利用無線多跳網絡振動傳感器實現過程監測

劉建波

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利用無線多跳網絡振動傳感器實現過程監測

劉建波

(海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 200139)

本文設計了一款基于無線傳感技術的低功耗無線多跳網絡振動傳感器實現結構三軸振動的過程檢測。采用高精度加速度傳感器拾取振動信息，通過二階巴特沃斯有源濾波器進行信號調理,最后通過基于Zigbee的無線傳感器網絡進行無線多跳網絡的組建和數據的發送,進行多傳感器數據融合。實驗證明本設計具有良好的精度和可操作性，具有數據溯源和存儲能力，能夠進行連續過程檢測。

無線傳感技術 多跳網絡 過程監測 有源濾波器 多傳感器數據融合

0 引言

現代工業生產過程對設備的可靠性要求越來越高，振動分析作為結構健康檢測的重要內容，可以為生產設備的狀態提供直觀的數據。在確定振動源時傳統測試方法的局限性更加明顯[1]。

無線多跳網絡振動傳感器可以實現高重復度的測量、精確評估采集到的數據、測量的頻率和時間安排、傳感器的位置和分布，適當的文檔記錄和可追溯性隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動傳感器的出現，預見性維護程序開發人員終于能夠擺脫以往振動分析方法的限制和不足，大幅提高數據采集過程的質量和完整性。 本文提出了一款高線性度、低噪聲、寬帶自組網無線三軸振動檢測解決方案。該方案適用于要求具有寬動態范圍(±200 g)以及平坦頻率響應(從直流到1300 Hz)的應用。該電路提供了適合于復雜件全面振動過程檢測的低功耗解決方案。

1 無線多跳網絡振動傳感器結構

無線多跳網絡振動傳感器由振動傳感器、信號調理電路及ADC、電池充電電路和自組網無線收發電路組成。

本設計選取CN3063進行充電電路設計。

振動傳感器進行振動信號的拾取并將信號傳輸至信號調理電路。由于連續過程數據量較大，同時實現數據的可追溯性，存儲器對于電路是非常必須要的。設計選取TI公司的C2538 Zigbee 解決方案進行自組網無線網絡的建立。CC2538 是一款針對高性能Zigbee 應用的理想片上系統，其運行的Z-Stack保證其成為功能強大的Zigbee 解決方案。

本設計選取ADI公司的ADXL377BCPZ-RL作為振動提取器件。ADXL377BCPZ-RL具有優異的性能，其動態范圍為±200 g，且帶寬為1300Hz，非常適合需要寬帶、小尺寸、低功耗以及可靠性的應用。其內置的加速度計輸出經過寬帶寬差分轉單端轉換器進行差分信號輸出，可充分發揮傳感器的機械性能。

2 振動傳感器及信號調理電路設計

電源噪聲對ADXL377BCPZ-RL精度影響較大，在進行設計時必須對電源進行去耦以保證加速度噪聲最低。而在工業應用中更需要考慮市電的干擾，此時需進行大電容去耦并添加鐵氧體磁珠確保電源線路具有低阻抗[4]。

1）ADXL377BCPZ-RL的帶寬受引腳外接電容控制，其三軸輸出具有限制帶寬功能。加速度傳感器三軸輸出電阻為32KΩ，由此可計算其-3dB帶寬

由于內部輸出電阻的容差通常在±15%的范圍內變動，其帶寬也會隨之變化。ADXL377的典型輸出帶寬為1000 Hz，此時輸出電容值為5nf，以便抑制混疊誤差。為最大程度減少混疊，對其進行濾波設計時3dB帶寬選取為1000Hz。為對其進行濾波本設計進行有源濾波器設計[4]。設計采用filter solutions軟件進行濾波器輔助設計?？紤]到通帶內最小失真設計選取二階巴特沃斯低通濾波器，濾波器截止頻率1000Hz，增益為1，由于加速度計輸出電阻32KΩ，濾波器輸入電阻也設為32KΩ?？紤]到電源供電需求本設計選取TI公司的低功耗精密放大器OPA2333進行有源濾波器設計。仿真電路如下。

通過計算可得到其S函數：

時域和頻域仿真分析如下：

通過上圖可以看出在1000 Hz 處該濾波器具有-3dB的衰減。群時延曲線為平行于X軸的直線說明其具有良好的線性度。以上濾波器可滿足加速度傳感器輸出濾波需要。

通過以上分析可設計傳感器與信號調理電路如下:

圖4 濾波器電路

ADXL377BCPZ-RL輸出頻率范圍為1300Hz，0g時輸出信號幅度為1.5 V。本設計選用凌力爾特公司的LTC1867L進行數據轉換。LTC1867L為16位8通道SAR低功耗模數轉換器，其采樣頻率高達175KSPS，完全可滿足設計需要。ADXL377BCPZ-RL輸出電壓范圍為0～1.5V，有源濾波器增益為1，即ADC輸入信號范圍為0～1.5V，由此可以確定ADC輸入參考電壓，本設計選取參考電壓源為Ti公司的REF5020，其輸出參考電壓為2.048 V，另ADC的位數為16位，由此可算出設計的理論精度為0.006 g。而實際中，ADC的有效位數可通過以下公式計算：

2）LTC1867L的SNR為83.7 dB，由此可計算出其有效位數ENOB=13，由此可算出設計的實際精度為0.05 g，可滿足大部分工業應用需求。REF5020的輸出電流高達10 mA，LTC1867L的參考電壓輸入電流根據手冊可查為0.1 mA，故不需要參考電壓緩沖電路，REF5020可直接驅動LTC1867L參考電壓輸入端。由此可設計ADC電路如下：

圖5 ADC電路

3）電池充電電路選用CN3063實現。CN3063能夠根據供電電源輸出電流自動調整充電電流，并且只需要很少的外圍設備，特別適合對體積要求較高的應用中。Riset為充電電流調整電阻，其充電電流：

本設計充電電流設為100 mA，故R應取值為1.8 kΩ。CHRG和DONE為充電指示端口，采用雙色LED驅動以表明充電狀態。

圖6 充電管理電路

3 無線收發器電路設計

CC2538為Ti公司基于ARM Cortex-M3的ZIGbee/IEEE802.15.4 射頻片上系統，其卓越的低功耗能力為便攜工業設備提供了良好的無線互聯解決方案。從數據表可查出CC2538的輸出阻抗為66±j64Ω，如何將能量最大限度的傳輸出去已達到最遠的距離是CC2538的設計關鍵。

CC2538的能量傳輸網絡是一個四端口網絡，對于一個四端口網絡，S系數可以表示其在各個方向上的傳輸方式[5]。其中S11表示能量輸出路徑，根據S11的計算公式：

從上公式可以看出當VSWR=1時傳輸效率達到最高，即沒有能量的反射。根據雅克比的最大功率傳輸理論，當源阻抗與負載阻抗相等時，功率可以最大限度的向負載端傳輸，即由于阻抗一致，能量在傳輸路徑上沒有損失[6]。假設源阻抗為Z，負載阻抗為Z，則可用反射系數來表明阻抗的匹配程度。

本設計采用smith圓圖軟件進行CC2538無線發射電路的仿真分析與設計。CC2530的源阻抗為66±j64 Ω，天線阻抗為50 Ω，因此匹配電路的設計目標是將差分阻抗電路轉換為單端的50 Ω特性阻抗。對于RF_P端口，其仿真模型如下。

在圖7中，1為66+j64 Ω阻抗位置。根據阻抗圓環特性，沿著阻抗圓順時針方向為增加串聯電感，沿著阻抗圓逆時針方向為增加串聯電容，沿著導納圓順時針方向為并聯電容，沿著導納圓逆時針方向為并聯電感。1-2路徑沿電阻圓逆時針方向表示串聯電容，電容值為17 pf，2-3路徑沿導納圓順時針方向表示并聯電容，電容值為1.1 pf，3-4路徑沿阻抗圓順時針方向移動表示串聯電感，電感值為3.9 nH。經過途中1-2-3-4的路徑后，阻抗由66+j64Ω轉移到50Ω位置。

可以看出經過RC匹配網絡變換后，輸出阻抗由66+j64 Ω變為50 Ω，實現了與天線的阻抗匹配，能量損耗最小。

對于RF_N,源阻抗為66-j64 Ω，其電路如下：

該電路同樣實現了阻抗由66-j64 Ω到50 Ω的變換。實現阻抗匹配后，由于CC2538的中心頻率為2400 MHz，頻帶范圍為(2400±50) MHz，還要進行選頻匹配電路設計。經過以上分析可設計CC2538射頻電路如圖11。

回路的幅頻特性公式可算出如（6）式。把f=2400 MHz，CL和L的值代入上式可得=Z。即選頻電路在2400 MHz處實現串聯諧振，能量全部傳送過去。

由于過程檢測要進行連續數據采集，傳感器節點若可以對數據進行處理，并將處理后的數據發送至數據集中器或網關，實現多傳感器數據融合，可大大減小數據傳輸速率和數據存儲的要求。數據存儲電路采用華邦公司的W25Q256FV芯片。W25Q256FV為串行FLASH芯片，其存儲容量高達32MByte，可滿足長時間數據存儲需要。

4 實驗數據及分析

現場試驗將傳感器至于鋼構懸臂梁上，分別進行靜止實驗和振動試驗。

圖12 數據存儲電路

靜態試驗采樣率5000 Hz，靜止實驗波形:

通過實驗可以看出在靜止時傳感器具有良好的靜態特性。隨著完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振動傳感器的出現，預見性維護程序開發人員終于能夠擺脫以往振動分析方法的限制和不足，大幅提高數據采集過程的質量和完整性。能夠更精確可靠地檢測性能變化，為大幅降低前期開發和循環維護成本提供了機會。

[1] M+P INTERNATIONAL. Continuous data acquisition, signal analysis and process monitoring[J]. 2009.

[2] Bob Judd. Everything you ever wanted to know about data acquisition[J]. United Electronic Industries, 2013.

[3] VTI Instruments. Precision performance measurement confidence infrastructure serviceability[J]. instruments, 2004.

[4] Hank Zumbahlen. Linear circuit design handbook[M], Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK 2008.

[5] M.M. 拉德馬內斯. 射頻與微波電子學[M]. 北京：科學出版社，2006.

[6] Ulrich L. Rohde, David P. Newkirk. 無線應用射頻微波電路設計[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

Implementation of Process Monitoring By Vibration Sensor Used in Wireless Multi-hop Network

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Shipyard(Group)CO.,LTD., Shanghai 200139, China)

2014-07-03

TM930

A

1003-4862（2014）11-0025-04

劉建波(1970-), 男，工程師。研究方向：檢測技術。