摘要：为了满意振荡传感器阵列对多点信号实时传输的要求，研发了一种依据压电薄膜(PVDF)传感器以及无线传输的振荡信号丈量体系。该体系包含振荡信号收集模块及主控单元，前者集成了振荡信号调度电路、ATmega8A微处理器以及nRF24L01无线传输模块，用于收集来自PVDF传感器的振荡信号以及完成信号调度和无线传输功用;后者包含Cortex—M3微操控器、SD卡和无线接纳模块，用于完成传感器数据的接纳和存储。试验成果标明，本体系能够完成精确的振荡信号丈量以及实时、牢靠的数据传输。
导言
聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)压电薄膜是一种高性能、低成本的高分子压电资料，具有质量轻(膜片厚度可达μm级)输出呼应速度快(可达ns级)、灵敏度高(在0～20 GPa规模内均能完成安稳输出)、设备便利(可直接贴附在被测物体外表)等杰出长处。
由于PVDF薄膜能够便利、方便、精确地丈量弹性体的形变，因此在声学及振荡丈量方面具有较高的使用价值，其使用规模触及工程、科研及医疗等范畴。例如，可设备在梁体、壳体等结构的外表，作为声学及振荡传感器，或用于辨认梁体、壳体等结构的外表损害;能够设备在轮胎内侧胎面，用于丈量车辆行进过程中胎面与路面的摩擦力，为车辆防抱死体系(ABS)及车辆安稳体系(ESP)供给实时的路面信息;能够贴附在人体皮肤外表，用于丈量肌肉及血管的运动;还能够设备在路面上，用于高速公路收费处的车辆称重。
当被测数据点较多需求选用传感器阵列(如大型建筑物或杂乱结构)、或传感器间隔监控体系较远(例如长途医疗监控及确诊)时，传感器的输出信号不能直接衔接到体系的数据收集端口。此刻，可凭借无线传感器网络和物联网技能来完成传感器数据的长途传输。本文针对上述使用范畴，研发了依据无线传输的PVDF传感器数据收集体系，从而为大型杂乱结构中振荡传感器阵列的多点数据实时收集和传输供给了高效、牢靠的解决方案。
1 硬件构成
依据PVDF压电薄膜传感器和无线传输的振荡信号丈量体系硬件构成如图1所示。
整个体系的试验设备包含振荡信号丈量模块和主控单元，前者集成了振荡信号调度电路、AVR微处理器(ATmega 8A)以及nRF24L01无线收发模块，用于收集来自PVDF传感器的振荡信号以及完成信号调度和无线传输功用;后者首要包含Cortex-M3微操控器(STM32F107VCT6)、SD卡和无线收发模块，用于接纳并存储来自各传感器节点的数据。PVDF传感器贴附在被测的弹性体外表，如图2所示。
1.1 振荡信号丈量模块的操控单元
图3所示的振荡信号丈量模块中，AVR微处理器和振荡信号调度电路在电路板的正面，nRF24L01无线收发模块设备在电路板的不和。AVR微处理器具有运算速度快、资源丰富、功耗低一级特色，其首要功用是：
①经过其内置的A/D转化器将传感器信号转化为数字量;
②经过无线收发模块将传感器数据传输至主控单元。无线收发模块与AVR微处理器之间经过串行口完成通讯。
1.2 信号调度电路
压电式传感器的输出信号能量不只十分弱小，而且内阻抗十分高，而输出能量较小，因此它的丈量电路一般需求接入一个高输入阻抗前置扩大器。其效果为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是扩大传感器输出的弱小信号。考虑到PVDF压电传感器发生的电荷信号改变比较弱小，电荷信号很简略被搅扰，还有各种噪声的影响，为了战胜上述传统信号调度电路的缺陷，规划了以集成4个运放的LM324为中心原件的PVDF信号调度电路。该电路包含两部分：电荷扩大电路和滤波扩大电路，如图4所示。试验证明，规划的该电路作业安稳牢靠、噪声小、抗搅扰能力强。
由于PVDF压电传感器的压电晶体%&&&&&%较小，即发生的电荷量很小，而且晶片的漏电阻很高，即内阻抗很大，到达TΩ级。在这样的前提下，它的丈量电路一般需求接入一个高输入阻抗电荷扩大电路。其效果：一是把高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是扩大传感器输出弱小信号。因此电荷扩大电路的输入阻抗R1选为100 MΩ。
滤波器为二阶有源低通滤波器，用来补偿传感器引起的高频幅频特性和衰减频带内无用的高频重量。信号滤波后经过外部扩大电路扩大输出。
1.3 无线收发设备
本规划挑选nRF24L01作为无线收发设备，这是由于nRF24L01是一款作业在2.4～2.5 GHz频段的单片射频收发芯片，而且其内置PCB天线，体积细巧，高效GFSK调制，抗搅扰能力强，特别合适工业操控、无线音视频传输等范畴。
nRF24L01无线收发模块具有贴片以及直插两种类型。为了减小体积和下降功耗，振荡信号收集模块上选用了贴片型的无线发射器，而关于主控单元上的接纳模块则没有这方面的要求，因此选用了直插型的无线接纳器。
2 软件规划
2.1 信号收集与数据传输程序规划
振荡信号无线丈量体系的数据收集与无线传输模块担任将PVDF传感器收集到的振荡信号(经调度电路预处理)传输至主控单元，其程序流程如图5所示。主控单元相应地进行数据接纳、存储并显现输出，其程序流程如图6所示。
2.2 数据接纳程序规划
主控单元经过无线模块接纳来自振荡信号丈量模块的数据，其软件流程如图6所示。对nRF2401进行初始化设置为接纳形式，将收集到的数据送入Cortex—M3微操控器的GPIO端口，一起衔接示波器显现信号波形，以查看数据是否成功接纳。
3 丈量成果
主控节点经过无线收发模块接纳来自振荡信号丈量模块的数据，存储到SD卡中。为了调查振荡信号，主控单元将接纳的数据经过操控器端口输出，经电平转化后由示波器显现输出。本试验按振荡的强弱程度分为两种状况：细微振荡以及较大振荡状况下波形的改变。收集的振
动信号曲线别离如图7(a)、(b)所示。
从图7(a)、(b)中能够调查出，在不同振荡强度下，压电薄膜传感器所对应的输出电压不相同，而且振荡强度越大，压电薄膜传感器所对应的输出电压越大。一起，试验研讨标明，压电薄膜传感器的输出电压与振荡强度有很好的线性关系，因此能够依据传感器的信号判别振荡强度。
结语
本文研发了一种依据压电薄膜(PVDF)传感器以及无线传输的振荡信号丈量体系，以满意大型负杂乱结构中振荡传感器阵列对多点信号实时传输的要求。该体系包含振荡信号收集模块及主控单元，前者集成了振荡信号调度电路、ATmega 8A微处理器以及nRF24L01无线传输模块，用于收集来自PVDF传感器的振荡信号以及完成信号调度和无线传输功用;后者包含Cortex—M3微操控器、SD卡和无线接纳模块，用于完成传感器数据的接纳和存储。
本体系具有结构简略、体积小、成本低、通讯间隔较远、抗搅扰能力强等特色。试验成果标明，本体系能够完成精确的振荡信号丈量以及实时、牢靠的数据传输，因此能够广泛使用在工程、科研及医疗等范畴。
