基于AD5933 的無線多通道微型阻抗測量系統設計與試驗研究?

譚志森，江 勇，馮 謙，3，梁亞斌，3?

(1.中國地震局地震研究所地震預警湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.湖北省地震局，湖北 武漢 430071；3.武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071)

壓電阻抗技術是指通過壓電片電阻抗信號的變化來反映主體結構機械阻抗的變化，進而反映被測結構的服役健康狀態。相較于其他類結構無損檢測技術具有眾多優點，可以不基于被測結構任何的物理模型而實現對結構的高頻激勵(大于30 kHz)和連續在線實時監測，尤其適用于復雜結構前期微小損傷的監測和識別，是工程結構健康監測領域一種頗具發展潛力的無損檢測技術[1－2]。國內外眾多學者針對壓電阻抗技術在土木水利[3]、能源運輸[4]、航空航天[5]、機械制造[6]等領域的結構無損檢測監測工程應用開展了大量試驗研究，其中基于AD5933微型阻抗測量芯片的結構損傷識別技術近些年受到了廣泛的關注。

AD5933 微型阻抗測量芯片具有造價低、體積小等優點，具備解決結構損傷識別領域中阻抗儀體積大、成本昂貴等問題的潛力，國內外相關學者對其開展了一系列研究，并已成功將其用于鋼梁裂紋[7]、混凝土梁空洞[8]、管道螺紋接頭[9]或螺栓松動[10]等病害的監測識別。與此同時，為提升AD5933 阻抗測量芯片的工程易用性，豐富其測量功能，李靜等[11]基于AD5933 芯片研發了阻抗儀及開發了相應的上位機軟件，并予以圖形化顯示；溫新華等[12]研制了基于AD5933 的便攜式阻抗儀，設計信號調理電路消除直流分量及輸出阻抗的影響，并通過觸摸屏顯示測量結果。然而目前國內外相關研究中，基于AD5933 阻抗測量的評估板或開發板，依舊存在數據傳輸距離短、測量通道單一、需人工值守等問題，給實際工程應用帶來了諸多不便。

為此，本文提出了一種以AD5933 阻抗測量芯片為核心，同時集成無線通信、多通道自動切換等功能模塊，具備無線數據傳輸、多通道多測點采集、遠程數據后處理等功能的無線多通道微型阻抗測量采集分析系統。本文首先詳細介紹了該阻抗測量系統的設計思路和原理，包括集成功能模塊、電路原理以及阻抗測量和修正過程；之后，分別將研制的微型阻抗分析儀與其他兩種典型的有線阻抗測量裝置的實際結構阻抗測量效果進行對比和分析，以及將微型阻抗分析儀用于實驗室管道法蘭連接模型的多螺栓服役狀態監測，通過試驗驗證所研制阻抗測量系統的數據無線傳輸和多通道測量的實際效果和工程適用性。

1 阻抗測量系統設計

本研究開發的無線多通道微型阻抗測量系統采用上下位機的設計思路，主要包括下位機前端測量單元(無線多通道微型阻抗分析儀)和上位機遠程服務器測控分析平臺，如圖1 所示。在被測結構表面粘貼壓電陶瓷片(Pb-based Lanthanumdoped Zirconate Titanates，PZT)并將PZT 連接于前端測量單元，之后遠程服務器測控分析平臺通過無線(4G)網絡向前端下位機發送控制測量指令，下位機接收并解析上位機平臺傳達的測量指令，根據指令選擇電阻開關和測量通道以及執行阻抗測量操作，隨后將測量數據回傳給上位機平臺，最終遠程分析平臺接收并修正數據后即可獲取被測結構實測阻抗信號。

圖1 阻抗測量系統設計及使用流程圖

1.1 功能模塊

前端測量單元(即無線多通道微型阻抗分析儀，如圖2(a)所示)，尺寸為80 mm×200 mm×150 mm，重量為1.2 kg，主要由四個功能模塊組成:①微控制器模塊，②阻抗測量模塊，③無線通信模塊，④電源模塊。其中，微控制器模塊通過對阻抗測量模塊下發激勵指令和回收反饋數據，實現被測結構阻抗信號的測量和采集；通信模塊用于在前端測量單元與遠程服務器測控分析平臺之間建立4G 數據通信，實現遠程分析平臺對前端測量單元的命令控制，以及阻抗測量信號的數據回傳；電源模塊主要用于給前端測量單元各功能模塊提供穩定的電壓輸入，保障其正常工作。

圖2 前端測量單元:無線多通道微型阻抗分析儀

所設計的電路板(PCB)如圖2(b)所示，前端測量單元的阻抗測量模塊以AD5933 阻抗測量芯片為核心，微控制器模塊采用STM32 芯片，無線通信使用WH－LTE－7S4 模塊，電源模塊則將12 V 電壓分別轉換成7 V 和3.3 V，分別用于各功能模塊供電。ADG708 芯片用于控制8 個測量通道的切換，ADG706 芯片用于16 個校準電阻和16 個參考電阻的控制和切換。

1.2 電路原理

本研究設計的無線多通道阻抗測量系統前端測量單元中，阻抗測量部分主要包括AD5933 阻抗測量電路和通道切換電路，電路原理如圖3 所示。

圖3 前端測量單元阻抗測量電路原理圖

AD5933 阻抗測量電路內部集成了直接數字頻率合成器(DDS)、數模轉換器(DAC)、模數轉換器(ADC)和數字信號處理引擎。在阻抗測量過程中，直接數字頻率合成器產生最高100 kHz 的正弦激勵電壓[13]，對耦合在待測物體上的壓電材料(如PZT)進行激勵并得到被測結構的響應信號；之后，響應信號被增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)和模數轉換器(ADC)處理后，輸送到數字信號處理引擎(DSP)進行離散傅里葉變換(DFT)，得到最終的頻域阻抗信號實部和虛部。

為實現AD5933 測量和校準通道的自動切換，本文在研制的微型阻抗分析儀中加入了多通道切換電路，主要包括一個8 路模擬開關ADG708 和兩個16 路模擬開關ADG706。通過微控制器STM32 控制8 路模擬開關ADG708(U4)實現對Z1～Z8 通道切換的控制，進而實現8 個阻抗待測通道的自動切換；微控制器通過控制16 路模擬開關ADG706(U3)切換S1～S16 開關，實現對R1～R16 共16 個內嵌校準電阻的自動切換；微控制器通過控制16 路模擬開關ADG706(U5)切換S1～S16 開關，實現對F1～F16共16 個內嵌反饋電阻的自動切換。

1.3 阻抗測量及修正

所研制的微型阻抗分析儀，其阻抗測量過程可以分為校準階段和測量階段[9]。在校準階段，微控制器控制U2 開關切換至S1，并根據上位機指令控制ADG706 低壓多路復用器分別選擇U3 中的某一校準電阻通道(電阻值記為RCAL)以及U5 中的某一反饋電阻通道(電阻值記為RFB)，其中。之后，執行上位機測量指令，采集此時接入校準電阻和反饋電阻工況下，AD5933 阻抗測量電路測量并儲存在寄存器中的阻抗實部R1和虛部I1。

根據所得R1和I1計算增益系數GF 和系統相位θsystem，計算公式如下:

在測量階段，微控制器控制U2 開關切換至S2，并控制ADG706 選擇與校準階段相同的反饋電阻通道，以及根據上位機測量指令控制ADG708 選擇接入待測結構的某一測量通道。之后，執行阻抗測量指令，采集AD5933 此工況下測量得到的阻抗實部R2和虛部I2。

此時，根據所得的R2和I2，計算阻抗模值Zx和測量階段的相位θ2，計算公式如下:

值得注意的是，上述計算得到的θsystem和θ2均需進行象限修正[14]。此外，相位θ還需進行系統相位修正[15]，修正公式如下:

由此，即可得到被測結構阻抗模值Zx和相位θ的精確測量值。

2 試驗測試

為檢驗本文研制的微型阻抗測量系統的實際阻抗測量效果，本文分別將微型阻抗分析儀與其他兩種典型有線阻抗測量裝置的實際結構阻抗測量效果進行對比和分析，以及將所研制的阻抗分析儀用于實驗室管道法蘭連接模型的多螺栓服役狀態監測，通過試驗驗證其無線傳輸和多通道測量的實際效果和工程適用性。

2.1 無線阻抗測量試驗

為驗證所述微型阻抗分析儀的實際阻抗測量效果，檢驗基于AD5933 的前端測量單元經無線(4G)網絡傳輸后的阻抗數據測量精度和準確性，本文將所研制的微型阻抗分析儀分別與另外兩類典型的有線阻抗測量設備進行實際結構的阻抗測量結果對比。如圖4 所示，其中一類為目前國內外學者相關研究中普遍使用的精密阻抗分析儀，這里以英國穩科(Wayne Kerr)公司研制的WK6500B 為例，尺寸和重量分別為190 mm×440 mm×525 mm 和15 kg；另一類選擇AD5933 阻抗評估板，尺寸和重量分別為80 mm×80 mm 和237 g，此類評估板因其造價低、體積小、重量輕等優點，近些年在結構健康監測和損傷識別領域受到了廣泛關注。

圖4 三類阻抗測量設備對比

測試對象選擇一個粘貼壓電陶瓷片(PZT)的螺栓(如圖4 所示)，分別使用三種測量設備對其進行阻抗測量，結果如圖5 所示。由圖可以看出，本文所研制的無線微型阻抗測量裝置與精密阻抗分析儀及AD5933 阻抗評估板的阻抗測量結果較為吻合，峰值頻率點幾乎完全一致，僅在阻抗模值Z 的幅值上存在輕微差異。

圖5 三類設備阻抗測量結果對比

值得注意的是，試驗過程中精密阻抗分析儀通過RJ45 線與采集電腦有線連接，AD5933 評估板通過USB 線與采集電腦有線連接，而本文所研制的微型阻抗分析儀則是通過4G 無線通信模塊實現與遠端測控分析平臺的無線數據傳輸。因此，盡管三種阻抗測量裝置的阻抗測量結果較為吻合，均可用于實際結構的阻抗測量，但是微型阻抗分析儀除了具有體積小、重量輕的優點外，得益于無線傳輸模塊的集成，其還具備了無線數據傳輸、遠程數據后處理和無人值守的功能，這將極大地提升實際工程阻抗測量的便利性和實用性。

2.2 多通道阻抗測量試驗

為了驗證多通道微型阻抗分析儀所具備的多通道測量功能在多測點服役狀態監測上的優勢和適用性，本節在一個管道模型的法蘭連接上進行多螺栓松動狀態監測試驗。試驗模型如圖6 所示，兩段管道通過法蘭盤上的八個螺栓緊密連接，之后在八個連接螺栓表面分別粘貼壓電陶瓷片。針對管道法蘭的螺栓連接松動阻抗測量分析，目前國內外眾多學者進行了大量的研究和試驗，但是由于阻抗測量儀器自身限制，無論是采用精密阻抗分析儀還是AD5933 阻抗評估板，均只能使用單一測量通道，多個測點之間只能通過人工更換測量通道來實現多點阻抗測量，因此無法實現多螺栓松動狀態監測的測量通道自主切換，給未來實際工程應用帶來了諸多限制。

圖6 法蘭多螺栓松動測試

本文所研制的多通道微型阻抗分析儀，具有八個阻抗測量外接通道接口(BNC)，同時加入了多通道切換模塊，可根據上位機遠程測控分析平臺下發指令，實現最多八個通道的無干預切換阻抗測量，真正意義上實現被測結構多測點的阻抗采集分析，滿足實際工程需求。

在本試驗中，法蘭連接的八個螺栓均粘貼壓電陶瓷片，并通過BNC 線纜分別連接到微型阻抗分析儀的八個采集通道接口上，如圖6(a)所示。試驗開始前，通過扭矩扳手依次將八個螺栓緊固至50 N?m(緊固狀態)。此時，利用上位機測控平臺軟件下發八通道阻抗采集指令至微型阻抗分析儀，實現八個螺栓的阻抗數據測量和上傳，上位機接收回傳阻抗測量數據并對數據進行修正，得到此時八個螺栓緊固狀態下的阻抗數據并將其作為基準值。之后，如圖7(a)所示，將P3 螺栓完全松動，并再次施加扭矩至40 N?m，用以模擬實際螺栓的松動病害。此時，使用微型阻抗分析儀再次進行八通道阻抗測量，得到此時八個螺栓的阻抗數據，如圖7(b)所示。最后，將待測結果與螺栓緊固狀態下的阻抗數據基準值進行比較，這里使用均方根誤差(Root-Mean-Square-Deviation，RMSD)來量化計算二者偏差，結果如圖7(c)所示。結果顯示，相較于緊固基準值，螺栓P3 阻抗信號發生了較大變化，由此即可推斷P3位置螺栓發生了松動，進而實現管道法蘭多螺栓的松動損傷定位。

圖7 法蘭八螺栓松動狀態監測

相較于精密阻抗分析儀或AD5933 評估板僅可進行單通道采集和需人工切換測量通道的局限性，本文研制的多通道微型阻抗分析儀，只需一次安裝即可實現被測結構最多八個測點的阻抗信號采集，采集過程無需人工干預，非常有利于遠程無人值守操作，極大提升了結構阻抗測量的操作便利性和工程適用性。

3 結論

為解決AD5933 阻抗測量芯片及評估板在實際工程結構阻抗測量過程中，普遍存在的數據傳輸距離短、測量通道單一、需人工值守等弊端，本研究對AD5933 阻抗測量芯片進行功能模塊的集成和二次開發，研制了一款兼具無線數據傳輸、多通道多測點采集、遠程數據后處理等功能的無線多通道微型阻抗測量系統。之后，通過對一個粘貼壓電片的螺栓進行阻抗測量，將微型阻抗分析儀的測量結果與其他兩種典型的有線阻抗測量裝置的實際結構阻抗測量效果進行對比，驗證了所研制系統無線測量方案的可行性和測量結果的準確性；通過實驗室管道法蘭連接模型的多螺栓服役狀態監測，成功實現了多螺栓松動的識別和定位，進一步驗證了微型阻抗分析儀的多通道測量優勢。

綜上所述，本研究開發的無線多通道微型阻抗測量系統，與精密阻抗分析儀相比，其前端測量單元體積小、重量輕、造價經濟，相較于AD5933 阻抗評估板，更是具有無線數據傳輸、多通道多測點采集、遠程數據后處理等功能，可以較好地滿足工程結構的多測點實時在線監測和長期無人值守等需求，進而為壓電阻抗技術在實際工程結構病害檢測監測領域的未來發展和應用提供了一種新的解決手段。