基于ad5933的壓電阻抗分析儀的設計

基于ad5933的壓電阻抗分析儀的設計

0壓電阻抗方法基于pzt電阻器的電阻器質量分析（e.m）的電阻機質量分析，提出了基于結構健康監(jiān)測和應用的電阻機質量分析的優(yōu)勢。壓電阻抗法中非常重要的工作之一是檢測貼在結構上的壓電片的阻抗。目前,阻抗測量幾乎都是借助于阻抗分析儀來進行。但是阻抗分析儀最大的缺點是體積較大,不便于攜帶和在外場使用,而且價格十分昂貴。精確小型的壓電阻抗分析儀器設計對壓電阻抗法在結構健康監(jiān)控工程中普遍應用有著深遠的意義。1機械振動的影響壓電阻抗法是近幾年來才興起的結構損傷檢測的一種新方法。其檢測原理如下:當結構處于某種狀態(tài)時,它的機械阻抗也是恒定的。如果結構的狀態(tài)發(fā)生變化(如出現(xiàn)損傷等),它的機械阻抗也會發(fā)生相應的變化。所以,可以通過測量結構的機械阻抗值來考察結構是否出現(xiàn)損傷,進而實現(xiàn)對結構健康狀態(tài)的監(jiān)測。然而,對于結構的機械阻抗值進行直接測量是十分困難的。所以,可以通過測量貼在結構表面的壓電片的電阻抗來間接測量結構的機械阻抗。對粘貼在結構表面的壓電片施加交流電場(逆壓電效應),壓電片會產(chǎn)生機械振動,并帶動主體結構產(chǎn)生振動。主體結構的機械振動又反作用于壓電片,機械振動能夠使壓電片產(chǎn)生電響應(正壓電效應),表現(xiàn)為電阻抗的變化,在壓電材料電阻抗的信號中就包含結構損傷狀態(tài)的信息。以單自由度阻抗模型為例,如圖1所示,Sun等利用一種鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電材料在彈性約束下的與頻率有關的導納表達式為Y=iωωAlAhA(ˉεΤ33-ΖSΖS+ΖAd23xˉYExx)Y=iωωAlAhA(εˉT33?ZSZS+ZAd23xYˉˉˉExx)式中:i是虛數(shù)單位,ω是所加激勵的角頻率,ωA、hA、lA分別為PZT的寬度、厚度和長度,ˉεΤ33=ˉεΤ33(1-δi)是PZT在零應力是的復介電常數(shù),其中s為介電損耗因數(shù),d3x為PZT在零應力任意x方向的壓電常數(shù),ˉYExx=ˉYExx(1+iη)是PZT在零電場時的復楊氏模量,其中η是PZT的機械損耗因數(shù),ZA是PZT的阻抗,ZS是結構的機械阻抗。在實際工程應用中,考慮到壓電片與機械結構之間的連接,在壓電片與機械結構之間還引入了粘結結構的模型;考慮到在z方向的極化電場作用下壓電片在x和y方向都會產(chǎn)生伸縮變形,應當建立板類結構的二維阻抗模型。但是不管什么樣的模型,被測機構的機械阻抗變化都將通過PZT自傳感驅動器的電導納變化反應出來。阻抗分析儀所做的工作便是完成PZT的阻抗分析,以便對結構健康狀況做進一步分析。2小型阻抗分析儀的硬件設計2.1主要設備1dsp引擎的工作原理AD5933是美國AnalogDevices公司的一款高精度的阻抗測量芯片,該芯片集成了頻率掃描輸出和12位AD轉換模塊,并且?guī)в心苓M行DFT(discreteFouriertransform,離散傅里葉變換)的DSP(digitalsignalprocessing,數(shù)字信號處理)引擎,如圖2所示。阻抗測量方法如下:片內頻率發(fā)生器生成掃描頻率信號激勵壓電片,通過AD轉換模塊采集壓電片在各頻率處的響應信號,DSP引擎對響應信號做DFT,將DFT結果的實部和虛部分別輸出到兩個寄存器。這樣能計算出壓電片在每一個掃描頻率處的導納Μagnitude(Y)=√R2+Ι2Phase(Y)=arctanRΙ式中:Magnitude(Y)表示導納模值,Phase(Y)表示導納相位,R、I分別表示導納的實部和虛部。事實上壓電片的導納的還要結合增益系數(shù)(GainFactor)來計算,增益系數(shù)將在后面介紹?？梢娫撔酒芡瑫r實現(xiàn)頻率掃描、壓電片響應信號采集和阻抗分析的多種功能,非常適合于構建小型阻抗檢測設備。2超低熱值MSP430系列單片機是德州儀器推出的16位超低功耗單片機,其主要的優(yōu)點是精簡指令集、強大的計算能力和超低的功耗。超低功耗對于小型設備來說是一個非常優(yōu)良的性質。MSP430F169單片機主要的特點如下:低電源電壓:1.8～3.6V超低功耗,5種節(jié)電模式16位RISC結構,125ns指令周期6個8位并行端口,且2個8位端口具有中斷能力I2C串口通信模塊硬件乘法器等。2.2硬件設計1i2c與ad2933MSP430F169作為AD5933的控制芯片,利用MSP430F169的I2C模塊與AD5933通信,P6、P5端口利用FT245BM和上位機USB接口通信。2rfb的i2c如圖3所示,AD5933的I2C串行通信接口和單片機的I2C串行通信模塊連接;Z(ω)是待測的壓電片阻抗,RFB根據(jù)壓電片阻抗范圍選擇相應的阻值,可更換;芯片時鐘由片內晶體提供。3v電壓降至保護電源直接由上位機的USB口取電,使用LM1117將5V電壓降到3.3V。電路中LED為電源指示燈,亮時指示電源接通,輸出的3.3V電壓作為MSP430F169、AD5933的電源Vcc。4ft25bm驅動使用FT245BM實現(xiàn)單片機與上位機的USB接口進行通信,如圖5所示。FT245BM負責并行數(shù)據(jù)格式和USB串口數(shù)據(jù)格式的互相轉換,上位機安裝好FT245BM的驅動程序后即可實現(xiàn)對它的控制。芯片電源由上位機USB口取得。5工作原理及設計鍵盤用于AD5933初始化設置,包括起始頻率、頻率增量和掃描點數(shù)的設置;LCD用于在AD5933初始化設置時數(shù)據(jù)顯示和AD5933工作狀態(tài)的顯示。鍵盤使用4×4矩陣式鍵盤,與P1口連接,利用P1口的中斷處理能力判斷是否有鍵按下,利用掃描方式讀取鍵值,Vcc來源于LM1117輸出的3.3V電壓,如圖6所示。顯示器使用DM-1602型液晶顯示模塊,它是一種用5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器,可顯示2行16個字符。1602采用標準的14腳接口,與單片機連接如圖7所示。5V電壓由USB口提供。V0為顯示器對比度調整,接正電源時對比度最弱,接地時對比度最高。RS為寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。E為使能端,當E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r,液晶模塊執(zhí)行指令。3小型阻抗分析儀的軟件設計3.1抗阻計1抗壓強度的確定從AD5933得到的是二進制數(shù)表示的對壓電片響應信號的DFT,計算阻抗模值前要將二進制數(shù)表示成十進制數(shù)。同時,還要對其乘以一個校準系數(shù),稱為增益系數(shù),即lmpedance(f)=1GainFactor×Μagnitude(f)式中:GainFactor為增益系數(shù),Μagnitude(f)=√R2+Ι2為響應信號DFT后的模值。增益系數(shù)由如下方法測定:估計壓電片的阻抗變化范圍,將阻值約在壓電片阻抗范圍中心處的精密電阻連接到Vin和Vout上,作為標定電阻,電阻要盡量靠近Vin和Vout兩個引腳,RFB根據(jù)標定電阻的大小參照AD5933的資料進行選擇,這時增益系數(shù)GainFactor=1Calibratedlmpdance√R2+Ι2式中:分子為標定電阻的導納,分母為AD5933做DFT結果的模值。值得注意的是每個頻率點的增益系數(shù)是不同的,所以對不同的頻率最好分別計算增益系數(shù)。2定電阻的測量相角校準同模值的計算一樣,相角的計算也要用標定電阻的測量相角校準,即在測量中將測量到的相角減去標定電阻的相角值,同時還要注意相角所在的象限以確定其真實值。3.2標準模式的建立AD5933的工作過程由MSP430F169控制。MSP430F169通過I2C總線將控制指令寫到AD5933的控制寄存器,由控制寄存器的內容決定AD5933的狀態(tài)。首先通過I2C總線將掃描頻率起始值、頻率增量值和掃描點數(shù)分別寫入起始頻率寄存器(24位)、頻率增量控制寄存器(24位)和掃描點數(shù)寄存器(16位);然后向控制寄存器D15～D12位寫入1101,控制AD5933進入標準模式,打開片內各功能模塊;再向控制寄存器D15～D12位寫入0001,用起始頻率初始化AD5933;開始頻率掃描,每掃描完一個頻率,計算該頻率下壓電片響應信號的DFT,變換結果的實部和虛部分別存放在實部數(shù)據(jù)寄存器(16位)和虛部數(shù)據(jù)寄存器(16位)中。在完成一個頻率掃描后,可以向控制寄存器的D15～D12位寫入0100,使芯片重復同一頻率對壓電片進行激勵,并檢測結果;也可以向控制寄存器D15～D12位寫入0011使芯片跳到下一頻率對壓電片進行激勵。3.3芯片輸出接地接口依據(jù)AD5933的工作原理設計單片機控制程序,完成頻率掃描和阻抗分析的工作,并由單片機將分析結果上傳至上位機,供上位機進行損傷檢測。程序流程如圖8所示。當AD5933處于標準模式時,片內所有放大器打開,但是放大器輸出接地,片內晶振打開;處于低功耗模式時,芯片AD5933進入掉電模式,即除了和單片機的接口外,所有模塊均關閉,放大器和晶振斷電,芯片輸入輸出引腳包括Vout和Vin均接地,然后單片機MSP430F169也進入低功耗模式。一般地,阻抗實部主要用于基于阻抗法的結構健康監(jiān)控,因為它對于結構損傷或變化更敏感;導納虛部用于傳感器自身的診斷。在實際應用中應該由上位機根據(jù)檢測任務需要來選取阻抗參數(shù)。4裂紋和過裂損傷用該儀器對一鋁合金梁損傷前后進行測試,測得阻抗實部和虛部分別如圖9和圖10所示。損傷為一橫向貫穿裂紋,所用壓電片為保定宏聲有限公司生產(chǎn)的P-5型PZT,大小為10mm×15mm×2mm。掃描頻率初始值4kHz,頻率間隔1kHz,一共掃描27個點。從兩幅圖中可以看到,損傷前后阻抗實部對損傷很敏感,變化較明顯;而阻抗虛部對損傷不敏感,變化比較小,符合實際情況。5