基于硅微傳感器的混合機(jī)槳葉狀態(tài)無線測試系統(tǒng)

1 引 言

混合是固體火箭推進(jìn)劑制造過程中的一個關(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(nèi)固體推進(jìn)劑的混合設(shè)備大都使用立式混合機(jī)。該混合機(jī)有一對槳葉，其中近心槳為實(shí)心，遠(yuǎn)心槳為空心，依靠兩槳葉的自轉(zhuǎn)和遠(yuǎn)心槳圍繞近心槳的公轉(zhuǎn)對藥漿進(jìn)行攪拌。由于藥漿是危險的含能材料，在攪拌混合過程中槳葉對藥漿進(jìn)行擠壓、剪切，如果超過藥漿的攪拌感度，就會出現(xiàn)燃爆事故。為避免事故發(fā)生，需要測量槳葉上的壓力信號，但采用有線的測量方法無法實(shí)現(xiàn)測量目的。藍(lán)牙、ZigBee等短距離無線技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使此類測試系統(tǒng)的研發(fā)成為可能。

為此，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了混合機(jī)槳葉狀態(tài)的在線檢測系統(tǒng)，通過藍(lán)牙無線傳輸?shù)姆绞綄~上硅微壓阻壓力傳感器采集到的信號發(fā)送出來，然后在混合機(jī)外接收并進(jìn)行處理。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為實(shí)時判斷混合機(jī)生產(chǎn)過程中的安全狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

2 測試系統(tǒng)的設(shè)計

測試系統(tǒng)的設(shè)計過程包括硅微壓阻壓力傳感器的選型及安裝、無線傳輸數(shù)據(jù)方式的實(shí)現(xiàn)等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了獲取槳葉上的壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)在混合機(jī)遠(yuǎn)心槳和近心槳槳葉上各安裝若干個微型壓力傳感器，并在槳葉軸上各安裝一個藍(lán)牙采集、發(fā)射模塊，在混合機(jī)鍋壁外側(cè)安裝藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊。系統(tǒng)的工作過程為：兩個藍(lán)牙采集模塊通過模擬開關(guān)分時選通壓力傳感器信號，經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)將槳葉壓力狀態(tài)發(fā)送到混合機(jī)鍋壁的藍(lán)牙接收模塊上。在藍(lán)牙接收模塊中，將兩槳葉的多路信號進(jìn)行匯總，再通過藍(lán)牙模塊上的RS422接口將所有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程計算機(jī)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。藍(lán)牙采集模塊由電池供能、壓力傳感器組、多路選通放大和藍(lán)牙通訊等幾部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

混合機(jī)工作時，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，并且槳葉在攪拌過程中沒有死區(qū);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(dǎo)體加工方式制造四個壓力敏感電阻，構(gòu)成惠斯通電橋以檢測外加壓力變化。而根據(jù)槳葉的特殊形狀，需制作特定的柔性電路板，將壓力傳感器通過雙金絲焊接技術(shù)焊接到柔性電路板上，并利用環(huán)氧樹脂對柔性電路板進(jìn)行固定，固定后整體的最大厚度為1.5 mm，可滿足混合機(jī)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。

無線數(shù)據(jù)傳輸也是制約系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瓶頸環(huán)節(jié)，通過對多種無線傳輸技術(shù)的對比分析，決定選用藍(lán)牙無線傳輸方式，選用的芯片是CSR公司的BLUECORE2。這主要是由于該芯片內(nèi)部集成了I/O口、模擬口、I2C、UART及SPI等豐富的硬件資源，可以極大地簡化混合機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集模塊的體積，同時有效地節(jié)省功耗。