无线振动传感器网络节点设计.pdf

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1、2011拄仪表技术与传感器2011第10期InstrumentTechniqueandSensorNo．10无线振动传感器网络节点设计李剑，姚金杰(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)摘要：介绍了一种适用于振动测试的传感器网络节点，通过该节点搭建的传感器网络可以检测材料是否存在缺陷。该节点的硬件电路以cycloneIII系列FPGA为核心，包括3维振动信号调理采集单元、1个外部SD卡存储器、1个2．4G频段的无线收发单元、1个传感器单元和USB—SPI电路以实现无线、有线两种传输方式。实验结果表明设计系统是可行且有效的，将会为MEMS技术应用于振动检

2、测领域奠定基础。关键词：冲击回波法；振动测试；无线传感器网络节点中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002～1841(2011)10—0076—02DesignofWirelessNondestructiveTestingNetworkNodesLIJian，YAOJin-jie(StateKeyLaboratoryforElectronicTestingTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)Abstract：Thispaperintroducedakindofsensornetworkno

3、desuitableforvibrationtesting．Thesensornetworkwhichsetupbythenodescandetectmaterialdefects．ThenodesinthehardwarecircuittookCycloneIIIseriesFPGAasthecore，including3Dvibrationsignaldisposalacquisitionmodule，SDcardmemory，2．4GHzwirelesstransceivermodule，asensorunitandUSB—SPIcircuittorealizeth

4、ewirelessandcabletwokindsoftransmission．Experimentalresultsshowthatthissystemisfeasibleandeffee—tive，andcanbeusedforvibrationdetection．Keywords：impact—echo；vibrationtesting；wirelesssensornetworknode0引言冲击回波法是用直径为‘p3—20mm的小钢球冲击测试物体表面，产生的瞬时脉冲波传人物体内部(设物体为均匀介质)，并在内部缺陷(孔洞、蜂窝、分层)或弹性模量有差异的界面处反射到结

5、构表面，引起质点的振动，继而通过提取质点的振动信息，判断物体的内部缺陷⋯。冲击回波法在机件内部缺陷检测、沥青及水泥路面等板状体厚度测定、表面开口裂缝深度测定等方面具有极高应用价值。目前利用冲击回波法进行无损检测，多数采用单点有线方式进行检测，由于回波振动幅度小、方向性强、传播时径向干扰图1系统整体框图较强，造成检测过程中存在较大的误差。线传输。针对上述问题，提出利用MEMS三轴加速度计拾取回波信1．1控制单元号并采用多节点无线方式搭建无线无损检测系统。利用控制单元采用CycloneIII系列FPGA．此系列是前所未有MEMS三轴加速度计拾取回波振动信号，不仅能够采集回波的

6、地同时实现低功耗、低成本和高性能的FPGA．文中采用三维加速度信息，更好的提取有用信号，而且基于多节点的三EP3C10E144CN作为系统的硬件开发平台，它具有10320个逻维交叉定位法可以快速计算缺陷的位置。辑单元，414KbitsRAM，1818的硬件乘法器23个，2个锁相1传感器网络节点的系统构成环，10个全局时钟网络。利用AVALON总线完成对各个模块系统构成如图1所示，包括：传感器模块、信号调理模块、的控制J。AD模块、无线收发模块、SD存储模块、SPI—USB模块、FPGA1．2传感器模块控制模块、电源模块。系统的核心部件为三轴加速计，采用LIS344ALH．

7、重力加为了提高系统的智能化，采用无线、有线两种方式搭建无速度检测量程可以在±2g之间或±6g之间选择，具有低功耗线传感器网络。其中利用无线收发模块NRF2401进行无线传模式，通过在三轴输出端口配置电容以设置带宽。图2为传感输；利用SPI—USB模块，通过USB延长线与上位机相连进行有器的电路连接图。回波信号属于低频微弱信号，设置带宽为1100Hz，量程为±2g。利用串联型精密基准电压源基金项目：国家电子测试重点实验室基金资助项目(9140C1204051010)收稿日期：2011—02—14收修改稿日期：2011—07—10