基于單片機和CdS涂層老化探頭的裝備腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設計

石　薇，王　朕，范源遠，趙彩娜

（1.青島工學院機電工程學院，山東青島266300；2.海軍航空工程學院a.控制工程系，山東煙臺264001；b.青島校區(qū)，山東青島266041；3.山東航天電子技術研究所，山東煙臺264000）

基于單片機和CdS涂層老化探頭的裝備腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設計

石薇1，王朕2a，范源遠3，趙彩娜2b

（1.青島工學院機電工程學院，山東青島266300；2.海軍航空工程學院a.控制工程系，山東煙臺264001；b.青島校區(qū)，山東青島266041；3.山東航天電子技術研究所，山東煙臺264000）

針對裝備對腐蝕狀態(tài)監(jiān)測需求，以MSP320單片機為核心控制器、CdS涂層老化探頭為腐蝕狀態(tài)傳感器，設計了一款4路腐蝕狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并用于某型車輛腐蝕狀態(tài)監(jiān)測。實驗結果表明，該系統(tǒng)能真實監(jiān)控該型車輛的腐蝕狀態(tài)，為該車輛的預防性維修提供了重要技術和數(shù)據(jù)支持。同時，該系統(tǒng)具有安裝靈活方便、工作可靠、體積小等優(yōu)點，具有較高的推廣應用價值。

涂層老化探頭；腐蝕；監(jiān)測系統(tǒng)；預防性維修；MSP320單片機

腐蝕對各種軍事裝備，特別是部署在沿海及濕熱地區(qū)的裝備，如飛機、艦船、地面車輛、導彈發(fā)射系統(tǒng)、武器彈藥系統(tǒng)等，會產生不同程度的破壞作用，導致裝備的性能及可靠性下降，使用壽命縮短，甚至造成重大故障或完全失效，從而嚴重影響部隊的訓練和戰(zhàn)備任務。為減緩和控制腐蝕，保證各種軍事裝備和設施的正常使用和運行，并延長其使用壽命，相關部門需要對其進行腐蝕維護或修理，包括表面清洗、腐蝕檢查、重新涂刷防腐涂層、修理更換等作業(yè)［1-3］。目前采用的定期維護或腐蝕后重新噴涂防腐層的方法需要投入大量的人力和物力，施工難度大而且持續(xù)時間長，降低了裝備使用率并導致相關維護費用的增加。因此，亟需一種能夠可靠監(jiān)測裝備腐蝕狀況的設備，測量并記錄裝備的腐蝕狀況，視情進行預防性的維護和保養(yǎng)［4-5］。本文以硫化鎘（CdS）涂層老化探頭為腐蝕傳感器、MSP320單片機為中央處理器，設計了一款裝備腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)并用于某型車輛的腐蝕監(jiān)控，該系統(tǒng)在某型車輛的狀態(tài)維護保養(yǎng)中起到重要作用。

1　系統(tǒng)原理設計

監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要由MSP320單片機、CdS涂層老化探頭構成的腐蝕傳感器、數(shù)模轉換模塊、時鐘模塊、存儲模塊、時鐘模塊、鍵盤設置模塊和USB接口轉換模塊組成。CdS涂層老化探頭用于監(jiān)測裝備不同位置的腐蝕狀況，并通過數(shù)據(jù)線與數(shù)模轉換模塊AD7655相連；數(shù)模轉換模塊將監(jiān)測的腐蝕數(shù)據(jù)進行模擬/數(shù)字格式的轉換；MSP320F247單片機將數(shù)模轉換模塊輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉換后輸入大容量數(shù)據(jù)存儲模塊（4 GB）；供電模塊將裝備的直流電轉換為單片機的5 V電源；鍵盤設置模塊完成監(jiān)測系統(tǒng)的初始狀態(tài)設置；USB轉接模塊用于單片機與專用計算機的數(shù)據(jù)通信，專用計算機讀入數(shù)據(jù)存儲模塊中的數(shù)據(jù)并進行分析處理［6-9］；時鐘模塊完成單片機的時鐘信號的產生。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of monitoring system

2　主要硬件電路設計

2.1MSP320單片機簡介

單片機選用TI公司生產的MSP320超低功耗單片機作為該監(jiān)測系統(tǒng)的MCU。該單片機最主要的特點就是功耗低，活動模式下（1 MHz、2.2 V）耗電280 μA，待機模式下耗電僅為1.6 μA，相比其他類型單片機在功耗上具有較大優(yōu)勢。同時，它還具有8路快速12位的A/D轉換器，6個8位并行端口（其中P1、P2具有中斷功能），滿足數(shù)據(jù)采集過程中的通道數(shù)量需求，其電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，工作環(huán)境溫度-40℃～+85℃。此外，該單片機屬于Flash型單片機，并具有JTAG調試接口和豐富的軟件［10-13］。

2.2CdS涂層老化探頭

2.2.1探頭工作原理

CdS涂層老化探頭的結構圖和實物圖如圖2所示。該探頭由1個帽狀的圓形基座（?32mm）和2個嵌入的針狀電極（?13mm）構成?；碗姌O由碳鋼制成，電極和基座之間通過環(huán)氧樹脂進行絕緣隔離，電極通過線纜與數(shù)模轉換模塊連接。實際使用時，將CdS探頭放置在需要進行監(jiān)測的金屬結構處，在探頭表面涂刷防腐涂料（與待測金屬結構使用的防腐涂料相同）形成涂層。由于處在同樣的腐蝕環(huán)境中，CdS探頭相當于待測金屬結構，其表面涂層的老化程度應該與待測金屬結構表面涂層的老化程度一致。通過連續(xù)測量探頭表面涂層的阻抗（Ohms）和相位角，可以獲知探頭表面涂層的老化和失效狀況，從而確定實際金屬結構表面涂層的完好性和失效狀況。與其他基于電化學阻抗譜（EIS）原理的涂層老化探測技術相比，CdS探頭的獨特設計在于：①探頭測量時不需要與待測金屬結構及其涂層直接接觸；②探頭測量時不需要從外部施加電解液或膠質，因為探頭表面涂層本身就起到電解液的作用；③探頭電極位于涂層/金屬基體界面，可以準確地測量涂層與金屬基體界面處的性能變化，從而對涂層失效進行準確的探測；④使用單一頻率（1 kHz）測量涂層的阻抗和相位角，使測量數(shù)據(jù)的處理得到簡化。

圖2　探頭結構圖和實物圖Fig.2 Coating probe framework figure and picture

2.2.2涂層老化曲線

隨著CdS探頭持續(xù)測量其表面涂層的阻抗和相位角，測量數(shù)據(jù)沿時間軸生成數(shù)值變化曲線。當涂層的完好性遭到破壞或腐蝕環(huán)境下涂層老化導致開始失效時，阻抗和相位角測量值會出現(xiàn)明顯的下降。通過觀察該曲線，如圖3 a）所示，可以了解涂層老化的發(fā)展變化過程，掌握涂層開始失效及完全失效的時間。經(jīng)過大量實驗室測試以及現(xiàn)場實際應用的驗證，在探頭表面涂層失效后CdS探頭仍然可以繼續(xù)有效地工作，其測量數(shù)據(jù)（阻抗值）與金屬基體的質量損耗具有高度的關聯(lián)性。因此，CdS探頭不僅可以對涂層老化進行監(jiān)測，還可以對涂層失效后金屬基體的腐蝕程度進行評估。通過對CdS探頭的測量數(shù)據(jù)采用動態(tài)S-N曲線數(shù)據(jù)擬合方法進行處理，生成如圖3 b）所示曲線，可以很好地反映在涂層失效后的一段時間內金屬基體的腐蝕程度。

圖3　CdS涂層失效前后老化曲線Fig.3 Coating aging curves before and after frustration

3.3腐蝕數(shù)據(jù)采集電路設計

腐蝕數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖4所示。裝備的腐蝕狀況通過4路CdS涂層老化探頭采樣后輸入AD7655模擬/數(shù)字轉換芯片。由于AD7655為雙通道交替模數(shù)轉換工作，因而系統(tǒng)設計為以2倍采樣頻率進入MSP320F247的定時器中斷，從而實現(xiàn)對通道A與B的交替采樣。信號的下降沿為A/D采集的觸發(fā)信號。觸發(fā)信號的給出在單片機的定時器中斷程序中完成。在中斷服務子程序中交替給出A0的高低電平，完成對INA1、INB1或INA2、INB2的交替采樣。信號為低電平時，標志采樣工作完成。將單次采樣點數(shù)據(jù)讀取到單片機內部后，通過I/O引腳改變信號A/B，讀取另一通道采樣信號，從而交替完成對A/B通道的數(shù)據(jù)采集。

圖4　腐蝕數(shù)據(jù)采集電路Fig.4 Corrosion data sampling circuit

2.4供電模塊設計

考慮到該監(jiān)測系統(tǒng)對腐蝕狀況的不間斷數(shù)據(jù)采集，單片機系統(tǒng)的供電由電源轉換供電和蓄電池供電兩部分組成，如圖5所示。正常情況下，待測裝備上直流電（如車輛上的蓄電池）通過MCP33電源模塊輸出3.3 V直流電源使單片機工作，同時給內置的大容量鋰電池充電；當待測裝備不能提供外部電源時，鋰電池給單片機供電進行數(shù)據(jù)采集。

圖5　供電模塊電路圖Fig.5 Figure of power model

MCP33是一個高性能的三端引腳穩(wěn)壓器，通過激光制造技術使得輸出電壓十分準確和高精度保證。應用了精良的CMOS工藝，將靜態(tài)耗電量低至1uA或更低，達到了業(yè)界頂級水平。適合應用于電池供電的設備以及極低待機電量消耗的需求場合。其最大輸出電流為160 mA，輸出電壓3.3 V（±2%），靜態(tài)功耗極低（≤1.0 μA@VOUT=3.3 V）。

3　軟件設計

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6　程序流程圖Fig.6 Flow diagram of program

如圖6 a）所示，單片機上電啟動后，首先進行功能選擇等初始化設置；設置完成后，單片機根據(jù)鍵盤狀態(tài)判斷是否進行數(shù)據(jù)采集。如果是，則進一步判斷定時中斷1是否發(fā)生，若發(fā)生，進入中斷子程序（即腐蝕狀態(tài)數(shù)據(jù)采集子程序），則采集通道A的2路數(shù)據(jù)，否則，判斷定時中斷2是否發(fā)生，若發(fā)生，則采集通道B的2路數(shù)據(jù)；若不進行數(shù)據(jù)采集，則通過鍵盤狀態(tài)判斷是否為單片機系統(tǒng)將大容量存儲模塊中存儲的數(shù)據(jù)上傳至專用計算機。如果是，則進行數(shù)據(jù)上傳，否則重新判斷是進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集子程序如圖6 b）所示，中斷子程序1和中斷子程序2僅數(shù)據(jù)采集端口不同。當定時中斷進入中斷子程序后，首先關閉中斷，然后對探頭1對應的AD模塊的INA1通道連續(xù)采集5次數(shù)據(jù)；再對探頭2對應的AD模塊的INA2通道連續(xù)采集5次數(shù)據(jù)（每次間隔10 s），完成數(shù)據(jù)采集。然后設置中斷，并開啟定時中斷后，返回子程序，等待對探頭3和探頭4的數(shù)據(jù)采集?？紤]到裝備腐蝕發(fā)生的時間較長（以月計），因而數(shù)據(jù)采集時，每個10 s采集1次數(shù)據(jù)；每隔50 s完成一個通道的有效數(shù)據(jù)采集。

4　實驗及結果分析

4.1某型車輛腐蝕狀態(tài)監(jiān)測實驗

應用本文設計的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)對某型車輛進行腐蝕狀態(tài)監(jiān)控，CdS涂層老化探頭上刷涂了與該車輛相同的防腐蝕材料（環(huán)氧樹脂防腐材料，厚度為3mm）［14-15］，該系統(tǒng)主機放置在車廂內，4個CdS涂層老化探頭分別安置在后懸掛附近、蓄電池箱內部、散熱器附近和尾燈附近，如圖7所示；從安放的位置看，后懸掛附近和尾燈附近的探頭基本代表了環(huán)境對車輛外部的腐蝕、蓄電池箱內部和散熱器附近的探頭基本代表了環(huán)境對車輛內部的腐蝕。

圖7　某型車輛腐蝕探頭安裝示意圖Fig.7 Corrosion probes installing pictures of one vehicle

4.2實驗結果分析

由于涂刷質量等原因，涂刷在金屬結構表面的防腐涂層總會存在一定程度缺陷，涂層缺陷會加快涂層老化過程，因而有必要對帶有缺陷的涂層進行監(jiān)測。通過在CdS探頭表面涂刷涂層并人為制造一個針孔裂縫，可模擬實際金屬結構表面的涂層缺陷［16-19］。圖8展示了該車輛蓄電池箱內、尾燈附近、散熱器附近和后懸掛附近CdS探頭分別對涂裝完好以及有缺陷的涂層進行長時間監(jiān)測的對比結果。從圖中可以看出，在為期10個月的環(huán)境暴露中，蓄電池箱內及尾燈附近涂裝完好的涂層表現(xiàn)出良好的防腐性能，而在散熱器和后懸掛附近目視到有所剝離的涂層（即有缺陷的涂層）在經(jīng)過一段時間后均出現(xiàn)了嚴重的老化現(xiàn)象，表現(xiàn)為涂層剝離以及由此引起的金屬基體腐蝕。需要特別指出的是，在能夠通過目視觀察到涂層剝離現(xiàn)象之前，CdS探頭就已經(jīng)探測出涂層開始老化，且在涂層開始出現(xiàn)剝離現(xiàn)象時的數(shù)個月之前，CDS探頭探測出涂層性能開始下降（圖8散熱器附近腐蝕狀態(tài)曲線和后懸掛附近腐蝕狀態(tài)曲線）。因此，通過腐蝕狀態(tài)曲線可以看出，如果在實驗開始4個月之內對散熱器附近和后懸掛附近有缺陷的涂層重新刷涂防腐涂層，進行預防性維修和保養(yǎng)，則可避免車體金屬的腐蝕。

圖8　某型車輛4個位置腐蝕狀態(tài)曲線Fig.8 Four corrosion state curves of one vehicle

5　結論

利用MSP320單片機和CdS涂層老化探頭設計了一款腐蝕狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并在某型車輛4個位置進行了實驗，實驗結果表明該系統(tǒng)有效測量了探頭附近車輛的腐蝕狀態(tài)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)在該車輛腐蝕狀態(tài)預防性保養(yǎng)工作中起到重要作用。該系統(tǒng)也可推廣應用至其他飛機、艦船、導彈貯運箱、石油設備等各軍民用設備的腐蝕狀態(tài)監(jiān)控，具有較高的推廣價值。

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Design of the Armament Corrosion Monitoring System Based on CdS Coating Aging Probe and MCU

SHI Wei1，WANG Zhen2a，F(xiàn)AN Yuanyuan3，ZHAO Caina2b
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong 266300，China；2.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Control Engineering，Yantai Shandong 264001；b.Qingdao Branch，Qingdao Shandong 266041，China；3.Shandong Institute of Aerospace Electronic Technology，Yantai Shandong 264000，China）

For the corrosion monitoring demand of armament，the four channels corrosion state monitoring system was designed，and the controller was MSP320 MCU，the corrosion state sensor was CdS coating aging probe.The designed corrosion monitoring system was used to one vehicle.The experimental results showed the factual corrosion state could be monitored and recorded，and the monitoring data contribute to the precaution maintenance of the military vehicle.The monitoring system had the advantage such as flexible installation，high credibility，and so on.

coating aging probe；corrosion；monitor system；preventive maintenance；MSP320 MCU

E923

A

1673-1522（2016）05-0595-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.017

2016-04-24；

2016-05-31

石薇（1979-），女，碩士。