利用无线多跳网络振动传感器实现过程监测

刘建波



利用无线多跳网络振动传感器实现过程监测

刘建波

(海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 200139)

本文设计了一款基于无线传感技术的低功耗无线多跳网络振动传感器实现结构三轴振动的过程检测。采用高精度加速度传感器拾取振动信息，通过二阶巴特沃斯有源滤波器进行信号调理,最后通过基于Zigbee的无线传感器网络进行无线多跳网络的组建和数据的发送,进行多传感器数据融合。实验证明本设计具有良好的精度和可操作性，具有数据溯源和存储能力，能够进行连续过程检测。

无线传感技术 多跳网络 过程监测 有源滤波器 多传感器数据融合

0 引言

现代工业生产过程对设备的可靠性要求越来越高，振动分析作为结构健康检测的重要内容，可以为生产设备的状态提供直观的数据。在确定振动源时传统测试方法的局限性更加明显[1]。

无线多跳网络振动传感器可以实现高重复度的测量、精确评估采集到的数据、测量的频率和时间安排、传感器的位置和分布，适当的文档记录和可追溯性随着完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振动传感器的出现，预见性维护程序开发人员终于能够摆脱以往振动分析方法的限制和不足，大幅提高数据采集过程的质量和完整性。 本文提出了一款高线性度、低噪声、宽带自组网无线三轴振动检测解决方案。该方案适用于要求具有宽动态范围(±200 g)以及平坦频率响应(从直流到1300 Hz)的应用。该电路提供了适合于复杂件全面振动过程检测的低功耗解决方案。

1 无线多跳网络振动传感器结构

无线多跳网络振动传感器由振动传感器、信号调理电路及ADC、电池充电电路和自组网无线收发电路组成。

本设计选取CN3063进行充电电路设计。

振动传感器进行振动信号的拾取并将信号传输至信号调理电路。由于连续过程数据量较大，同时实现数据的可追溯性，存储器对于电路是非常必须要的。设计选取TI公司的C2538 Zigbee 解决方案进行自组网无线网络的建立。CC2538 是一款针对高性能Zigbee 应用的理想片上系统，其运行的Z-Stack保证其成为功能强大的Zigbee 解决方案。

本设计选取ADI公司的ADXL377BCPZ-RL作为振动提取器件。ADXL377BCPZ-RL具有优异的性能，其动态范围为±200 g，且带宽为1300Hz，非常适合需要宽带、小尺寸、低功耗以及可靠性的应用。其内置的加速度计输出经过宽带宽差分转单端转换器进行差分信号输出，可充分发挥传感器的机械性能。

2 振动传感器及信号调理电路设计

电源噪声对ADXL377BCPZ-RL精度影响较大，在进行设计时必须对电源进行去耦以保证加速度噪声最低。而在工业应用中更需要考虑市电的干扰，此时需进行大电容去耦并添加铁氧体磁珠确保电源线路具有低阻抗[4]。

1）ADXL377BCPZ-RL的带宽受引脚外接电容控制，其三轴输出具有限制带宽功能。加速度传感器三轴输出电阻为32KΩ，由此可计算其-3dB带宽

由于内部输出电阻的容差通常在±15%的范围内变动，其带宽也会随之变化。ADXL377的典型输出带宽为1000 Hz，此时输出电容值为5nf，以便抑制混叠误差。为最大程度减少混叠，对其进行滤波设计时3dB带宽选取为1000Hz。为对其进行滤波本设计进行有源滤波器设计[4]。设计采用filter solutions软件进行滤波器辅助设计。考虑到通带内最小失真设计选取二阶巴特沃斯低通滤波器，滤波器截止频率1000Hz，增益为1，由于加速度计输出电阻32KΩ，滤波器输入电阻也设为32KΩ。考虑到电源供电需求本设计选取TI公司的低功耗精密放大器OPA2333进行有源滤波器设计。仿真电路如下。

通过计算可得到其S函数：

时域和频域仿真分析如下：

通过上图可以看出在1000 Hz 处该滤波器具有-3dB的衰减。群时延曲线为平行于X轴的直线说明其具有良好的线性度。以上滤波器可满足加速度传感器输出滤波需要。

通过以上分析可设计传感器与信号调理电路如下:

图4 滤波器电路

ADXL377BCPZ-RL输出频率范围为1300Hz，0g时输出信号幅度为1.5 V。本设计选用凌力尔特公司的LTC1867L进行数据转换。LTC1867L为16位8通道SAR低功耗模数转换器，其采样频率高达175KSPS，完全可满足设计需要。ADXL377BCPZ-RL输出电压范围为0～1.5V，有源滤波器增益为1，即ADC输入信号范围为0～1.5V，由此可以确定ADC输入参考电压，本设计选取参考电压源为Ti公司的REF5020，其输出参考电压为2.048 V，另ADC的位数为16位，由此可算出设计的理论精度为0.006 g。而实际中，ADC的有效位数可通过以下公式计算：

2）LTC1867L的SNR为83.7 dB，由此可计算出其有效位数ENOB=13，由此可算出设计的实际精度为0.05 g，可满足大部分工业应用需求。REF5020的输出电流高达10 mA，LTC1867L的参考电压输入电流根据手册可查为0.1 mA，故不需要参考电压缓冲电路，REF5020可直接驱动LTC1867L参考电压输入端。由此可设计ADC电路如下：

图5 ADC电路

3）电池充电电路选用CN3063实现。CN3063能够根据供电电源输出电流自动调整充电电流，并且只需要很少的外围设备，特别适合对体积要求较高的应用中。Riset为充电电流调整电阻，其充电电流：

本设计充电电流设为100 mA，故R应取值为1.8 kΩ。CHRG和DONE为充电指示端口，采用双色LED驱动以表明充电状态。

图6 充电管理电路

3 无线收发器电路设计

CC2538为Ti公司基于ARM Cortex-M3的ZIGbee/IEEE802.15.4 射频片上系统，其卓越的低功耗能力为便携工业设备提供了良好的无线互联解决方案。从数据表可查出CC2538的输出阻抗为66±j64Ω，如何将能量最大限度的传输出去已达到最远的距离是CC2538的设计关键。

CC2538的能量传输网络是一个四端口网络，对于一个四端口网络，S系数可以表示其在各个方向上的传输方式[5]。其中S11表示能量输出路径，根据S11的计算公式：

从上公式可以看出当VSWR=1时传输效率达到最高，即没有能量的反射。根据雅克比的最大功率传输理论，当源阻抗与负载阻抗相等时，功率可以最大限度的向负载端传输，即由于阻抗一致，能量在传输路径上没有损失[6]。假设源阻抗为Z，负载阻抗为Z，则可用反射系数来表明阻抗的匹配程度。

本设计采用smith圆图软件进行CC2538无线发射电路的仿真分析与设计。CC2530的源阻抗为66±j64 Ω，天线阻抗为50 Ω，因此匹配电路的设计目标是将差分阻抗电路转换为单端的50 Ω特性阻抗。对于RF_P端口，其仿真模型如下。

在图7中，1为66+j64 Ω阻抗位置。根据阻抗圆环特性，沿着阻抗圆顺时针方向为增加串联电感，沿着阻抗圆逆时针方向为增加串联电容，沿着导纳圆顺时针方向为并联电容，沿着导纳圆逆时针方向为并联电感。1-2路径沿电阻圆逆时针方向表示串联电容，电容值为17 pf，2-3路径沿导纳圆顺时针方向表示并联电容，电容值为1.1 pf，3-4路径沿阻抗圆顺时针方向移动表示串联电感，电感值为3.9 nH。经过途中1-2-3-4的路径后，阻抗由66+j64Ω转移到50Ω位置。

可以看出经过RC匹配网络变换后，输出阻抗由66+j64 Ω变为50 Ω，实现了与天线的阻抗匹配，能量损耗最小。

对于RF_N,源阻抗为66-j64 Ω，其电路如下：

该电路同样实现了阻抗由66-j64 Ω到50 Ω的变换。实现阻抗匹配后，由于CC2538的中心频率为2400 MHz，频带范围为(2400±50) MHz，还要进行选频匹配电路设计。经过以上分析可设计CC2538射频电路如图11。

回路的幅频特性公式可算出如（6）式。把f=2400 MHz，CL和L的值代入上式可得=Z。即选频电路在2400 MHz处实现串联谐振，能量全部传送过去。

由于过程检测要进行连续数据采集，传感器节点若可以对数据进行处理，并将处理后的数据发送至数据集中器或网关，实现多传感器数据融合，可大大减小数据传输速率和数据存储的要求。数据存储电路采用华邦公司的W25Q256FV芯片。W25Q256FV为串行FLASH芯片，其存储容量高达32MByte，可满足长时间数据存储需要。

4 实验数据及分析

现场试验将传感器至于钢构悬臂梁上，分别进行静止实验和振动试验。

图12 数据存储电路

静态试验采样率5000 Hz，静止实验波形:

通过实验可以看出在静止时传感器具有良好的静态特性。随着完全集成、高度可靠、自治工作、可配置振动传感器的出现，预见性维护程序开发人员终于能够摆脱以往振动分析方法的限制和不足，大幅提高数据采集过程的质量和完整性。能够更精确可靠地检测性能变化，为大幅降低前期开发和循环维护成本提供了机会。

[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. 拉德马内斯. 射频与微波电子学[M]. 北京：科学出版社，2006.

[6] Ulrich L. Rohde, David P. Newkirk. 无线应用射频微波电路设计[M]. 北京：电子工业出版社，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

刘建波(1970-), 男，工程师。研究方向：检测技术。