徐 涛，陈 赫，卢少微，马克明

(1.沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110136)

0 引言

随着航空航天领域的快速发展，聚合物基复合材料逐渐成为了飞机主要的外壳制作材料，这种材料具有质量轻、强度高、热稳定性好、耐腐蚀性高、易于成形等优良特点，满足了先进飞机对材料性能的要求，随着飞机使用时间的增加，复合材料容易在表面或者内部出现微观的结构受损，其损伤位置隐蔽，难于察觉，显著降低了复合材料的可靠行，对飞行器的飞行安全造成隐患[1-6]。碳纳米纸薄膜具有优异的导电性能、机械特性、化学特性和传热性能，为复合材料健康监测的应用提供了巨大的潜力并引起了人们的广泛关注[7-10]。根据不同的监测对象，碳纳米管可以与其他材料混合，改变其物理和化学性质[11]，可以采用喷涂或者粘贴的方式与复合材料无缝接触[12-13]，当复材在载荷作用下发生冲击形变时，碳纳米管由于内部隧穿效应和碳纳米管在接触长度和接触面积之间发生变化，导致电阻发生改变，根据薄膜的电阻变化情况分析复合材料的应变损伤程度[14-16]，三点弯曲试验结果分析表明碳纳米管薄膜传感器具有良好的检测沿光纤方向损伤情况的能力[17-21]。

目前所使用的34401A万用表用来测量碳纳米纸传感器的电阻值精度很高，但是采集频率低，本次设计的采集系统显著提高了采集频率，可以对其进行动态特性分析。因此，开发一种碳纳米纸传感器信号采集系统对于复合材料的应变损伤检测具有十分重要的意义。

1 传感器机理

碳纳米管薄膜结构中的碳纳米管相互交错叠加在一起，彼此之间相互接触，碳纳米管薄膜内部电阻R由2部分构成，一部分为本身自带的电阻R1，另一部分为碳纳米管之间彼此接触而产生的电阻R2，总电阻R表示如下形式：

R=μ1R1+μ2R2

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μi为常系数；Li为参与导电的碳纳米管的有效长度；Ai为参与导电的碳纳米管的有效横截面积；T为温度；R1为碳纳米管的自身电阻；R2为碳纳米管之间的接触电阻；J1为碳纳米管接触处的宽度；J0为隧道势垒的高度；ω0为电子频率;A、B、η、kA为常系数。

由电子遂穿效应理论得知，碳纳米管薄膜的形变量与电阻成线性正相关，由于碳纳米管具有良好的导电特性，在分析时可以忽略碳纳米管自身电阻R1，R近似等于R2[22]。

R=μ2R2

(5)

2 采集系统总体设计

碳纳米纸传感器信号采集系统主要由信号调理模块、数据转换模块、数据传输模块以及上位机界面4部分组成，将直径为3 cm的碳纳米纸与复合材料一体成型，当复合材料表面或内部发生破损时会发生形变进而导致贴附在材料表面的碳纳米纸发生形变，将1 mA的恒流源电路连接到传感器直径的2个端点处，使用导电银浆把导线与传感器固定在一起，当传感器发生形变时会导致内部电阻发生变化，进而转换微弱的电压信号。微弱的电压信号经过放大电路放大以后传输到AD7606中进行A/D转换，然后再传输到中央控制系统进行处理，可以把实时采集到电阻值存储到MicroSD卡中，并且通过以太网通信方式，把信号传输到上位机LabVIEW中，可以观察到实时变化的电阻值曲线，实现对复合材料表面损伤情况的实时监测，掌握被测材料的损伤状态，对突发情况做出及时的判断与处理。图1为采集系统总体设计。

图1 采集系统总体设计

2.1 电源模块设计

电源供电端口采用MiniUSB与直流电源双电源供电模式，可以直接得到5 V直流电源，电源波动范围在2%以内，可以为放大器OPA340提供电源；5 V直流电源经过MT3608升压芯片后可以得到7 V直流电源；7 V直流电源经过ADM660电压正负转换芯片得到-7 V直流电源，可以为放大器OP07提供电源；7 V直流电源经过REF02稳压芯片得到稳定的5 V直流电源，可以为恒流源提供电源，电源纹波显著减小；5 V直流电源经过ASM1117-3.3降压芯片得到3.3 V直流电源，可以为主控芯片以及外围数字电路供电；ADR421电源芯片可以提供2.5 V基准电源，作为片外A/D转换芯片的参考电源；ADR130电源芯片可以得到0.5 V基准电源，为放大电路提供固定基准电源。经实际测量得到结果和我们需要的结果一致，误差在1%以内，满足了使用的需求，可以为后续电路提供稳定的电源。图2为电源模块设计。

2.2 转换电路设计

采集系统使用8路信号调理电路，可以同时多通道采集传感器信号。

2.1.1 恒流源电路

恒流源电路由放大器OPA340、三极管MMBT3904和MMBT3906组成，由5 V和2.5 V基准电源两路输入电源供电，由于基准电压芯片输出电压噪声低，电压精度高，芯片功耗低，因此产生的恒流源相对稳定，通过调节元器件J7处的滑动变阻器的阻值改变恒流源输出值，本次设计采用1 mA恒流源，Q2和Q7三级管组合成达林顿体系结构，可以增加恒流源的带载能力减小功率损耗，完成碳纳米纸的电阻到电压的转化。图3为恒流源电路设计。

2.2.2 放大电路

传感器采集的电阻信号经过恒流源以后变成微弱的电压信号，所以需要放大后才能被后续电路所使用。采用减法放大电路进行信号放大，放大器采用OP07，具有低噪声、低失真、高增益、正负信号双区间放大等特点，供电端由+7 V和-7 V双电源供电，OP07在出厂时就做过调零处理，一般情况下可以不需要调零，在要求精密输出的条件下，可以在放大器的1和8引脚之间增加一个20 kΩ左右的可变电阻，当放大器的输入端为0时，调节可变电阻使放大器的输出值为0，即完成调零工作。误差来源主要是电阻器件的精确度，误差范围在2%以内，可以在后面的软件设计中减小或者消除此误差，使测量结果更加精确。图4为放大电路设计。

图2 电源模块设计

图3 恒流源电路设计

图4 放大电路设计

2.3 A/D转换电路设计

本系统采用AD7606作为A/D转换芯片，AD7606可以8路同步采样输入，5 V单电源供电，2.5 V片外基准电源提供A/D芯片所用的参考电源，具有16位转换精度，最高转换频率可以达到200 kHz，AD7606的模拟输入有±10 V和±5 V两种，本次设计采用±5 V模拟输入量程，无倍频采集。转换出来的数字信号采用并行通信的方式传输到MCU中，大大提高了信号传输的速度，并在控制器中进行处理和分析。图5为A/D转换电路设计。

2.4 MUC最小系统以及外围功能电路

2.4.1 最小系统组成

本系统采用STM32F407芯片作为整个系统的控制核心，STM32F407芯片硬件架构Cortex-M4，具有功耗低、速度快、成本低、软件开发周期快等特点，在其最小系统中外接32.768 kHz低速晶振作为系统的LES时钟源为RTC提供时钟，外接8 MHz高速晶振作为系统的HES时钟源为MUC提供系统时钟；纽扣电池的设计可以使RTC时钟在掉电之后还能运行；复位开关采用手动复位方式，可以使系统复位重置；JTAG电路的设计可以为数字电路提供电源以及下载程序；预留串行通信接口，可以在PC中的串口助手软件观察实时数据或代码，方便后续程序调试。图6为STM32F407最小系统电路设计。

图5 A/D转换电路设计

图6 STM32F40最小系统电路设计

2.4.2 MicroSD卡模块

MicroSD卡具有数据写入和读取速度快，支持热插拔，容量大，体积小携带方便等优良特性，非常适合在便携式装置上使用，图7为MicroSD卡模块设计。本系统采用MicroSD卡作用外接存储设备，可以把采集到的电阻值数据实时保存在里面，MicroSD卡模块的设计可以使数据更加快捷的存储，且安全高效，在软件设计中添加了FATFAS文件系统模块，其独立于硬件架构，可移植性高，具有较高的可配置性，最小配置仅使用1 KB的RAM空间，非常适用于嵌入式系统，可以把数据保存成文本文件，然后直接用读卡器通过PC读取文件，方便在安装windows系统的PC和嵌入式设备之间交换数据。

2.4.3 以太网模块

本系统采用以太网接口进行下位机与上位机的通信，以太网通信功能主要通过移植小型高效的TCP/IP协议栈LWIP来实现，采用UDP传输协议进行数据传输，与TCP协议相比省略了握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制，大大加快了数据的传输速度。采用3.3 V电源供电，外接25 MHz高速晶振，网线接线端口采用HR911105A接口,其内部具有网络隔离变压器，可以使信号在传输过程中不容易受到干扰，传输信号稳定，另外在接口处有绿色和黄色2个指示灯，黄灯闪烁代表数据正在传输，绿灯常亮表示连接正常。图8为以太网模块设计。

3 下位机软件设计

下位机软件程序是用C语言编写的，在keil5环境下编辑和仿真调试，方便在库函数的基础上移植和修改，大大缩短了开发时间。首先初始化系统运行所用到的时钟、I/O口以及外设(MicroSD卡、AD7606、LAN8720)，设置系统中断优先级分组，设置定时器定时时间，当定时中断发生时，进入中断服务函数，进行AD7606的采集与转换，打开文件系统，把转换结果存储到MicroSD卡中，同时通过网口把数据传输到上位机中，结束后关闭文件系统，完成一次数据采集、存储、传输。图9为系统软件流程图。

4 上位机软件设计

图7 MicroSD卡模块设计

上位机采用LabVIEW图形化软件进行设计，与下位机通过以太网通信方式通信，进行数据的传输，只需要输入端口号就可以连接，具有实时监测目标传感器的电阻变化情况的功能，图10为LabVIEW前面板设计，可以实时同步PC端的时间，并且实现4通道和8通道波形图表的切换，满足多个传感器同时监测的需求，拓宽了使用范围，在波形图表中可以直观地看到电阻值曲线，另外在图表下方增加了实时显示传感器的电阻数值的功能，可以与图表曲线进行对比，精确读数。在对碳纳米纸传感器电阻的变化情况实时监测过程中，可以把采集的电阻值数据以TDMS形式实时保存到PC机上，并且可以更改保存路径，方便读取和使用。综合分析出被测材料的动态性能，实时监测复合材料在受力形变过程中的健康状况。

5 系统实验

系统整体调试完成后，进行数据采集实验，采集的数据为测量值。采集系统设计的电阻采样最大范围在0～1 000 Ω，而碳纳米纸传感器的电阻变化范围在0～200 Ω，可以满足使用需求。将与复合材料一体成型后的碳纳米纸传感器两端引出两根导线，接在采集器的采集端口处，分别用不同程度的弯曲应力作用在复合材料上，同时观察上位机界面电阻值曲线的变化情况，图11为通道1采集电阻值的曲线，可以发现电阻值随着形变大小而产生相应的正相关特性，并把数据保存在TDMS文件中，插入MicroSD卡后，数据也可以保存在卡中，方便数据的比较与分析。在实验过程中，同时利用34401A万用表进行同步测量，万用表所采集的电阻数据为实际值，把记录的结果与采集器所采集的数据结果进行对比分析。2组实验结果如表1所示。

图8 以太网模块设计

图9 系统软件流程图

图10 LabVIEW前面板设计

图11 通道1采集电阻值曲线

从表1中的数据可以看出，采集器所测量的电阻值与34401A万用表所测量的电阻实际值相比，最小误差率仅为0.88%，最大误差率为2%，平均误差为1.416%。可以近似反映出碳纳米纸传感器真实的电阻值，满足实际应用的需求，可以正确检测出复合材料的损伤情况，进而整体掌握飞机表面结构健康状况。

表1 通道1的测量值与实际值数据

6 结束语

针对碳纳米纸传感器的动态特性分析要求，本文设计了一款以碳纳米纸作为传感器，STM32F407单片机作为主控芯片，AD7606作为A/D模块转换芯片的信号采集器，并通过LabVIEW上位机界面可以观察到电阻值曲线，直观地反映出复合材料的健康状况，并将采集结果储存在MicroSD卡和TDMS数据文件中，通过与34401A万用表所测量的电阻值进行比较，测量误差低于2%，数据采集结果稳定性高，满足高频数据采集环境的需求，为下一步碳纳米纸传感器应用于飞机表面结构健康监测领域奠定了基础。