基于硅微傳感器的混合機槳葉狀態(tài)無(wú)線(xiàn)測試系統

1 引 言

混合是固體火箭推進(jìn)劑制造過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵工序，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是保證安全生產(chǎn)，是極為重要的。目前國內固體推進(jìn)劑的混合設備大都使用立式混合機。該混合機有一對槳葉，其中近心槳為實(shí)心，遠心槳為空心，依靠?jì)蓸~的自轉和遠心槳圍繞近心槳的公轉對藥漿進(jìn)行攪拌。由于藥漿是危險的含能材料，在攪拌混合過(guò)程中槳葉對藥漿進(jìn)行擠壓、剪切，如果超過(guò)藥漿的攪拌感度，就會(huì )出現燃爆事故。為避免事故發(fā)生，需要測量槳葉上的壓力信號，但采用有線(xiàn)的測量方法無(wú)法實(shí)現測量目的。藍牙、ZigBee等短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的出現和發(fā)展，使此類(lèi)測試系統的研發(fā)成為可能。

為此，本文設計并實(shí)現了混合機槳葉狀態(tài)的在線(xiàn)檢測系統，通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸的方式將槳葉上硅微壓阻壓力傳感器采集到的信號發(fā)送出來(lái)，然后在混合機外接收并進(jìn)行處理。系統的實(shí)現為實(shí)時(shí)判斷混合機生產(chǎn)過(guò)程中的安全狀態(tài)奠定了基礎。

2 測試系統的設計

測試系統的設計過(guò)程包括硅微壓阻壓力傳感器的選型及安裝、無(wú)線(xiàn)傳輸數據方式的實(shí)現等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。

為了獲取槳葉上的壓力數據，應在混合機遠心槳和近心槳槳葉上各安裝若干個(gè)微型壓力傳感器，并在槳葉軸上各安裝一個(gè)藍牙采集、發(fā)射模塊，在混合機鍋壁外側安裝藍牙數據接收模塊。系統的工作過(guò)程為：兩個(gè)藍牙采集模塊通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)選通壓力傳感器信號，經(jīng)過(guò)放大和模數轉換后，通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將槳葉壓力狀態(tài)發(fā)送到混合機鍋壁的藍牙接收模塊上。在藍牙接收模塊中，將兩槳葉的多路信號進(jìn)行匯總，再通過(guò)藍牙模塊上的RS422接口將所有傳感器數據發(fā)送到遠程計算機中，對數據進(jìn)行處理和顯示。藍牙采集模塊由電池供能、壓力傳感器組、多路選通放大和藍牙通訊等幾部分構成，結構如圖1所示。

混合機工作時(shí)，一方面，槳葉與槳葉之間的間隙僅為(3±1)mm，槳葉與混合鍋壁、鍋底間隙也為(3±1)mm，并且槳葉在攪拌過(guò)程中沒(méi)有死區;另一方面，槳葉為光滑的金屬，攪拌的物質(zhì)非常黏稠。因此，需解決的首要問(wèn)題是壓力傳感器的選擇和安裝。

目前選用的壓力傳感器為硅微壓阻式壓力傳感器，其通過(guò)各向異性腐蝕技術(shù)在單晶硅上制造壓力敏感彈性膜，采用半導體加工方式制造四個(gè)壓力敏感電阻，構成惠斯通電橋以檢測外加壓力變化。而根據槳葉的特殊形狀，需制作特定的柔性電路板，將壓力傳感器通過(guò)雙金絲焊接技術(shù)焊接到柔性電路板上，并利用環(huán)氧樹(shù)脂對柔性電路板進(jìn)行固定，固定后整體的最大厚度為1.5 mm，可滿(mǎn)足混合機攪拌的要求。圖2給出了壓力傳感器焊接、封裝后粘貼于槳葉上的效果示意圖。

無(wú)線(xiàn)數據傳輸也是制約系統實(shí)現的瓶頸環(huán)節，通過(guò)對多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的對比分析，決定選用藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸方式，選用的芯片是CSR公司的BLUECORE2。這主要是由于該芯片內部集成了I/O口、模擬口、I2C、UART及SPI等豐富的硬件資源，可以極大地簡(jiǎn)化混合機內部數據采集模塊的體積，同時(shí)有效地節省功耗。