自组网无线动态应变检测节点设计

乔卿阳，王竞，张婷



自组网无线动态应变检测节点设计

乔卿阳，王竞，张婷

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文设计了高精度自组网无线动态应变采集电路。设计采用TI公司的ZIGBEE解决方案进行无线自组网网络建立，采用恒流式电桥提高传感器的抗干扰能力和精度，并进行ADC驱动电路的分析设计，并进行现场实验。实验表明该方案具有较好的环境适应性、可维护性并具有优异的采集精度，可以满足大型复杂结构的分布式疲劳测试。

自组网 态应变 恒流式电桥

0 引言

现代产品竞争要求产品在同样的结构下具有更好的效率、寿命、可维护性和可制造性。静态结构和疲劳测试可以很好的为以上问题提供解决方法。生产周期和成本控制要求急需新的测试方法来缩短测试周期和测试成本。现代测试方法面临的挑战主要包括以下几个方面：测试点的增加、合理的测试点布局和识别、减小测试的不确定性、复杂结构测试的线缆布置和测试装置的灵活性[1]。

本文设计的高精度无线动态应变采集节点采用ＴＩ的ＺＩＧＢＥＥ硬件解决方案进行自组网无线局域网络的组建，采用高精度Δ－Σ模数转换器辅以精密信号调理电路进行数据转换，具有自组网络、体积小、安装灵活、采集精度高的特点，能够有效解决传统采集方式的以上问题，适用于对复杂结构件进行疲劳测试的场合。

1 数据采集电路

本文设计的无线动态应变采集节点包括数据采集电路和无线发射电路。由于ZiGBEE的传输速率限制，在数据采集电路和无线发射电路之间设计数据缓冲电路进行数据的缓冲存储。

数据采集电路由电桥电路、ADC驱动电路、基准源电路和数据转换器构成。本设计采用日本AKM公司的24位高性能Δ－Σ数据转换器AK5393vs进行采集电路设计。AK5393vs的无杂散动态范围达到117dB，信噪比也达到117dB，并且采用差分输入方式，其两对模拟输入通道实现完全隔离，可满足设计的要求。AK5393vs自带抗混跌滤波器并具有过采样功能，可以大大简化驱动电路设计。另外其完全隔离的两路高精度输入可以保证采集精度[2]。ADC控制电路可设计如下：

应变采集有机械式、涂层方法、光纤和金属箔式应变片四种方法。机械式精度较低、涂层和光纤则对布置环境有较高要求只可在实验室实现。而金属箔式应变片具有较长的寿命、精度和动态特性，故本设计采用120Ω金属箔式应变片进行电桥组建。电桥激励可分为电压源激励与电流源激励两种[1]。电压源激励电桥抗干扰能力差并且伴随引线距离的增加衰减比较严重。而电流源激励电桥可以很好地解决以上问题[3]。

恒流源输出电流

即恒流源输出电流不得大于41mA，在实际设计中考虑到电桥功耗要求

若采用40mA驱动电流，则功耗Pbrg=0.192W，若驱动电流为20mA，则功耗将为0.048W，此时共模电压

输入电压满足ADC的输入电压要求，若ADC采用2.5 V基准电压源，输入电压可以基本达到满量程输入。

由于电桥采用双端输出差分输入，等长引线引起的寄生电压即共模噪声可以很好的抑制。而动态应变由于采样频率较高，温漂效应对应变影响较小可以忽略[4]。由于采用电流源方式，此桥路采用半桥方式以简化电路设计及布局。

恒流源采用TI公司的REF200和OPA602组合方案来实现。

图上的板桥电路考虑了引线电阻的影响。假设引线长度相同则引线电阻Rl相同，两个可变桥臂的特性参数相同，应变片的特性参数为g，则半桥应变输出电压：