IEPE三軸傳感器無線傳輸三維振動軌跡成像系統(tǒng)

李 強， 曹宏睿，， 吳國斌， 劉士興， 張永強， 趙金龍

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥 230009；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031）

0 引 言

國際熱核聚變堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）計劃是人類為解決能源問題而展開的重大國際合作項目，它將驗證人類和平利用聚變能源的可行性，是世界上第一個以等離子體自持燃料為目標(biāo)的聚變裝置［1］。其中軟X射線相機是ITER裝置中一項重要的診斷系統(tǒng)，通過監(jiān)測ITER裝置運行過程中輻射的軟X射線強度及分布，來研究等離子運行的不穩(wěn)定性和雜質(zhì)輻射等關(guān)鍵性問題［2］。軟X射線相機的硬件系統(tǒng)包括探測器、前置放大器、中繼放大器和采集系統(tǒng)等［3］。為保證裝置在運行過程中各個等離子體診斷系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，在診斷系統(tǒng)設(shè)計和測試的過程中需要在不同地板響應(yīng)譜條件下保證其可靠性。需要在不同振動的工況下對軟X射線相機系統(tǒng)進行振動監(jiān)測，監(jiān)測對象包括內(nèi)、外部相機的探測器部分（含光路）以及電子學(xué)部分的組件［4］。在振動監(jiān)測的過程中，需要對軟X射線相機系統(tǒng)內(nèi)部多種部件的三維振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測并對振動幅度和頻率進行精確的標(biāo)定。目前振動加速度和頻率的測量產(chǎn)品多以單軸為主且測量精度低；位移測量多以激光測量為主，測量分辨率雖然能達到0.1 mm但頻率帶寬不寬，且多以點面測量為主。以上兩種方案在測量維度、頻率和精度方面均無法同時滿足軟X射線相機振動測試的標(biāo)定要求。該三維振動監(jiān)測系統(tǒng)還要實現(xiàn)實時測量、無線傳輸、抗電磁干擾、遠程升級等功能。根據(jù)項目需求研制一套用于軟X射線相機振動臺面實驗的三維振動軌跡成像系統(tǒng)。系統(tǒng)還可用于發(fā)電機組的在線監(jiān)測、纜車?yán)|繩的監(jiān)測和橋梁的監(jiān)測等，通過監(jiān)測被測設(shè)備的振動參數(shù)（加速度、速度、位移和頻譜等），分析和判斷設(shè)備的工作狀態(tài)［5］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計

三軸傳感器無線傳輸三維振動軌跡成像系統(tǒng)主要用于分析軟X射線相機在振動過程中的結(jié)構(gòu)變化［6］，設(shè)計包括傳感器采集分析電路與無線接收端上位機軟件兩部分［7］。軟X射線相機及電子學(xué)機箱測試原理如圖1所示。

圖1 軟X射線相機及機箱測試原理

系統(tǒng)使用CA-YD-3193三軸加速度傳感器作為振動信號采集器件，LM344為該傳感器的供電芯片，并加入信號處理電路［8］，以保證信號質(zhì)量。使用STM32F429IGT6單片機為主控制單元，數(shù)據(jù)以無線傳輸為主，并包含上位機接收端。根據(jù)監(jiān)測點的要求不同，使用了NBIOT和4G模塊兩種通信形式。上、下位機通過TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)傳輸，硬件程序可通過遠程在線升級功能實現(xiàn)遠程更新。外殼采用防震、防水、防輻射設(shè)計，防水等級可以達到IP65。

傳感器底部有強力磁石，可以吸附在相機的探測器壁上。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號處理電路發(fā)送到處理器，處理器再將數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送到上位機進行數(shù)據(jù)分析并顯示其振動狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計

當(dāng)有振動信號輸入時，傳感器中的監(jiān)測質(zhì)量塊移動使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號，電荷信號通過內(nèi)置的電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號［9］。靈敏度為100 mV／g（g為重力加速度），測量范圍為50 g，頻率響應(yīng)為1～4 000 Hz。下位機電路主要由傳感器驅(qū)動信號處理、電源轉(zhuǎn)換、鋰電池供電、處理器以及無線傳輸?shù)入娐方M成。

加速度傳感器提供24 V 4 mA的一個輸入，傳感器將輸出一個12 V上、下波動的信號。將信號加上1.65 V的偏置電壓，加入二階巴特沃斯濾波［10］如圖所示2，濾波后的信號進入芯片引腳。

圖2 傳感器驅(qū)動信號處理電路

選擇STM32F429IGT6為核心處理器，此處理器內(nèi)置3個12 bit ADC，ADC的采樣頻率設(shè)置為1Ksps，通過配置ADC＿CCR寄存器中的MULTI［4：0］位選擇“規(guī)則同時模式”讓3個ADC分別同步采集XYZ三軸的傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)綗o線模塊。

無線傳輸模塊根據(jù)不同待測對象的需求，使用NBIOT和4G兩種通信模塊，NBIOT模塊功耗低，主要用于對采樣頻率要求不高，需要長時間測量的監(jiān)測點，4G模塊主要用于大批量數(shù)據(jù)的實時測量、傳輸。整體電路實物如圖3所示。

圖3 振動監(jiān)測電路板

電源部分采用24 V外部供電和3.7 V鋰電池內(nèi)部供電，當(dāng)外部24 V掉電后自動轉(zhuǎn)換為內(nèi)部鋰電池供電。外部24 V電源主要為傳感器提供工作電源，24 V轉(zhuǎn)5 V為鋰電池充電和電源管理芯片供電。5 V轉(zhuǎn)3.3 V為STM32處理器及無線傳輸模塊供電。

3 軟件設(shè)計

該三維振動軌跡成像系統(tǒng)使用LabVIEW進行程序編寫，完成振動信號的采集和處理，并給出被測物體的三維運動軌跡圖像用來分析物體的狀態(tài)變化及故障監(jiān)測。軟件流程如圖所示4，軟件結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、三維成像、設(shè)備狀態(tài)分析、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)回顯等功能［11］。系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖5所示。

圖4 上位機軟件流程圖

圖5 上位機顯示界面

下位機通過TCP／IP協(xié)議將下位機中ADC采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機，上位機再將發(fā)送的數(shù)據(jù)按照XYZ 3軸方向進行提取。上位機將3個坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)通過對應(yīng)公式轉(zhuǎn)化為加速度，速度，位移，再將X、Y、Z位移點組成空間位移點，在三維空間坐標(biāo)軸上顯示，然后實時描繪位移軌跡。

式中：a（t）為加速度值，mm／s2；x為下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)（發(fā)送數(shù)據(jù)為ADC采集數(shù)據(jù)）。

式中：v（t）為速度值，mm／s。

式中：s（t）為位移值，mm。

該上位機軟件提供狀態(tài)提示，提示設(shè)備是否與對應(yīng)IP端口連接，設(shè)備工作狀態(tài)是否正常等。上位機還可將數(shù)據(jù)保存，向下位機發(fā)送指令等功能。

4 系統(tǒng)遠程升級

由于部分振動監(jiān)測的工作受到輻射影響，需要工程師遠程進行嵌入式系統(tǒng)的BUG修復(fù)和軟件升級，需要在下位機設(shè)計中加入了遠程升級的功能［12］。根據(jù)用戶需求進行改進，又可以節(jié)省維護服務(wù)的人力、物力以及時間成本，給系統(tǒng)維護帶來很大的方便。升級過程如圖6所示。

圖6 遠程升級過程示意圖

下位機與服務(wù)器端上位機連接后，無線模塊將上位機傳來的信息通過串口發(fā)送給處理器。下位機跳轉(zhuǎn)至BootLoader程序，當(dāng)升級的程序通過上位機軟件傳輸?shù)较挛粰C，BootLoader程序接收這個程序包，并對其進行校驗、保存。下位機通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將反饋的信息發(fā)送到上位機，根據(jù)上位機的提示信息來判斷遠程升級是否成功。

5 振動標(biāo)定

根據(jù)測試要求，需對振動監(jiān)測系統(tǒng)的頻率和幅度進行標(biāo)定［13］。判斷是否滿足軟X射線相機振動監(jiān)測要求，如圖7所示。

圖7 標(biāo)定實驗場景

測試標(biāo)定選用三軸變頻電磁振動試驗臺，支持三軸振動，頻率范圍為1～2 000 Hz，幅度范圍為0～5 mm，最大加速度20 g，可以進行調(diào)頻調(diào)幅。將三軸傳感器通過底部磁石固定在試驗臺上，通過控制臺來設(shè)置實驗參數(shù)。

選用調(diào)頻調(diào)幅兩種方法對該系統(tǒng)進行頻率加速度以及位移的標(biāo)定［14］。通過LabVIEW編寫測試程序完成對頻率加速度及位移的分析。

5.1 調(diào)頻測試

調(diào)頻實驗通過設(shè)定振動控制臺的加速度及幅度為固定值，改變振動臺振動頻率來測試系統(tǒng)對頻率測量的精確度。將采集的數(shù)據(jù)波形進行傅里葉變換，得到其頻譜，來判斷設(shè)備采集到的頻率是否正確［15］。固定振動控制臺的振幅為1 mm，頻率設(shè)置從4～400 Hz分段測試，得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 振動臺頻率與頻譜主頻對應(yīng)關(guān)系圖

由圖8數(shù)據(jù)分析可得，在4～10 Hz低頻段，振動臺與傳感器之間會產(chǎn)生高次諧波，影響測量精度，在20～200 Hz范圍內(nèi)，測得的頻率值與振動臺設(shè)置的頻率值幾乎一致，當(dāng)頻率達到400 Hz以上時，根據(jù)奈奎斯特定理，設(shè)置的1 kHz采樣率無法將全部波形采集完整，出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)頻率與振動臺頻率不一的情況。根據(jù)軟X射線相機的振動譜監(jiān)測要求，該系統(tǒng)在頻率測量方面滿足軟X射線相機的頻率使用要求。

5.2 調(diào)幅測試

調(diào)幅測試是為了通過加速度位移的準(zhǔn)確性測試以保證速度位移計算的準(zhǔn)確性，振動臺設(shè)置為50 Hz的固定振動頻率，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入LabVIEW測試程序中，程序讀取一個周期的數(shù)據(jù)，取6個峰值和6個谷值，相減之后取平均計算峰-峰值，幅度范圍從0.2～3 mm等間隔設(shè)置15組振動幅度進行測量，與LabVIEW測試程序中顯示的峰-峰值進行線性擬合，觀察是否存在線性關(guān)系。

如圖9所示，根據(jù)線性擬合可得，線性擬合度為0.991 41，振動臺幅度與采集到的數(shù)據(jù)存在線性關(guān)系，證明設(shè)備對振幅采集的準(zhǔn)確度。

圖9 振動臺幅度測試線性擬合

5.3 速度位移測試

設(shè)置振動臺振動頻率為100 Hz，振幅為1 mm，設(shè)備采樣率為1 000 S／s。對Z軸加速度進行采集測試，得到如圖10（a）所示的加速度原始數(shù)據(jù)。再利用式（1）得到圖10（b）所示的速度波形圖和圖10（c）所示的位移波形。其中圖10（c）的位移波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，振動幅度為1.018 mm，頻率為100 Hz，與振動臺設(shè)置的原始參數(shù)基本一致。

圖10 速度位移測試結(jié)果

通過該系統(tǒng)測到的曲線和振動臺的設(shè)備參數(shù)進行對比，測量的分辨率滿足軟X射線相機的振動監(jiān)測需要，驗證了該系統(tǒng)的可靠性。在數(shù)據(jù)分析過程中，傳感器的信號原始數(shù)據(jù)由于受到外部環(huán)境和噪聲影響，存在一定范圍的震蕩和低頻分量。放大器隨溫度變化產(chǎn)生的零點漂移、傳感器頻率范圍外存在低頻不穩(wěn)定以及傳感器周圍環(huán)境的干擾等因素，被測環(huán)境真實狀況，會影響對數(shù)據(jù)時域，頻域分析的結(jié)果。

6 結(jié) 語

使用三軸傳感器，無線傳輸以及遠程升級等實現(xiàn)軟X射線相機的振動監(jiān)測，以STM32F429為核心處理器，通過傳感器對軟X射線相機系統(tǒng)多種部件的三維振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將采集的振動數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)進行遠程傳輸。測量參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中各軸位移的測量精度為0.1 mm，位移線性相關(guān)系數(shù)R＝0.991 41，達到軟X射線相機測試要求，系統(tǒng)不僅提高了監(jiān)測效率，還實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析和軟X射線相機狀態(tài)分析提供了研究基礎(chǔ)。