發布日期：2022-10-09 點擊率：97
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展，使此類測試系統的研發成為可能。
為此，本文設計并實現了混合機槳葉狀態的在線檢測系統，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送出來，然后在混合機外接收并進行處理。系統的實現為實時判斷混合機生產過程中的安全狀態奠定了基礎。
2 測試系統的設計
測試系統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節。
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、發射模塊，在混合機鍋壁外側安裝藍牙數據接收模塊。系統的工作過程為：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發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;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實現的瓶頸環節，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，同時有效地節省功耗。
3 測試結果及分析
測試系統設計完成后，必須經過標定才能夠進行現場測試?？紤]到單獨對傳感器進行標定異常困難，因此采用的是整系統標定的方式。首先將安裝有壓力傳感器的柔性電路板放入定制的標定設備，然后逐漸加壓，壓力傳感器的輸出經藍牙數據采集、發射模塊處理后發射出來，然后通過藍牙接收模塊接收數據并顯示。因此，最終顯示的壓力數值，是考慮到整個系統誤差后的輸出結果，將其和標準壓力傳感器的讀數進行對比分析，即可得到整個測試系統的性能指標。
標定實驗的現場和測試系統的工作環境類似，圖3為壓力傳感器標定裝置圖。圖4為系統工作時，遠程計算機上采集軟件的顯示畫面，界面可同時顯示測試系統所有34路傳感器的數據。選取其中的5個壓力傳感器輸出曲線進行線性擬合，各個壓力傳感器的線性度分別為1.39%，2.07%，1.03%，3.02%。1.39%，結果如圖5所示。
選取某壓力傳感器在同等條件下，進行重復性實驗，可得到圖6所示的結果，兩次測量的結果基本重合，可見測試系統的重復性不錯，因現場條件限制，不能進行多次測量，因此無法得到重復性的具體指標。
通過數據分析可知，選用的硅微壓阻壓力傳感器在標準大氣壓下的初始值并不一致。但通過標定結果可知，各個壓力傳感器的線性關系基本一致。
4 結論與改進
在本系統的設計過程中，因混合機體積方面的原因，選擇了嵌入式藍牙單芯片方案。通過現場測試的結果看出，測試系統基本完成了測試任務。但是因為藍牙芯片中運行了大量的協議軟件，分配給模擬口數據采集的時間非常有限，導致本模塊的數據采集速度較慢，并且藍牙芯片上的模擬口為8位，精度有限。因此在后續的大容量混合機測試系統設計中，可選擇藍牙主機-主機控制器的應用模式。主機可由單片機或ARM實現，用于負責多路壓力傳感器的信號調理和數據采集，并將采集到的所有壓力傳感器數據通過HCI接口與藍牙主機控制器邊行數據通訊，數據的無線傳輸由藍牙主機控制器完成。這種設計方法占用的體積會有所增加，所以應在體積允許的條件下進行。
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