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    工業CT原位加載裝置壓力信號采集系統

    返回列表發布日期:2020-03-27 13:50:14    |    

    摘 要:為了避免旋轉掃描過程中加載裝置壓力傳感器外接連線帶來的纏繞和遮擋問題,基于ARM技術和WiFi技術給出了一種無線數據采集方案,實現了工業CT原位加載掃描實驗中加載裝置壓力信號的實時采集。整個采集系統由下位機、無線路由器、上位機三部分組成。下位機安裝在加載裝置上,采用ARM系統搭建,電池供電。壓力變送器信號經調理后通過ARM主控芯片模擬輸入端采集。利用WiFi模塊與路由器通過無線連接,路由器再與上位機通過網線連接,從而實現下位機與上位機的P2P網絡連接。數據傳輸采用UDP協議,自定義數據包格式中包含了采樣時間和各通道A/D數據。上位機放置于CT監控室,接收網絡UDP數據包,解析數據后進行顯示和存儲。實驗測試結果表明,該系統工作穩定可靠,操作方便直觀,完全滿足靜態加載的數據采集需求。

    引 言
    自 Röntgen 發現 X 射線之后,Cormack 和 Hounsfield進一步發明了醫用 CT,從而開啟了利用 X 射線穿透物體之后的衰減特性進行物質檢測的方法。隨著計算機技 術 的 迅 猛 發 展 ,現 在 計 算 機 X 射 線 層 析 掃 描(Computed Tomography,CT)技術已經成為一種非常重要的實驗技術手段,在醫療診斷、工業檢測以及科學研究等領域有著廣泛的作用,是進行材料內部結構無損檢測的主要方法 [1] 。圍繞 CT實驗技術,在圖像重建算法、掃描成像方式、信噪比增強等方面都取得了很大進展,不斷改進了CT系統的成像質量 [2] ,并且融入到實踐教學中 [3] 。值得關注的是,通過將傳統CT技術與傳統力學加載測試技術相結合,這就極大地拓展了CT的應用領域,不僅可以精確觀測材料內部的組織結構,而且實現了原位加載下材料內部結構演化的實時觀測,為研究材料變形破壞、流體滲透驅替等過程的微細觀機制提供了實驗支持 [4?5] 。

    國內最早實現這一技術創新的是中國科學院蘭州冰川凍土研究所,借助一臺醫用 CT實現了加載過程中巖石材料細觀損傷擴展規律的實時試驗研究 [6] 。后來,一些研究人員陸續完成了一系列改進,分別結合醫用CT 或工業 CT 開展了原位加載下的實時 CT 觀測試驗 [7?15] 。不難發現,受限于材料加載裝置復雜的管路連接和傳感器布置,將其與醫用 CT 結合是比較容易的。因為在醫用CT中,加載裝置類似于病人,在試驗過程中可以保持不動,而是通過X射線源以及探測器的旋轉來實現相對運動并完成掃描成像。另外,醫用 CT可以快速完成整個掃描過程,這也有助于對流體滲透驅替過程的CT成像追蹤。但是若為了提高分辨率,工業CT就是更好的選擇了,而且它可以提供更寬的功率范圍,能夠掃描各種材質。

    從目前的研究中發現,將工業 CT與加載裝置相結合時面臨的一個重要問題是,加載裝置必須隨轉臺一起進行高精度的穩定旋轉,因此各種管路和連線在旋轉過程中的干涉就必須設法解決,否則就會纏繞起來阻礙轉臺的旋轉。尤其是各種測量載荷、位移等信號的傳感器,其連接線在整個試驗過程中是不能斷開的,否則測量值就會發生偏差。位移信號還可以考慮采用非接觸式位移計進行測量,但載荷信號就必須進行原位測量了??紤]到在小轉臺上實現加載和旋轉,需要盡可能減輕加載裝置的重量,一般采用液壓加載方式。因此加載裝置的原位壓力測量就成為亟需解決的關鍵問題。而且作為工業 CT原位加載實驗的關鍵部分之一,壓力信號數據采集與傳輸系統的可靠性、穩定性、實時性都將直接影響到最終試驗能否成功。因此設計一套穩定、可
    靠的壓力信號采集與無線傳輸系統對于工業CT系統而言極為重要。

    隨著物聯網的興起,無線傳感器已經成為可能,各種無線傳輸技術也被大量應用 [16?20] 。結合工業 CT和電機機械加載裝置的無線測試系統也初步實現 [21] ,這是通過專用的無線模塊自定義信道來完成數據傳輸的,在數據獲取和解釋方面需要專用軟件來完成。比較各種無線傳輸技術,WiFi通信具有組網靈活、兼容性強、性能穩定、易于開發等優勢,在許多領域都取得了很好的應用效果 [22?25] 。盡管 WiFi模塊可以直接和 A/D 電路連接實現簡單的數據發送功能,但結合 ARM 系統可以根據具體要求完成更加智能的數據采集和發送任務。下面就基于ARM技術和WiFi通信技術,對工業CT原位加載裝置壓力信號采集系統的設計進行具體說明。本文所介紹的設計方案中采用了基于ARM芯片STM32F205的WiFi模塊WM?N?BM?09,當然也可根據需求更換為其它型號的ARM芯片和WiFi模塊。

    1 系統方案設計
    工業CT原位加載裝置由液壓油通過活塞對試樣施加載荷,或者直接對試樣施加圍壓載荷。加載同時X射線照射罐體中試樣,得到試樣CT掃描圖像。為得到不同角度的 CT掃描圖像,加載裝置在加載同時緩慢轉動。如果加載過程中信號采用有線形式傳輸,在加載過程中會出現導線纏繞的問題,跨過罐體上下端的導線還會影響 CT掃描圖像的效果,因此系統方案設計中考慮信號的傳輸采用無線傳輸形式。另外,為防止射線泄露,工業CT主機放置在用硫酸鋇磚砌成的CT屏蔽室內,因而無線信號也無法穿透墻體,到達隔壁的CT監控室。鑒于以上特殊情況,設計了如圖1所示的系統方案。整個系統由安裝在加載裝置上的下位機、放置于CT屏蔽室的無線路由器、放置于CT監控室的PC上位機三部分組成。

    在下位機中,加載裝置壓力信號經壓力變送器轉換為 0~5 V 或 4~20 mA 的電信號,再經信號調理后送至WiFi模塊模擬輸入端,經 WiFi模塊轉換為無線 WiFi信號發射出去。CT屏蔽室放置一無線路由器,該路由器與預先埋好的經過墻體的網線相連,無線 WiFi信號經無線路由器通過網線傳輸至 CT 監控室的 PC 機,PC 機軟件可實現對壓力信號采集的啟??刂?,采集數據的實時顯示,數據存儲等功能。該方案只需設計信號采集端的硬件電路(圖中下位機部分),借助無線路由器實現局域網WiFi通信,降低了硬件設計的復雜度,并且方便系
    統擴展。

    2 系統硬件設計
    系統硬件設計主要是下位機信號采集端的電路設計,包括信號調理電路、WiFi模塊、電源電路等。

    2.1 信號調理電路
    壓力變送器將壓力信號轉換為0~5 V或4~20 mA的電信號,而 WiFi模塊模擬輸入端的輸入電壓范圍為0~3 V,因此需要設計信號調理電路將壓力變送器輸出的電信號調理至 WiFi模塊模擬輸入端可接收的信號范圍。信號調理電路如圖 2所示,由精密電阻 R 1 ,R 2 構成的分壓電路與運放 LM358 構成的電壓跟隨器電路組成。圖中 V IN 來自壓力變送器輸出的電信號,V OUT 送往WiFi模塊模擬輸入端。該電路可以實現輸入電壓信號的電壓范圍變換及輸入電流信號到電壓信號的轉換。

    2.2 WiFi模塊
    WiFi模塊采用 USI公司的 WM?N?BM?09無線通信模塊。該模塊支持IEEE 802.11b/g/n協議,具有體積小、功耗低、設計靈活性高等優點。模塊內部結構框圖如圖 3所示。內部集成了博通公司的 BCM343362WiFi芯片和意法半導體的 STM32F205微處理器芯片。通過該模塊可以非常方便地將 SPI,USB,UART,GPIO,ADC,DAC 等通用接口連接到無線局域網中。WM?N?BM?09的硬件接口電路如圖 4所示,模塊 RST 端接復位電路,ANT端接外置天線,四路經過處理的模擬輸入信號分別接至模擬輸入端ADC1~ADC4。

    2.3 電源電路
    電源電路要提供12 V,5 V,3.3 V三個供電電壓,分別為外接的壓力變送器、信號調理電路及 WiFi模塊供電。因數據采集端下位機要和加載裝置一起,動態加載時隨罐體旋轉,為避免加載過程的導線纏繞問題,信號傳輸方式上選擇了無線傳輸形式。對于下位機的供電同樣也要避免這一問題,因而采用了電池供電方式。采用鋰電池串聯供電,可提供外接壓力變送器的 12 V 供電電壓,同時該 12 V 電壓經降壓模塊轉換得到 5 V,3.3 V電壓,分別為信號調理電路及 WiFi模塊供電。為簡化電路設計,降壓模塊選用了雙路輸出的 TPS54290降壓模塊。電源電路如圖 5 所示,圖中 V OUT1 ,V OUT2 可分別由式(1)、式(2)確定,通過選擇合適阻值的電阻,可使電源電路的兩路輸出V OUT1 ,V OUT2 分別為5 V與3.3 V。

    3 系統軟件設計
    系統軟件包括數據采集端下位機軟件和PC上位機軟件。下位機軟件主要實現 A/D 轉換,網絡 IP 配置、WiFi通信等功能。上位機軟件主要實現采集控制、數據記錄與顯示等功能。

    3.1 通信協議與數據包格式
    在 WiFi通信中,網絡傳輸層的協議主要有 TCP 和UDP兩種。TCP作為一種面向連接的傳輸協議,能夠提供穩定可靠的傳輸服務,具有確認、重傳、擁塞控制機制。但 TCP傳輸效率相對較低,占用系統資源較高,不適用于大規模數據的實時傳輸。UDP作為一種無連接、無狀態的傳輸協議,實時性較好,系統資源消耗小,傳輸效率高。但在不穩定的網絡環境中,UDP傳輸可能會發生丟包或數據順序錯誤??紤]到加載過程中有大量數據需要實時采集,這里選定 UDP協議進行無線傳輸,并
    在上位機采集軟件中進行數據包識別和檢測,以便在保證良好實時性的前提下適當進行數據容錯處理。

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