基于硅微传感器的混合机桨叶状态无线测试系统

1 引 言

混合是固体火箭推进剂制造过程中的一个关键工序，对保证产品质量，特别是保证安全生产，是极为重要的。目前国内固体推进剂的混合设备大都使用立式混合机。该混合机有一对桨叶，其中近心桨为实心，远心桨为空心，依靠两桨叶的自转和远心桨围绕近心桨的公转对药浆进行搅拌。由于药浆是危险的含能材料，在搅拌混合过程中桨叶对药浆进行挤压、剪切，如果超过药浆的搅拌感度，就会出现燃爆事故。为避免事故发生，需要测量桨叶上的压力信号，但采用有线的测量方法无法实现测量目的。蓝牙、ZigBee等短距离无线技术的出现和发展，使此类测试系统的研发成为可能。

为此，本文设计并实现了混合机桨叶状态的在线检测系统，通过蓝牙无线传输的方式将桨叶上硅微压阻压力传感器采集到的信号发送出来，然后在混合机外接收并进行处理。系统的实现为实时判断混合机生产过程中的安全状态奠定了基础。

2 测试系统的设计

测试系统的设计过程包括硅微压阻压力传感器的选型及安装、无线传输数据方式的实现等几个关键环节。

为了获取桨叶上的压力数据，应在混合机远心桨和近心桨桨叶上各安装若干个微型压力传感器，并在桨叶轴上各安装一个蓝牙采集、发射模块，在混合机锅壁外侧安装蓝牙数据接收模块。系统的工作过程为：两个蓝牙采集模块通过模拟开关分时选通压力传感器信号，经过放大和模数转换后，通过蓝牙无线传输技术将桨叶压力状态发送到混合机锅壁的蓝牙接收模块上。在蓝牙接收模块中，将两桨叶的多路信号进行汇总，再通过蓝牙模块上的RS422接口将所有传感器数据发送到远程计算机中，对数据进行处理和显示。蓝牙采集模块由电池供能、压力传感器组、多路选通放大和蓝牙通讯等几部分构成，结构如图1所示。

混合机工作时，一方面，桨叶与桨叶之间的间隙仅为(3±1)mm，桨叶与混合锅壁、锅底间隙也为(3±1)mm，并且桨叶在搅拌过程中没有死区;另一方面，桨叶为光滑的金属，搅拌的物质非常黏稠。因此，需解决的首要问题是压力传感器的选择和安装。

目前选用的压力传感器为硅微压阻式压力传感器，其通过各向异性腐蚀技术在单晶硅上制造压力敏感弹性膜，采用半导体加工方式制造四个压力敏感电阻，构成惠斯通电桥以检测外加压力变化。而根据桨叶的特殊形状，需制作特定的柔性电路板，将压力传感器通过双金丝焊接技术焊接到柔性电路板上，并利用环氧树脂对柔性电路板进行固定，固定后整体的最大厚度为1.5 mm，可满足混合机搅拌的要求。图2给出了压力传感器焊接、封装后粘贴于桨叶上的效果示意图。

无线数据传输也是制约系统实现的瓶颈环节，通过对多种无线传输技术的对比分析，决定选用蓝牙无线传输方式，选用的芯片是CSR公司的BLUECORE2。这主要是由于该芯片内部集成了I/O口、模拟口、I2C、UART及SPI等丰富的硬件资源，可以极大地简化混合机内部数据采集模块的体积，同时有效地节省功耗。

3 测试结果及分析

测试系统设计完成后，必须经过标定才能够进行现场测试。考虑到单独对传感器进行标定异常困难，因此采用的是整系统标定的方式。首先将安装有压力传感器的柔性电路板放入定制的标定设备，然后逐渐加压，压力传感器的输出经蓝牙数据采集、发射模块处理后发射出来，然后通过蓝牙接收模块接收数据并显示。因此，最终显示的压力数值，是考虑到整个系统误差后的输出结果，将其和标准压力传感器的读数进行对比分析，即可得到整个测试系统的性能指标。

标定实验的现场和测试系统的工作环境类似，图3为压力传感器标定装置图。图4为系统工作时，远程计算机上采集软件的显示画面，界面可同时显示测试系统所有34路传感器的数据。选取其中的5个压力传感器输出曲线进行线性拟合，各个压力传感器的线性度分别为1.39%，2.07%，1.03%，3.02%。1.39%，结果如图5所示。

选取某压力传感器在同等条件下，进行重复性实验，可得到图6所示的结果，两次测量的结果基本重合，可见测试系统的重复性不错，因现场条件限制，不能进行多次测量，因此无法得到重复性的具体指标。

通过数据分析可知，选用的硅微压阻压力传感器在标准大气压下的初始值并不一致。但通过标定结果可知，各个压力传感器的线性关系基本一致。

4 结论与改进

在本系统的设计过程中，因混合机体积方面的原因，选择了嵌入式蓝牙单芯片方案。通过现场测试的结果看出，测试系统基本完成了测试任务。但是因为蓝牙芯片中运行了大量的协议软件，分配给模拟口数据采集的时间非常有限，导致本模块的数据采集速度较慢，并且蓝牙芯片上的模拟口为8位，精度有限。因此在后续的大容量混合机测试系统设计中，可选择蓝牙主机-主机控制器的应用模式。主机可由单片机或ARM实现，用于负责多路压力传感器的信号调理和数据采集，并将采集到的所有压力传感器数据通过HCI接口与蓝牙主机控制器边行数据通讯，数据的无线传输由蓝牙主机控制器完成。这种设计方法占用的体积会有所增加，所以应在体积允许的条件下进行。