工業CT原位加載裝置壓力信號采集系統

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。

自 R?ntgen 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。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，并且融入到實踐教學中。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。

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。考慮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 。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，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。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。