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          基于FPGA的柔性應變測量裝置設計

          2021-11-29

          固體火箭發動機的藥柱具有一定彈性,受重力、溫度等因素影響,藥柱內部會產生應力。在應力作用下藥柱表面會產生應變,通常應變量較大。當應變達到一定程度時,藥柱內部會產生孔隙,表面會產生裂紋,藥柱會發生破壞性改變。而藥柱的狀態直接影響著火箭發動機的飛行狀態,藥柱如果存在缺陷很可能引起飛行任務失敗[1-3]。因此采取措施測量藥柱表面的應變具有重要意義。因為藥柱具有彈性而且體積較大,其表面應變通??蛇_數毫米,無法使用普通應變傳感器測量?;鸺l動機生產過程中需要進行試驗考核,振動過程中需要實時監測藥柱表面應變情況。通常振動頻率可達1 kHz,需要設計高速測量裝置才能滿足測試需求。本文使用設計柔性應變傳感器,具有測量范圍大、便于粘貼、可雙向測量的特點,解決了藥柱應變測量的難題?;?a class="contentlabel" style="outline-style: none; color: rgb(51, 51, 51); text-decoration-line: none;">FPGA 設計高速應變測量裝置,具有多路采集、數據存儲和顯示等功能,可實時處理多路應變信號。

          1   測量原理

          1.1 應變測量原理

          具有彈性的物體受到應力時會產生應變,應變量與應力大小成正比。固體火箭發動機為高分子復合材料,制成的藥柱具有彈性。當藥柱受到重力影響或者溫度發生變化時,都會引起內部產生應力。應力會引起藥柱內部和表面產生應變,應變量與應力[4-5]存在如下關系:

          image.png(ε 應變量、F 應力、E 彈性模量) (1)

          固體火箭發動機的藥柱體積較大,而藥柱的彈性模量較小,通常約為0.8 MPa,因此藥柱產生的應變量較大,最大可達10%。普通的應變傳感器使用剛性材料制成,只能用來測量微小應變,最大量程約為1%,無法滿足藥柱應變測量需求。設計中選擇柔性材料制成的應變傳感器來測量藥柱的應變量。

          1.2 應變傳感器

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          應變傳感器選擇的柔性材料制成大量程[6]屬于大塑性應變測量應變計,采用完全退火的康銅敏感柵材料和聚酰亞胺基底材料制造而成,具有高延展性、高伸長率,是材料及結構的彈塑性應力應變分析的理想測試元件。

          該應變計相對于普通應變計提升了敏感絲柵材料的延展性和伸長率,改進了應變計敏感絲柵結構,降低了基底剪切應力和焊盤應力的集中影響,改善了應變計的拉伸特性,可避免大應變時斷線產生,最大能夠測量20% 范圍內的雙向應變量。該應變計可以滿足藥柱應變測量需求,主要參數如下:

          ●   測量極限:±20%;

          ●   溫度范圍:-30 ~ +60 ℃;

          ●   阻值:120 Ω;

          ●   阻值偏差:標稱值±1%;

          ●   應變系數:≥ 2.0。

          2   測量裝置設計

          2.1 測量裝置組成

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          圖2 應變測量裝置系統組成

          如圖2 所示,柔性應變測量裝置由多個應變計和采集裝置組成。應變計黏貼在藥柱表面不同位置,用于感應應變。采集裝置位于藥柱外部,可同時采集多路應變量,并具有運算、存儲、顯示和發送等功能。

          2.2 采集裝置組成

          采集裝置主要由電源模塊、控制器模塊、AD轉換模塊、存儲模塊、時鐘模塊、按鍵輸入模塊、串口通信模塊、USB 接口模塊、數據顯示模塊組成,其內部組成框圖如圖3 所示。

          其中電源模塊實現電源濾波及轉換為系統中其他模塊及傳感器供電;控制器模塊采用 實現對系統整體運行過程的控制,主要是對用戶指令的響應以及其他功能模塊的控制;AD 轉換模塊由多片AD 采集芯片組成,模塊受控制器模塊的控制,將輸入的應變傳感器信號轉換為數字量,并傳送至控制器模塊。存儲模塊由數據存儲模塊和參數存儲模塊組成,其中參數存儲模塊存儲裝置運行參數,例如采集通道、數據采集頻率等;數據存儲模塊存儲AD 轉換模塊采集到的傳感器數據。時鐘模塊為一個萬年歷芯片,為系統提供時鐘基準,可由紐扣電池供電,保證在系統斷電的情況下時鐘芯片能夠運行。按鍵輸入模塊采集按鍵信息,傳遞給控制器模塊進行處理,響應用戶輸入。

          串口通信模塊實現與上位機的數據通信,將上位機的控制指令傳送給控制器模塊并將數據發送至上位機,通信總線為RS485。USB 接口模塊為一個USB 主機接口,可以將數據傳送至上位機。顯示模塊由LCD 顯示屏組成,以顯示用戶設定通道的應變量。

          2.3 采集裝置重要電路設計

          2.3.1 組橋電路

          應變傳感器可以等效為一個可變電阻,其電阻值與應變量成正比。由于應變傳感器的阻值變化范圍很小,不易檢測,所以需要設計組橋電路,形成一個惠斯通電橋,如圖4 所示。電橋可將應變傳感器電阻值的變化轉換為差分電壓輸出,可通過調整電橋配置電阻的阻值調整電橋輸出零點,便于后端放大采集。

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          圖4 組橋電路原理

          2.3.2 信號采集電路設計

          采集電路由放大電路和AD 轉換電路組成。如圖5所示,放大電路使用儀表放大器AD8226 將電橋輸出的毫伏級電壓信號放大至伏級,滿足AD 轉換器輸入電壓要求。同時在放大電路的信號輸入端和信號輸出端設計濾波電路,以濾除干擾噪聲,提高信號質量。

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          圖5 信號放大電路原理

          放大后的信號進入AD7699BCPZ 進行AD 轉換,AD7699BCPZ 是一款8 通道、16 位、逐次逼近型模數轉換器,可以實現模擬信號數字化的高速轉換,最高轉換速率可達500 kS/s,轉換精度達0.01% 以上。設計中通過 控制多片AD7699BCPZ, 每片AD7699BCPZ 的8 個通道連接8 個應變傳感器。藥柱隨機振動試驗時振動頻率約為1 kHz,應變傳感器信號變化頻率與振動頻率相同。8 個應變傳感器的信號總帶寬約為8 kHz,AD7699BCPZ 的最高轉換速率可達500 kS/s,完全滿足采樣頻率大于信號頻率10 倍的要求。在FPGA 的控制下多片AD7699BCPZ 同時工作,可以同步采集多路應變傳感器輸出信號,實現對藥柱表面多個應變量的實時采集。

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          圖6 AD轉換電路原理

          2.3.3 控制器電路設計

          控制器的核心器件為FPGA,設計中選擇Altera 公司(編者注:已被Intel 并購)生產的EP4CE10F17C8芯片,該芯片內部集成有邏輯單元(LE)、嵌入式存儲器(M9K)、嵌入式18×18 乘法器、通用PLL、全局時鐘網絡以及輸入/ 輸出單元(I/O),可以使用Verilog語言編寫程序控制AD 轉換芯片、存儲芯片、USB 通信芯片和顯示屏控制芯片,實現應變傳感器數據采集、數據存儲、外部通信和數據顯示等功能,同時還可以通過內部加法器和乘法器對采集到的數據進行運算處理。

          存儲電路由參數存儲電路和數據存儲電路兩部分組成,如圖7 所示。參數存儲電路選擇FM25CL64-GA,用于保存多路應變傳感器的校準參數。該芯片是一款非易失性鐵電隨機存儲器,存儲容量為64 kB,可無限次讀寫數據,掉電下仍可長期保存數據。數據存儲電路選擇MT29F128G08AJAAAWP-ITZ,用于保存采集、運算處理后的應變量數據。該芯片是一款存儲容量為128 GB 的Flash 型閃存存儲器,主頻為166 MHz,具有存儲速度快、存儲容量大的優點。由于振動試驗中藥柱應變變化頻率可達1 kHz,而且通常振動時間可達1 h 以上。所以采集到的應變量數據很大,設計中共使用2 片MT29F128G08AJAAAWP-ITZ,總存儲容量為256 GB,可滿足數據存儲要求。

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          圖7 存儲電路原理

          控制器的重要電路還包括USB 通信電路和顯示屏控制電路,分別實現USB 通信和數據送顯的功能。USB 通信電路的主要器件為CY7C68013A-56PVXC,其內部集成8051 微處理器和USB2.0 收發器, 具有USB IF 高速通信功能。設計中FPGA 通過8 根數據線與CY7C68013A-56PVXC 連接, 可實現數據的高速處理和收發。顯示屏控制電路是通過FPGA 控制一片C8051F040 單片機實現的,FPGA 與單片機通過16 位數據總線連接,FPGA 將數據發送給該單片機,單片機對數據進行緩存并將并行數據轉換為串行數據,通過串口發送至顯示屏,實現數據顯示。同時,單片機還可以接收外部按鍵信號,響應外部控制指令。

          3   軟件設計

          應變測量裝置嵌入式軟件設計分為兩部分,分別為應變傳感器信號采集模塊和用戶交互控制模塊。其中信號采集模塊實現對應變傳感器的數據采集及存儲,交互控制模塊控制測量裝置與用戶交互過程,包括顯示屏顯示及按鍵控制。

          信號采集模塊的核心控制器為FPGA,通過FPGA控制實現高速AD 轉換及數據存儲[7]。信號采集模塊主要有三個狀態,系統常態為采集模式,在該模式下,測量裝置實時進行數據采集并發送至交互控制模塊,由交互控制模塊顯示各應變傳感器實時數據,不記錄數據;當測量裝置采集開關關閉后,測量裝置進入記錄模式,在該模式下,測量裝置實現高速AD 轉換及數據存儲,并周期發送數據至數據顯示模塊;當測量裝置連接上位機軟件并接收到指令后進入上傳模式,在該模式下,測量裝置停止數據采集及存儲,與上位機進行交互,將數據上傳至上位機軟件。信號采集模塊上電后首先進行各模塊初始化設置,然后判斷系統狀態并進入相應狀態的控制模塊,執行相關流程控制。圖8 為信號采集模塊的簡要流程圖。

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          交互控制模塊主要功能為控制顯示屏顯示及解析按鍵指令,實現用戶和信號采集模塊間的信號中轉,所使用的核心控制器件為C8051F040 單片機。交互控制模塊接收信號采集模塊傳輸的數據并顯示時間、使用容量、通道應變量等信息,同時接收按鍵控制指令實現時間更改、緩存清除、應變校準等功能。

          4   結束語

          本文基于柔性應變傳感器和FPGA 設計的柔性應變測量裝置,解決了固體火箭發動機推進劑藥柱應變測量的難題,充分發揮了FPGA 實時性信號處理的優勢,可在下同步測量多處藥柱應變,實現對藥柱健康狀況的監測,對推進劑改進和發動機研制[8]都具有重要意義。

          參考文獻:

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          [2] 張志峰,馬岑睿,高峰,等.戰術導彈固體火箭發動機推進劑發展綜述[J].飛航導彈,2007(4):53-56.

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          [5] 徐新琦,袁書生,隋玉堂,等.貯存條件下推進劑藥柱的應力、應變分析[J].海軍航空工程學院學報,2002,17(3):313-317.

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          [7] 王曉鵬.基于FPGA數據采集系統的設計[J].數字技術與應用,2014,(11):169-171.

          [8] 周東謨,劉向陽,張鵬軍,等.定應變下固體火箭發動機藥柱概率貯存壽命預估研究[J].推進技術,2019,40(9):2121-2129.


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