劉淼　陳曉琦　金振洲

摘 要：文章詳細闡述了一種面向板結(jié)構(gòu)的小型化沖擊監(jiān)測儀的設(shè)計。硬件端使用航空鋁板作為沖擊發(fā)生的底板，之后使用壓電片作為沖擊發(fā)生端，最后使用ARM對沖擊數(shù)據(jù)做數(shù)模轉(zhuǎn)換。軟件端是通過LabVIEW建立采集模塊并用其連接ARM，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。并運用Mathscript模塊對數(shù)據(jù)進行處理從而得出沖擊圖像。在儀器的總體規(guī)模上實現(xiàn)小型化的同時實現(xiàn)了低成本化。

關(guān)鍵詞：沖擊監(jiān)測；壓電片；ARM；LabVIEW

航空飛行器在飛行過程中，會與實際環(huán)境中存在的不可預(yù)知物體發(fā)生不同程度的碰撞并產(chǎn)生沖擊。這些沖擊在一定程度上影響著飛行器的飛行，甚至有可能造成嚴重的后果。

通過對結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測儀器的研制，可以在一定程度上監(jiān)測到結(jié)構(gòu)損壞，同時間接保護重要的儀器和人員的生命安全。結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測對實際沖擊進行監(jiān)測和評估的過程關(guān)鍵在于對沖擊源信號的有效獲取和處理[1]。在實際工程中已經(jīng)有過各種類型的沖擊監(jiān)測儀器。但大多數(shù)為工業(yè)級的儀器，這些儀器尺寸大，功耗大，成本高而且易受電磁干擾，難以達到機載的具體要求。

本文設(shè)計的小型化沖擊監(jiān)測儀以鋁板結(jié)構(gòu)為對象，利用布置在鋁板表面的壓電傳感器將接收到的振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)電荷放大器放大后，將數(shù)據(jù)送入ARM。并使用LabVIEW和MATLAB對數(shù)據(jù)進行處理并顯示定位結(jié)果。本研究研制的小型化結(jié)構(gòu)沖擊載荷定位儀旨在將儀器推廣至日常生活中。

1 沖擊監(jiān)測相關(guān)理論

1.1 波達時間的提取方法（Hilbert變換法）

解析信號包含了信號的起始時間、持續(xù)時間、結(jié)束時間、信號到達峰值的時間等特征信息。只要設(shè)置合適的門檻值，以觸發(fā)方式采集信號，即可精確地測量這些時序和峰值向量[2]。

1.2 沖擊載荷定位方法（四點圓弧定位方法）

通過在板材上布置4只壓電傳感器組成一個矩形平面監(jiān)測區(qū)域，如圖1所示。設(shè)沖擊信號源的位置為A（x，y），A點到壓電片1的波達時間為t1，到壓電片2，3，4的時間分別為t1+Δt1，t1+Δt2，t1+Δt3。因為該材料具有各向同性，信號源到達各個壓電片的速度相同為v，則A點與各壓電片的距離分別為vt1，v（t1+Δt1），v（t1+Δt2），v（t1+Δt3）。通過以各壓電片為半徑，以A點到各壓電片的距離為半徑，即可確定A點的位置，即沖擊信號源的位置[3]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

在航空板材中我們調(diào)查了LY12型航空鋁板。 LY12拉伸強度和伸長率在同類鋁板中都較高，而且廣泛運用于各種航空航天實驗中?？紤]到具體需求，最終選擇了LY12板材。

我們選用了PZT5型圓形陶瓷壓電片，該種壓電片具有體積小、厚度薄、壓電信號明顯等優(yōu)點，能完好地貼在鋁板表面，有效傳達沖擊產(chǎn)生的壓電信號，符合實驗的要求。

壓電陶瓷產(chǎn)生的電信號一般較微弱，需要連接放大設(shè)備才能更好地產(chǎn)生可被識別的信號波形，所以電荷放大器是一種必不可少的信號適調(diào)器，它能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘栟D(zhuǎn)化為放大的電壓信號?？紤]到經(jīng)費和設(shè)計等問題，本次研究選用常用的小型電荷放大器。

選用市面上流行的STM32F767作為ARM進行數(shù)據(jù)處理。以STM32為核心搭建操作平臺可實現(xiàn)Matlab及LabVIEW代碼的移植，使數(shù)據(jù)處理更加便捷。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分使用LabVIEW和Mathscript模塊在ARM上搭建了一個滿足可視化要求的數(shù)據(jù)處理集成系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理。具體實現(xiàn)步驟如下。

（1）打開LabVIEW的ADC選擇通道模塊，同步打開ARM的ADC通道并選擇合適的采樣頻率與帶寬，實現(xiàn)與上位機的交互并將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至處理模塊。

（2）將得到的波形在LabVIEW示波器模塊上實時顯示，并根據(jù)沖擊信號的波形特征判斷得到的波形是否為正確的沖擊波形，若不正確只需等板材穩(wěn)定重新采集即可。

（3）將得到的波形做傅里葉變換去除波形中所摻雜的串擾。通過變換后的波形，使用Mathscript模塊對波形中的數(shù)據(jù)進行計算并得到波達時間。通過相關(guān)知識對所得波形進行評估。

4 沖擊監(jiān)測系統(tǒng)研制

首先在航空鋁板上均勻地選取4個位置（位置應(yīng)符合四點圓弧定位的要求）。之后壓電片傳感器和雙絞線焊在一起，并使用玻璃膠貼在選取的位置上。最后將遠離傳感器的雙絞線一端連接在示波器中，通過敲擊航空鋁板的某一選定位置獲得4組波形圖。由于實際研究中所購買的電荷放大器電壓過大，無法連接ARM，于是使用示波器代替ARM接受信號。之后對產(chǎn)生的信號進行波形判斷，判斷是否產(chǎn)生正確的沖擊波形。

在第一步得到波形后，將較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)放入SD卡中，并將SD卡置入STM32板中。最終需要使用Mathscript模塊對數(shù)據(jù)進行精密處理，并以此得到最終得定位數(shù)據(jù)，主要通過Matlab的語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)得直流分量的處理和fft數(shù)據(jù)解析，并將最終波形顯示和判斷其正確性。由圖2和實際數(shù)據(jù)進行對比，最終結(jié)果和Matlab結(jié)果相同，由此可以確定該模塊可以進行數(shù)據(jù)的處理和處理結(jié)果的導(dǎo)出。

5 結(jié)語

通過多次實驗與測試，我們證實了該系統(tǒng)的可行性，但提出的設(shè)想在實際運行的過程中仍有很大的改進空間。在沖擊定位監(jiān)測的研究中，目前還存在著各種各樣的問題，希望本次研究能夠在提供新思路的同時做出拓展，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究提供自己的想法和建議。

[參考文獻]

[1]袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京：國防工業(yè)出社，2007.

[2]PENG Z K，TSE P W，CHU F L.An improved Hilbert–Huang transform and its application in vibration signal analysis[J].Journal of Sound and Vibration，2005（1）：187-205.

[3]江艷.飛行器結(jié)構(gòu)低速沖擊載荷定位研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.