面向板结构的小型化冲击监测仪设计

刘淼　陈晓琦　金振洲

摘 要：文章详细阐述了一种面向板结构的小型化冲击监测仪的设计。硬件端使用航空铝板作为冲击发生的底板，之后使用压电片作为冲击发生端，最后使用ARM对冲击数据做数模转换。软件端是通过LabVIEW建立采集模块并用其连接ARM，实现数据的采集。并运用Mathscript模块对数据进行处理从而得出冲击图像。在仪器的总体规模上实现小型化的同时实现了低成本化。

关键词：冲击监测；压电片；ARM；LabVIEW

航空飞行器在飞行过程中，会与实际环境中存在的不可预知物体发生不同程度的碰撞并产生冲击。这些冲击在一定程度上影响着飞行器的飞行，甚至有可能造成严重的后果。

通过对结构冲击监测仪器的研制，可以在一定程度上监测到结构损坏，同时间接保护重要的仪器和人员的生命安全。结构冲击监测对实际冲击进行监测和评估的过程关键在于对冲击源信号的有效获取和处理[1]。在实际工程中已经有过各种类型的冲击监测仪器。但大多数为工业级的仪器，这些仪器尺寸大，功耗大，成本高而且易受电磁干扰，难以达到机载的具体要求。

本文设计的小型化冲击监测仪以铝板结构为对象，利用布置在铝板表面的压电传感器将接收到的振动信号转换为电信号，经电荷放大器放大后，将数据送入ARM。并使用LabVIEW和MATLAB对数据进行处理并显示定位结果。本研究研制的小型化结构冲击载荷定位仪旨在将仪器推广至日常生活中。

1 冲击监测相关理论

1.1 波达时间的提取方法（Hilbert变换法）

解析信号包含了信号的起始时间、持续时间、结束时间、信号到达峰值的时间等特征信息。只要设置合适的门槛值，以触发方式采集信号，即可精确地测量这些时序和峰值向量[2]。

1.2 冲击载荷定位方法（四点圆弧定位方法）

通过在板材上布置4只压电传感器组成一个矩形平面监测区域，如图1所示。设冲击信号源的位置为A（x，y），A点到压电片1的波达时间为t1，到压电片2，3，4的时间分别为t1+Δt1，t1+Δt2，t1+Δt3。因为该材料具有各向同性，信号源到达各个压电片的速度相同为v，则A点与各压电片的距离分别为vt1，v（t1+Δt1），v（t1+Δt2），v（t1+Δt3）。通过以各压电片为半径，以A点到各压电片的距离为半径，即可确定A点的位置，即冲击信号源的位置[3]。

2 监测系统硬件设计

在航空板材中我们调查了LY12型航空铝板。 LY12拉伸强度和伸长率在同类铝板中都较高，而且广泛运用于各种航空航天实验中。考虑到具体需求，最终选择了LY12板材。

我们选用了PZT5型圆形陶瓷压电片，该种压电片具有体积小、厚度薄、压电信号明显等优点，能完好地贴在铝板表面，有效传达冲击产生的压电信号，符合实验的要求。

压电陶瓷产生的电信号一般较微弱，需要连接放大设备才能更好地产生可被识别的信号波形，所以电荷放大器是一种必不可少的信号适调器，它能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号。考虑到经费和设计等问题，本次研究选用常用的小型电荷放大器。

选用市面上流行的STM32F767作为ARM进行数据处理。以STM32为核心搭建操作平台可实现Matlab及LabVIEW代码的移植，使数据处理更加便捷。

3 监测系统软件设计

软件部分使用LabVIEW和Mathscript模块在ARM上搭建了一个满足可视化要求的数据处理集成系统对数据进行处理。具体实现步骤如下。

（1）打开LabVIEW的ADC选择通道模块，同步打开ARM的ADC通道并选择合适的采样频率与带宽，实现与上位机的交互并将数据传导至处理模块。

（2）将得到的波形在LabVIEW示波器模块上实时显示，并根据冲击信号的波形特征判断得到的波形是否为正确的冲击波形，若不正确只需等板材稳定重新采集即可。

（3）将得到的波形做傅里叶变换去除波形中所掺杂的串扰。通过变换后的波形，使用Mathscript模块对波形中的数据进行计算并得到波达时间。通过相关知识对所得波形进行评估。

4 冲击监测系统研制

首先在航空铝板上均匀地选取4个位置（位置应符合四点圆弧定位的要求）。之后压电片传感器和双绞线焊在一起，并使用玻璃胶贴在选取的位置上。最后将远离传感器的双绞线一端连接在示波器中，通过敲击航空铝板的某一选定位置获得4组波形图。由于实际研究中所购買的电荷放大器电压过大，无法连接ARM，于是使用示波器代替ARM接受信号。之后对产生的信号进行波形判断，判断是否产生正确的冲击波形。

在第一步得到波形后，将较为稳定的数据放入SD卡中，并将SD卡置入STM32板中。最终需要使用Mathscript模块对数据进行精密处理，并以此得到最终得定位数据，主要通过Matlab的语句实现对数据得直流分量的处理和fft数据解析，并将最终波形显示和判断其正确性。由图2和实际数据进行对比，最终结果和Matlab结果相同，由此可以确定该模块可以进行数据的处理和处理结果的导出。

5 结语

通过多次实验与测试，我们证实了该系统的可行性，但提出的设想在实际运行的过程中仍有很大的改进空间。在冲击定位监测的研究中，目前还存在着各种各样的问题，希望本次研究能够在提供新思路的同时做出拓展，为结构健康监测研究提供自己的想法和建议。

[参考文献]

[1]袁慎芳.结构健康监控[M].北京：国防工业出社，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]江艳.飞行器结构低速冲击载荷定位研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.