基于硅微傳感器的混合機槳葉狀態(tài)無線測試系統(tǒng)

1 引 言

混合是固體火箭推進劑制造過程中的一個關鍵工序，對保證產品質量，特別是保證安全生產，是極為重要的。目前國內固體推進劑的混合設備大都使用立式混合機。該混合機有一對槳葉，其中近心槳為實心，遠心槳為空心，依靠兩槳葉的自轉和遠心槳圍繞近心槳的公轉對藥漿進行攪拌。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行擠壓、剪切，如果超過藥漿的攪拌感度，就會出現燃爆事故。為避免事故發(fā)生，需要測量槳葉上的壓力信號，但采用有線的測量方法無法實現測量目的。藍牙、ZigBee等短距離無線技術的出現和發(fā)展，使此類測試系統(tǒng)的研發(fā)成為可能。

為此，本文設計并實現了混合機槳葉狀態(tài)的在線檢測系統(tǒng)，通過藍牙無線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，然后在混合機外接收并進行處理。系統(tǒng)的實現為實時判斷混合機生產過程中的安全狀態(tài)奠定了基礎。

2 測試系統(tǒng)的設計

測試系統(tǒng)的設計過程包括硅微壓阻壓力傳感器的選型及安裝、無線傳輸數據方式的實現等幾個關鍵環(huán)節(jié)。

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微型壓力傳感器，并在槳葉軸上各安裝一個藍牙采集、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(tǒng)的工作過程為：兩個藍牙采集模塊通過模擬開關分時選通壓力傳感器信號，經過放大和模數轉換后，通過藍牙無線傳輸技術將槳葉壓力狀態(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行匯總，再通過藍牙模塊上的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，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，將壓力傳感器通過雙金絲焊接技術焊接到柔性電路板上，并利用環(huán)氧樹脂對柔性電路板進行固定，固定后整體的最大厚度為1.5 mm，可滿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。

無線數據傳輸也是制約系統(tǒng)實現的瓶頸環(huán)節(jié)，通過對多種無線傳輸技術的對比分析，決定選用藍牙無線傳輸方式，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內部數據采集模塊的體積，同時有效地節(jié)省功耗。