的設計與實現［D］.長沙:湖南大學，2013.

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