模块化应变监测光纤组件的设计

2014-09-16 10:10:45来源: 21ic 关键字:飞机强度  应变片  CPLD

电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应制造的一种测量微小变化量的传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心部分,直接影响传感器的各种性能指标。电阻应变片的工作原理是金属的应变效应。金属导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。

在现有飞机强度测试中,普遍采用电阻应变片式的测量原理,对每个强度考核点粘贴一只电阻应变片,在进行试验时,通过读取应变值来获取飞机机体节点的强度情况。普通飞机每架约采用6 000~12 000只应变片,大型飞机会更多,而每只应变片有3根电导线,这样共有数万根导线,占用较大面积、布线繁杂,线路缠绕比较严重,造成测试现场混乱。一旦某一只应变片出现问题,现场查找将非常困难,大幅增加了强度测试的复杂性和周期

本文采用光纤进行应变信号的传输,以模块化设计,通过模块间级联的方式,使得可采集的应变片路数呈几何倍数增加,将上万根电信号转换成一路或几路光信号进行传输,从测试现场到监控室仅有一根光缆。

而且由于采用模块化设计,一旦某一路信号出现问题,可以直接带电插拔更换,大幅缩短监测过程中查找问题源的周期。通过光纤技术的引入,促进飞机强度监测系统的可靠性和结构优化。

1 系统设计

1.1 结构设计

系统结构如图1所示。组件分为发射端、光纤和接收端3部分。发射端由1级模块、2级模块、3级模块组成。1级模块用于采集应变信号,每个1级模块最多可以采集16路应变信号;2级模块、3级模块用于数据复接和通信,每个2级模块最多可以接16只1级模块,最多可以采集256路应变信号;每个3级模块最多可以接16只二级模块,最多可采集4 096路应变信号。一架飞机最多需要3只3级模块就可以达到采集所有节点的目的,3级模块把采集到的4 096路应力信号转换成光信号通过光纤传输到远端,在远端再通过光电转换转换成电信号并接收、解码、提取、送到上位机进行处理。而且本产品可以根据要采集的应变路数随意增减模块数量,如果要采集几百路应变信号,只需要若干个1级、2级模块,如果采集几十路应变信号,则几个1级模块就可以满足要求,组合自由。如果其中某一模块不能正常工作,可以直接更换而不影响整个系统的工作。

模块化应变监测光纤组件的设计

1.2 部件设计

16路应变信号通过惠斯通桥转换成mV级的电压信号,送到应变信号调理电路,进行线性放大和滤波。多路选择器选择16路中的某一路送到精度为24 bit的高精度A/D转换器,将模拟信号数字化CPLD接收来自A/D的数字信号,然后发给多路选择器指令,转换到下一路应变信号继续采集,依次循环,直接将所有16路应变信号采集完,完成一个采集周期。CPLD将采集到的16路应变信号转换成串行信号,送到数据发送单元,进行数据传输处理,送给下一级模块。1级模块示意框图如图2所示。

模块化应变监测光纤组件的设计

微弱信号的检测,存在以下难点:(1)电桥电压的波动,引起输出的波动。(2)应变片阻值一致性差,造成测量误差。(3)应变片由于温度的补偿不解决,影响电桥输出量不精确。(4)A/D转换器的位数影响,A/D转换位数多,则转换精度高、速率低。反之,则转换精度低、速率高。(5)滤波器设计的准确与否,将决定能否将噪声信号滤除。(6)由于开始悬挂重物时,悬梁臂的抖动,会使输出电压不稳定,从而产生误差

针对以上问题,文中提出的改进方法如下:(1)采用高精度稳压电源。(2)对应变片进行筛选,采用物理性能相同的应变片。(3)对应变片采用温度补偿装置,并在软件上进行补偿,使温度对应变片的影响降到最低。(4)在满足速率性能指标的前提下尽可能提高A/D转换器的位数,减小量化误差。(5)进一步准确的设计滤波器,将噪声信号充分滤除。(6)延迟一定的时间,等信号稳定后再进行采样

16路串行数据送到2级模块,CPLD把16路串行信号接收过来,因为每一路串行信号包含16路应变信号,16路串行信号总共含有256路应变数据,CPLD把256路应变数据进行数据复接、数据编码、并串转换等一系列处理,转换成按一定次数排列的串行信号,发送到下一级模块。2级模块原理框图如图3所示。

模块化应变监测光纤组件的设计

3级模块原理框图如图4所示。3级模块的原理同2级模块,接收16路2级模块发送过来的应变信号,共有4 096路应变信号,然后通过光模块转换成光信号,通过光纤发送到远端,在远端由接收端进行接收。

接收端原理框图如图5所示。接收端由光模块接收远端发送过来的光信号,转换成电信号送到后续电路进行数据接收、解码等处理,将4 096路应变信号接收,然后根据上位机要求的数据摆放次数依次摆放,在通信接口芯片把应变数据发送到上位机进行应变信号的存储、处理和显示等。

模块化应变监测光纤组件的设计

2 主要器件选型

2.1 ADC转换器的选择

对于ADC转换器,选取的标准主要取决于采样频率和位数,以及价格、供货周期、应用情况等因素。由于系统模拟信号通道数比较多,需要选择多通道A/D。系统采用AD公司的AD7490。AD7490是一款12 bit的高速、低功耗的模数转换器,输入信号可以达到1 MHz,有16个通道,单电源2.7~5.25 V供电。采样率可达1 MSample·s-1,在5 V的工作电压下工作频率可达20 MHz,通信接口为高速串行接口SPI。

[1] [2]

关键字:飞机强度  应变片  CPLD

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0916/article_9525.html
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