基于FPGA的柔性应变测量装置设计

  作者:鹿文龙(陕西电器研究所,西安 710075) 时间:2021-11-26来源:电子产品世界

编者按:针对固体火箭发动机推进剂药柱应变量大、高频振动时应变不易测量的问题,基于FPGA和柔性应变计设计了柔性应变测量装置。柔性应变计的测量范围大,可以测量双向应变,解决了推进剂药柱应变测量的难题。FPGA具有实时性高、并行运行的优点,解决了多路应变实时采集的难题。该应变测量装置还可用于其他高分子材料的应变测量。

作者简介:鹿文龙(1985—),男,工程师,主要研究方向:传感器及调理电路设计、测试测量、信号采集与处理。E-mail:luwenlong1985@126.com。

0   前言

固体火箭发动机的推进剂药柱具有一定弹性,受重力、温度等因素影响,药柱内部会产生应力。在应力作用下药柱表面会产生应变,通常应变量较大。当应变达到一定程度时,药柱内部会产生孔隙,表面会产生裂纹,药柱会发生破坏性改变。而药柱的状态直接影响着火箭发动机的飞行状态,药柱如果存在缺陷很可能引起飞行任务失败[1-3]。因此采取措施测量药柱表面的应变具有重要意义。因为药柱具有弹性而且体积较大,其表面应变通常可达数毫米,无法使用普通应变传感器测量。火箭发动机生产过程中需要进行高频振动试验考核,振动过程中需要实时监测药柱表面应变情况。通常振动频率可达1 kHz,需要设计高速测量装置才能满足测试需求。本文使用柔性应变计设计柔性应变传感器,具有测量范围大、便于粘贴、可双向测量的特点,解决了药柱应变测量的难题。基于FPGA 设计高速应变测量装置,具有多路采集、数据存储和显示等功能,可实时处理多路应变信号。

1   测量原理

1.1 应变测量原理

具有弹性的物体受到应力时会产生应变,应变量与应力大小成正比。固体火箭发动机推进剂为高分子复合材料,制成的药柱具有弹性。当药柱受到重力影响或者温度发生变化时,都会引起内部产生应力。应力会引起药柱内部和表面产生应变,应变量与应力[4-5]存在如下关系:

image.png(ε 应变量、F 应力、E 弹性模量) (1)

固体火箭发动机的推进剂药柱体积较大,而药柱的弹性模量较小,通常约为0.8 MPa,因此药柱产生的应变量较大,最大可达10%。普通的应变传感器使用刚性材料制成,只能用来测量微小应变,最大量程约为1%,无法满足药柱应变测量需求。设计中选择柔性材料制成的应变传感器来测量药柱的应变量。

1.2 应变传感器

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应变传感器选择的柔性材料制成大量程柔性应变计[6]属于大塑性应变测量应变计,采用完全退火的康铜敏感栅材料和聚酰亚胺基底材料制造而成,具有高延展性、高伸长率,是材料及结构的弹塑性应力应变分析的理想测试元件。

该应变计相对于普通应变计提升了敏感丝栅材料的延展性和伸长率,改进了应变计敏感丝栅结构,降低了基底剪切应力和焊盘应力的集中影响,改善了应变计的拉伸特性,可避免大应变时断线产生,最大能够测量20% 范围内的双向应变量。该应变计可以满足药柱应变测量需求,主要参数如下:

●   测量极限:±20%;

●   温度范围:-30 ~ +60 ℃;

●   阻值:120 Ω;

●   阻值偏差:标称值±1%;

●   应变系数:≥ 2.0。

2   测量装置设计

2.1 测量装置组成

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图2 应变测量装置系统组成

如图2 所示,柔性应变测量装置由多个应变计和采集装置组成。应变计黏贴在药柱表面不同位置,用于感应应变。采集装置位于药柱外部,可同时采集多路应变量,并具有运算、存储、显示和发送等功能。

2.2 采集装置组成

采集装置主要由电源模块、控制器模块、AD转换模块、存储模块、时钟模块、按键输入模块、串口通信模块、USB 接口模块、数据显示模块组成,其内部组成框图如图3 所示。

其中电源模块实现电源滤波及转换为系统中其他模块及传感器供电;控制器模块采用FPGA 实现对系统整体运行过程的控制,主要是对用户指令的响应以及其他功能模块的控制;AD 转换模块由多片AD 采集芯片组成,模块受控制器模块的控制,将输入的应变传感器信号转换为数字量,并传送至控制器模块。存储模块由数据存储模块和参数存储模块组成,其中参数存储模块存储装置运行参数,例如采集通道、数据采集频率等;数据存储模块存储AD 转换模块采集到的传感器数据。时钟模块为一个万年历芯片,为系统提供时钟基准,可由纽扣电池供电,保证在系统断电的情况下时钟芯片能够运行。按键输入模块采集按键信息,传递给控制器模块进行处理,响应用户输入。

串口通信模块实现与上位机的数据通信,将上位机的控制指令传送给控制器模块并将数据发送至上位机,通信总线为RS485。USB 接口模块为一个USB 主机接口,可以将数据传送至上位机。显示模块由LCD 显示屏组成,以显示用户设定通道的应变量。

2.3 采集装置重要电路设计

2.3.1 组桥电路

应变传感器可以等效为一个可变电阻,其电阻值与应变量成正比。由于应变传感器的阻值变化范围很小,不易检测,所以需要设计组桥电路,形成一个惠斯通电桥,如图4 所示。电桥可将应变传感器电阻值的变化转换为差分电压输出,可通过调整电桥配置电阻的阻值调整电桥输出零点,便于后端放大采集。

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图4 组桥电路原理

2.3.2 信号采集电路设计

采集电路由放大电路和AD 转换电路组成。如图5所示,放大电路使用仪表放大器AD8226 将电桥输出的毫伏级电压信号放大至伏级,满足AD 转换器输入电压要求。同时在放大电路的信号输入端和信号输出端设计滤波电路,以滤除干扰噪声,提高信号质量。

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图5 信号放大电路原理

放大后的信号进入AD7699BCPZ 进行AD 转换,AD7699BCPZ 是一款8 通道、16 位、逐次逼近型模数转换器,可以实现模拟信号数字化的高速转换,最高转换速率可达500 kS/s,转换精度达0.01% 以上。设计中通过FPGA 控制多片AD7699BCPZ, 每片AD7699BCPZ 的8 个通道连接8 个应变传感器。药柱随机振动试验时振动频率约为1 kHz,应变传感器信号变化频率与振动频率相同。8 个应变传感器的信号总带宽约为8 kHz,AD7699BCPZ 的最高转换速率可达500 kS/s,完全满足采样频率大于信号频率10 倍的要求。在FPGA 的控制下多片AD7699BCPZ 同时工作,可以同步采集多路应变传感器输出信号,实现对药柱表面多个应变量的实时采集。

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图6 AD转换电路原理

2.3.3 控制器电路设计

控制器的核心器件为FPGA,设计中选择Altera 公司(编者注:已被Intel 并购)生产的EP4CE10F17C8芯片,该芯片内部集成有逻辑单元(LE)、嵌入式存储器(M9K)、嵌入式18×18 乘法器、通用PLL、全局时钟网络以及输入/ 输出单元(I/O),可以使用Verilog语言编写程序控制AD 转换芯片、存储芯片、USB 通信芯片和显示屏控制芯片,实现应变传感器数据采集、数据存储、外部通信和数据显示等功能,同时还可以通过内部加法器和乘法器对采集到的数据进行运算处理。

存储电路由参数存储电路和数据存储电路两部分组成,如图7 所示。参数存储电路选择FM25CL64-GA,用于保存多路应变传感器的校准参数。该芯片是一款非易失性铁电随机存储器,存储容量为64 kB,可无限次读写数据,掉电下仍可长期保存数据。数据存储电路选择MT29F128G08AJAAAWP-ITZ,用于保存采集、运算处理后的应变量数据。该芯片是一款存储容量为128 GB 的Flash 型闪存存储器,主频为166 MHz,具有存储速度快、存储容量大的优点。由于振动试验中药柱应变变化频率可达1 kHz,而且通常振动时间可达1 h 以上。所以采集到的应变量数据很大,设计中共使用2 片MT29F128G08AJAAAWP-ITZ,总存储容量为256 GB,可满足数据存储要求。

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图7 存储电路原理

控制器的重要电路还包括USB 通信电路和显示屏控制电路,分别实现USB 通信和数据送显的功能。USB 通信电路的主要器件为CY7C68013A-56PVXC,其内部集成8051 微处理器和USB2.0 收发器, 具有USB IF 高速通信功能。设计中FPGA 通过8 根数据线与CY7C68013A-56PVXC 连接, 可实现数据的高速处理和收发。显示屏控制电路是通过FPGA 控制一片C8051F040 单片机实现的,FPGA 与单片机通过16 位数据总线连接,FPGA 将数据发送给该单片机,单片机对数据进行缓存并将并行数据转换为串行数据,通过串口发送至显示屏,实现数据显示。同时,单片机还可以接收外部按键信号,响应外部控制指令。

3   软件设计

应变测量装置嵌入式软件设计分为两部分,分别为应变传感器信号采集模块和用户交互控制模块。其中信号采集模块实现对应变传感器的数据采集及存储,交互控制模块控制测量装置与用户交互过程,包括显示屏显示及按键控制。

信号采集模块的核心控制器为FPGA,通过FPGA控制实现高速AD 转换及数据存储[7]。信号采集模块主要有三个状态,系统常态为采集模式,在该模式下,测量装置实时进行数据采集并发送至交互控制模块,由交互控制模块显示各应变传感器实时数据,不记录数据;当测量装置采集开关关闭后,测量装置进入记录模式,在该模式下,测量装置实现高速AD 转换及数据存储,并周期发送数据至数据显示模块;当测量装置连接上位机软件并接收到指令后进入上传模式,在该模式下,测量装置停止数据采集及存储,与上位机进行交互,将数据上传至上位机软件。信号采集模块上电后首先进行各模块初始化设置,然后判断系统状态并进入相应状态的控制模块,执行相关流程控制。图8 为信号采集模块的简要流程图。

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交互控制模块主要功能为控制显示屏显示及解析按键指令,实现用户和信号采集模块间的信号中转,所使用的核心控制器件为C8051F040 单片机。交互控制模块接收信号采集模块传输的数据并显示时间、使用容量、通道应变量等信息,同时接收按键控制指令实现时间更改、缓存清除、应变校准等功能。

4   结束语

本文基于柔性应变传感器和FPGA 设计的柔性应变测量装置,解决了固体火箭发动机推进剂药柱应变测量的难题,充分发挥了FPGA 实时性信号处理的优势,可在高频振动下同步测量多处药柱应变,实现对药柱健康状况的监测,对推进剂改进和发动机研制[8]都具有重要意义。

参考文献:

[1] 职世君.固体火箭发动机粘弹性药柱裂纹分析[D].南京:南京理工大学,2009.

[2] 张志峰,马岑睿,高峰,等.战术导弹固体火箭发动机推进剂发展综述[J].飞航导弹,2007(4):53-56.

[3] 纪纲.固体火箭发动机推进剂材料HTPB断裂力学性能测量[J].价值工程,2018,37(24):155-157.

[4] 张昊,彭松,庞爱民,等.固体推进剂应力和应变与使用寿命关系[J].推进技术,2006,27(4):372-375.

[5] 徐新琦,袁书生,隋玉堂,等.贮存条件下推进剂药柱的应力、应变分析[J].海军航空工程学院学报,2002,17(3):313-317.

[6] 李龙飞,丁永生,等.基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析[J].传感技术学报,2008,21(7):1132-1136.

[7] 王晓鹏.基于FPGA数据采集系统的设计[J].数字技术与应用,2014,(11):169-171.

[8] 周东谟,刘向阳,张鹏军,等.定应变下固体火箭发动机药柱概率贮存寿命预估研究[J].推进技术,2019,40(9):2121-2129.

(本文来源于必威娱乐平台 杂志社2021年11月期)

关键词: 推进剂 柔性应变计 FPGA 高频振动 高速采集 202111

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