面向板結構的小型化沖擊監測儀設計

劉淼　陳曉琦　金振洲

摘 要：文章詳細闡述了一種面向板結構的小型化沖擊監測儀的設計。硬件端使用航空鋁板作為沖擊發生的底板，之后使用壓電片作為沖擊發生端，最后使用ARM對沖擊數據做數模轉換。軟件端是通過LabVIEW建立采集模塊并用其連接ARM，實現數據的采集。并運用Mathscript模塊對數據進行處理從而得出沖擊圖像。在儀器的總體規模上實現小型化的同時實現了低成本化。

關鍵詞：沖擊監測；壓電片；ARM；LabVIEW

航空飛行器在飛行過程中，會與實際環境中存在的不可預知物體發生不同程度的碰撞并產生沖擊。這些沖擊在一定程度上影響著飛行器的飛行，甚至有可能造成嚴重的后果。

通過對結構沖擊監測儀器的研制，可以在一定程度上監測到結構損壞，同時間接保護重要的儀器和人員的生命安全。結構沖擊監測對實際沖擊進行監測和評估的過程關鍵在于對沖擊源信號的有效獲取和處理[1]。在實際工程中已經有過各種類型的沖擊監測儀器。但大多數為工業級的儀器，這些儀器尺寸大，功耗大，成本高而且易受電磁干擾，難以達到機載的具體要求。

本文設計的小型化沖擊監測儀以鋁板結構為對象，利用布置在鋁板表面的壓電傳感器將接收到的振動信號轉換為電信號，經電荷放大器放大后，將數據送入ARM。并使用LabVIEW和MATLAB對數據進行處理并顯示定位結果。本研究研制的小型化結構沖擊載荷定位儀旨在將儀器推廣至日常生活中。

1 沖擊監測相關理論

1.1 波達時間的提取方法（Hilbert變換法）

解析信號包含了信號的起始時間、持續時間、結束時間、信號到達峰值的時間等特征信息。只要設置合適的門檻值，以觸發方式采集信號，即可精確地測量這些時序和峰值向量[2]。

1.2 沖擊載荷定位方法（四點圓弧定位方法）

通過在板材上布置4只壓電傳感器組成一個矩形平面監測區域，如圖1所示。設沖擊信號源的位置為A（x，y），A點到壓電片1的波達時間為t1，到壓電片2，3，4的時間分別為t1+Δt1，t1+Δt2，t1+Δt3。因為該材料具有各向同性，信號源到達各個壓電片的速度相同為v，則A點與各壓電片的距離分別為vt1，v（t1+Δt1），v（t1+Δt2），v（t1+Δt3）。通過以各壓電片為半徑，以A點到各壓電片的距離為半徑，即可確定A點的位置，即沖擊信號源的位置[3]。

2 監測系統硬件設計

在航空板材中我們調查了LY12型航空鋁板。 LY12拉伸強度和伸長率在同類鋁板中都較高，而且廣泛運用于各種航空航天實驗中。考慮到具體需求，最終選擇了LY12板材。

我們選用了PZT5型圓形陶瓷壓電片，該種壓電片具有體積小、厚度薄、壓電信號明顯等優點，能完好地貼在鋁板表面，有效傳達沖擊產生的壓電信號，符合實驗的要求。

壓電陶瓷產生的電信號一般較微弱，需要連接放大設備才能更好地產生可被識別的信號波形，所以電荷放大器是一種必不可少的信號適調器，它能夠將傳感器輸出的微弱電荷信號轉化為放大的電壓信號。考慮到經費和設計等問題，本次研究選用常用的小型電荷放大器。

選用市面上流行的STM32F767作為ARM進行數據處理。以STM32為核心搭建操作平臺可實現Matlab及LabVIEW代碼的移植，使數據處理更加便捷。

3 監測系統軟件設計

軟件部分使用LabVIEW和Mathscript模塊在ARM上搭建了一個滿足可視化要求的數據處理集成系統對數據進行處理。具體實現步驟如下。

（1）打開LabVIEW的ADC選擇通道模塊，同步打開ARM的ADC通道并選擇合適的采樣頻率與帶寬，實現與上位機的交互并將數據傳導至處理模塊。

（2）將得到的波形在LabVIEW示波器模塊上實時顯示，并根據沖擊信號的波形特征判斷得到的波形是否為正確的沖擊波形，若不正確只需等板材穩定重新采集即可。

（3）將得到的波形做傅里葉變換去除波形中所摻雜的串擾。通過變換后的波形，使用Mathscript模塊對波形中的數據進行計算并得到波達時間。通過相關知識對所得波形進行評估。

4 沖擊監測系統研制

首先在航空鋁板上均勻地選取4個位置（位置應符合四點圓弧定位的要求）。之后壓電片傳感器和雙絞線焊在一起，并使用玻璃膠貼在選取的位置上。最后將遠離傳感器的雙絞線一端連接在示波器中，通過敲擊航空鋁板的某一選定位置獲得4組波形圖。由于實際研究中所購買的電荷放大器電壓過大，無法連接ARM，于是使用示波器代替ARM接受信號。之后對產生的信號進行波形判斷，判斷是否產生正確的沖擊波形。

在第一步得到波形后，將較為穩定的數據放入SD卡中，并將SD卡置入STM32板中。最終需要使用Mathscript模塊對數據進行精密處理，并以此得到最終得定位數據，主要通過Matlab的語句實現對數據得直流分量的處理和fft數據解析，并將最終波形顯示和判斷其正確性。由圖2和實際數據進行對比，最終結果和Matlab結果相同，由此可以確定該模塊可以進行數據的處理和處理結果的導出。

5 結語

通過多次實驗與測試，我們證實了該系統的可行性，但提出的設想在實際運行的過程中仍有很大的改進空間。在沖擊定位監測的研究中，目前還存在著各種各樣的問題，希望本次研究能夠在提供新思路的同時做出拓展，為結構健康監測研究提供自己的想法和建議。

[參考文獻]

[1]袁慎芳.結構健康監控[M].北京：國防工業出社，2007.

[2]PENG Z K，TSE P W，CHU F L.An improved Hilbert–Huang transform and its application in vibration signal analysis[J].Journal of Sound and Vibration，2005（1）：187-205.

[3]江艷.飛行器結構低速沖擊載荷定位研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.