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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：

（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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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（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