基于msp430的飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

基于msp430的飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

receive：2014-08-12；receive：2014-09-03。飛機結(jié)構(gòu)腐蝕的隨機性大、類型多樣,腐蝕損傷又直接影響著飛機的剩余壽命,關(guān)乎飛行安全,因此研究腐蝕的控制方法尤為重要。以往飛機的腐蝕研究關(guān)注于防腐蝕設(shè)計以及腐蝕后的檢測與維修JSF項目的SPHM(StructuralPHM)團隊就承擔了為F-35設(shè)計綜合性抗腐蝕環(huán)境傳感器的任務(wù),預測腐蝕損傷。除此之外,美國的Honeywell實驗室設(shè)計了腐蝕環(huán)境監(jiān)測設(shè)備,Boeing公司和澳大利亞的CSIRO合作開發(fā)了飛行器結(jié)構(gòu)腐蝕預診斷方法,LunaInnovations研制了機載無線腐蝕環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)文中根據(jù)飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測的需求,確定了影響腐蝕的4個環(huán)境參數(shù):溫度、相對濕度、濕潤時間和氯離子濃度。選型了溫濕度傳感器,研制了測量濕潤時間和氯離子濃度的傳感器。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計研發(fā)了小型化的多參數(shù)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點,能夠控制多傳感器實現(xiàn)在線的環(huán)境監(jiān)測,從而為飛機腐蝕預測提供一定的研究基礎(chǔ)。1航空金屬腐蝕的原因飛機結(jié)構(gòu)腐蝕的成因是多方面的,溫濕度是最關(guān)鍵的因素,其他如結(jié)構(gòu)表面的濕潤狀況、氯化物的污染也是航空金屬腐蝕的重要原因。鹽霧是一種常見的飛機腐蝕成因,在鹽霧這種氯離子濃度較高的場合,氯化物會沉降在飛機外表面或隨冷凝水滯留在內(nèi)部,易形成電解質(zhì)溶液而加速結(jié)構(gòu)腐蝕1.1溫濕度傳感器文中選擇了Sensirion公司生產(chǎn)的SHT15貼片封裝的溫濕度一體化傳感器,如圖1a所示。該傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上,輸出完全標定的數(shù)字信號,使用方便。SHT15溫濕度傳感器有著較高的測量精度和分辨率,測溫范圍為-40~123.8℃,相對濕度為0~100%,能滿足飛機環(huán)境監(jiān)測的需求。除此之外,該傳感器體積小、功耗低,測量狀態(tài)時的功耗僅為3mW,這些都為機載應用提供了便利條件。1.2層水膜傳感器的測量原理目前常見的氯離子測定方法有摩爾法、分光光度法、濁度法、離子色譜法等,但是這些測定儀器在質(zhì)量、功耗、操作方法等方面不能滿足飛機安裝測試的要求。因此文中研制了電化學傳感器來監(jiān)測氯離子濃度。文中設(shè)計的電化學傳感器為雙電極柵狀結(jié)構(gòu),當傳感器暴露在潮濕的大氣中或處于有積水的地方,其表面會凝結(jié)一層水膜。這層水膜溶解了鹽類和其他雜質(zhì),形成了一定氯離子濃度的電解質(zhì)溶液,給電化學腐蝕提供了條件。該傳感器的測量原理類似于線性極化技術(shù):首先等待電極的自腐蝕電位穩(wěn)定,電極反應處于平衡狀態(tài);之后對電極外加微小電壓進行極化,則正向和逆向的反應速度不相等,電流隨之發(fā)生變化。工作時對傳感器的電極施加微小電壓,實時監(jiān)測輸出電流。這種方法本用來測算金屬的腐蝕速率,但得到的數(shù)據(jù)也與腐蝕環(huán)境的相關(guān)參數(shù)有關(guān)聯(lián)傳統(tǒng)的線性極化測量裝置都是三電極系統(tǒng),由工作電極、參比電極和輔助電極組成。其中工作電極和參比電極的電極過程是一樣的,它們的腐蝕電位相近,加之極化時間很短,因此可以采用相同的材質(zhì)制成這兩個電極;輔助電極僅供極化時完成通電回路使用,也可采用同樣的材質(zhì)制成文中關(guān)注的飛機蒙皮等通常采用LY12硬鋁材料,為了更好地呈現(xiàn)飛機的腐蝕狀況,傳感器的電極采用與其相同的材料。在非金屬支撐材料方面,為了保證其可靠、輕質(zhì),同時具備耐腐蝕的特性,選擇環(huán)氧樹脂板作為傳感器的底板。根據(jù)WilsonA等的研究1.3濕本電式溫濕度傳感器腐蝕環(huán)境研究中的濕潤時間(TimeOfWetness,TOW)是指金屬暴露在空氣中表面持續(xù)濕潤的時間,是導致金屬在大氣中發(fā)生腐蝕的一個重要因素。當前對于濕潤時間的測量大多是通過綜合氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)(相對濕度、降雨量等)統(tǒng)計得到的常用的濕潤時間傳感器是基于電偶腐蝕的原理,傳感器表面濕潤時,異金屬電極浸沒在電解質(zhì)溶液中,伽伐尼電池被激活,輸出一定的電壓。該傳感器經(jīng)過Sereda電阻式濕潤時間傳感器的主體部分為同種金屬制成的交叉指狀電極,如圖1c所示。當空氣干燥時,電極之間相互絕緣,傳感器的輸出電阻無窮大;若空氣濕度增大至表面凝結(jié)液滴,或有降雨、降雪、結(jié)露等現(xiàn)象發(fā)生,電極將被短路,輸出電阻大大降低。使用前設(shè)置一個臨界電阻值,當輸出電阻低于這一界限則認為表面已經(jīng)濕潤,連續(xù)監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)即可記錄下傳感器表面的濕潤時間。該傳感器的敏感元件為相同材質(zhì)的雙電極,以往的制作方法是將材料加工成絲狀,平行纏繞在絕緣體上,構(gòu)成檢測極。這種方法制作復雜,復現(xiàn)性不好,且對于電極寬度和電極間距的大小都難以精確控制。文中使用標準PCB制造技術(shù),按照事先設(shè)計繪制好的圖形,在覆銅基板上蝕刻出2個等寬的300μm的銅電極,使電極呈交叉指狀分布,相互絕緣且相互穿插。該傳感器的工作原理決定了電極間距越小,靈敏度越高,所以應用中的電極間距為PCB技術(shù)最精細的80μm,即使表面上附著的微小液滴也能被感知到。此外,該傳感器需要長期暴露在外部環(huán)境中,而銅電極裸露在空氣中會很快被腐蝕損壞,因此在電極上再覆蓋一層金進行保護。濕潤時間傳感器的整體尺寸為22mm×20mm,體積小、壽命長、制作成本低,且電阻式的原理決定了其測量電路也較簡單,很適合機載使用。2多參數(shù)飛機腐敗監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)2.1節(jié)點構(gòu)架設(shè)計考慮機載監(jiān)測的特點,為實現(xiàn)輕量化和小型化,研制了用于多腐蝕環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的小型化監(jiān)測節(jié)點。飛機PHM系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境的監(jiān)測是個長期的過程,因此節(jié)點需要能夠獨立、長時間的工作。節(jié)點設(shè)計時主要考慮了小尺寸、低功耗、獨立的電源供給、數(shù)據(jù)處理與本地存儲能力、用戶應答下載等要求。節(jié)點的整體構(gòu)架設(shè)計如圖2所示,分為測量模塊與主控模塊等2部分。其中主控模塊以TI公司超低功耗的16位混合信號處理器MSP430F169為核心,片內(nèi)集成有多個DAC,ADC和串口通訊模塊,資源豐富,符合設(shè)計需求。通過該芯片可實現(xiàn)對傳感測量、數(shù)據(jù)采集與處理、存儲等的控制。測量模塊則包括了傳感器及其測量電路。2.2傳感器和電路布置按照基本構(gòu)架對節(jié)點的硬件按模塊進行設(shè)計,制成的實物如圖3所示。對環(huán)境的監(jiān)測需要傳感器與被測環(huán)境直接接觸,為此,節(jié)點設(shè)計為上下2層。上層是測量模塊,其中傳感器暴露在外,而電路可以后期通過封裝外殼加以保護;下層為主控模塊,實現(xiàn)對3種傳感器的控制管理。整個節(jié)點體積小(70mm×50mm×20mm),適合在飛機的狹窄空間使用。測量模塊主要是3種傳感器以及相應的測量電路。其中SHT15傳感器的接口電路為一種類IIC的數(shù)字串行接口,對該傳感器的測量控制由MSP430來實現(xiàn)。芯片和傳感器的數(shù)據(jù)線、時鐘線相互連接,按照傳感器給定的通訊協(xié)議,通過發(fā)送指令建立通訊,完成對溫濕度的實時測量。濕潤時間傳感器和電化學傳感器的測量方式都屬于被動式測量,其測量過程都由外部激勵主動觸發(fā)來實現(xiàn)。濕潤時間的測量如圖4a所示,對傳感器施加激勵電壓VTS,通過分壓電路將傳感器電阻轉(zhuǎn)化為電壓,再放大和濾波后得到輸出電壓VTO。電化學傳感器的測量電路與濕潤時間相似,不同的是通過測量其極間電流而非電阻來實現(xiàn),如圖4b所示。待自腐蝕電位穩(wěn)定后對電化學傳感器施加激勵電壓VES,兩級間產(chǎn)生一定的電流,極間電流再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓,放大和濾波處理后得到輸出電壓VEO。由于過大的激勵電壓容易引發(fā)進一步的電化學腐蝕,所以對這兩種傳感器的激勵都必須很小,節(jié)點選取的是20mV。隨之而來的輸出信號也都較微弱,極易受到噪聲的干擾,因此它們的測量電路設(shè)計特別注重了對微小信號的去噪和放大。一是通過合理的接地設(shè)計,防止因為電位不平衡引入誤差;二是采用低偏置的運算放大器OPA602對輸出信號進行濾波和放大;另外,傳感器和電路的偏置采用軟件補償來消除。主控模塊除了控制測量模塊完成工作外,還可將測量數(shù)據(jù)存儲在MSP430的ROM以及FlashROM里,解決了節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲問題。此外,主控模塊還設(shè)計了串口通訊功能,設(shè)計以RS232通訊協(xié)議進行節(jié)點與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,片內(nèi)存儲的測量數(shù)據(jù)可通過串口通訊讀出。整個節(jié)點由9V蓄電池供電,利用精度為1%的AMS1117轉(zhuǎn)換成MSP430所需的工作電壓(3.3V),供電電路設(shè)計有電解電容、磁珠等器件進行濾波和去噪。耗能方面,該應用中傳感器監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)是變化極為緩慢的物理量,并不需要頻繁的測量。再加上MSP430F169的功耗管理極具優(yōu)勢,可以通過關(guān)閉不同的晶振迫使核心操作系統(tǒng)進入休眠狀態(tài),減少不必要的能耗。這些特點使得節(jié)點的使用壽命得到了保證。2.3分布式傳感器在飛機多個部位分布安裝該節(jié)點,連續(xù)采集環(huán)境參數(shù),信號調(diào)理后存儲在本地,全面監(jiān)測腐蝕環(huán)境。使用時還可將分布在各處的節(jié)點看成是傳感器結(jié)點,只需添加網(wǎng)絡(luò)適配器就可構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)整個系統(tǒng)之間的通訊,如圖5所示。不同位置的傳感器結(jié)點將本地數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)適配器,網(wǎng)絡(luò)適配器綜合管理各傳感器結(jié)點,并在適當?shù)臅r機將數(shù)據(jù)上傳到客戶端進行存儲分析。3節(jié)點測試實驗3.1溫濕度測量方式對溫濕度傳感器的驗證實驗在ACS-CH250型溫濕度箱內(nèi)進行。設(shè)置箱內(nèi)的起始溫度為5℃、濕度為5%,設(shè)定程序以步長5依次遞增溫濕度,每個值到達后保持1h,確保箱內(nèi)溫濕度值的穩(wěn)定。通過節(jié)點控制SHT15每5min采集1次數(shù)據(jù),測量30min后求其平均。計算每個測量點的測量結(jié)果與設(shè)定值的相對誤差,得到溫度測量的平均誤差為±0.7%,最大誤差為1.2%;濕度的平均誤差為±0.9%,最大誤差為1.9%。表明節(jié)點對溫濕度的測量與傳感器數(shù)據(jù)相符,測量精度較高。3.2電化學傳感器測試為了驗證電化學傳感器對不同氯離子濃度的響應,分別選擇蒸餾水、質(zhì)量分數(shù)為3%和5%的NaCl溶液作為反應溶液,測量電化學傳感器在其中產(chǎn)生的極化電流的大小。將等量的3種溶液倒入3支燒杯,3片電化學傳感器分別置于其中。等待一段時間至自腐蝕電位穩(wěn)定后,依次通過節(jié)點對傳感器施加激勵電壓,記錄傳感器對各自浸沒溶液的輸出,實驗結(jié)果如圖6所示。該實驗表明,3種溶液對應的傳感器輸出有較大區(qū)別,驗證了節(jié)點中的電化學傳感器對不同氯離子濃度的敏感性,可用于氯離子的監(jiān)測。實際腐蝕大氣中的氯離子濃度是很低的,達不到上述實驗中的條件。為了驗證該傳感器的實際應用價值,通過對不同低濃度的NaCl溶液進行測試,得到目前該傳感器可以甄別到的最低氯離子質(zhì)量分數(shù)為0.5%。3.3溫濕度時間傳感器取1組濕潤時間傳感器,置于溫濕度箱內(nèi),控制箱內(nèi)溫度為25℃,調(diào)節(jié)濕度依次增大,通過節(jié)點測量傳感器在60%,70%,80%,90%濕度條件下的輸出電阻。按照前述的工作原理,隨著箱內(nèi)空氣的相對濕度越來越高,輸出電阻應該相應地減小,實際測出數(shù)據(jù)取其平均后見表1。該實驗表明濕潤時間傳感器對表面的濕潤情況敏感,可用于濕潤時間的測量。以上在實驗室中驗證了監(jiān)測節(jié)點的有效性,但實際的腐蝕環(huán)境更為復雜,對傳感器的應用也提出了更高的要求。例如,當電化學傳感器只是暴露在潮濕大氣中,而非降雨降雪等極端情況時,其表面很難形成連續(xù)的液膜,難以滿足電化學測量的條件,但該傳感器仍適用于離線取樣的氯離子測量。因為在實際應用時,飛機結(jié)構(gòu)的焊縫、對接結(jié)構(gòu)部位等處容易產(chǎn)生積水,當空氣中的氯離子沉降在其中,形成的電解質(zhì)溶液可作為電化學的反應溶液,電化學傳感器可用于該場合的測量。對大氣中的氯離子濃度的監(jiān)測有待進一步改進電化學傳感器的設(shè)計。4多參數(shù)飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點建設(shè)文中提出了一種飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與基于該技術(shù)的小型化監(jiān)測節(jié)點的實現(xiàn)方法。針對溫度、相對濕度、濕潤時間