基于統(tǒng)計稱重的陶瓷天線饋針檢測裝置設(shè)計

何海森，錢璐帥，柴瑞武，陳 樂

（中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引 言

微帶天線作為一種具有低剖面高度、較輕重量，易與物理結(jié)構(gòu)表面共形的諧振型天線，在各種便攜化、小型化的無線系統(tǒng)中均得到了廣泛的應(yīng)用[1]，以陶瓷作為介質(zhì)基片的微帶天線簡稱為陶瓷天線[2]。饋電探針技術(shù)是一種能夠增加陶瓷天線傳輸效率和增加天線工作帶寬的有效方法，通過饋針對貼片進行耦合饋電產(chǎn)生新的諧振點，調(diào)節(jié)饋針的高度和長度，可以使得駐波比小于2的帶寬達(dá)40%以上[3]，增大天線的工作帶寬。饋針的尺寸必須同時符合性能要求和陶瓷天線的安裝尺寸要求，因此陶瓷天線饋針的檢測十分重要。

在饋針生產(chǎn)過程中，鍍銀之前要進行一次產(chǎn)品質(zhì)量初檢，由于陶瓷天線饋針的日產(chǎn)數(shù)量過萬，如果初檢環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題那么會浪費大量的鍍銀原材料，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。目前大部分廠家初檢工作都是由工人使用千分尺等工具抽檢目測完成的，人工初檢不僅效率低，同時由于存在漏檢，其檢測準(zhǔn)確性無法得到保障。而企業(yè)里常用的通用視覺檢測系統(tǒng)[4]，其價格昂貴且安裝復(fù)雜，并不適用于饋針初檢。

同時，饋針的原材料成本較低，但是其所附著的陶瓷天線價值較高，一旦出現(xiàn)由于饋針尺寸不合格導(dǎo)致天線性能受限與安裝問題，饋針制造廠將賠付整批陶瓷天線的成本，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。因此，陶瓷天線饋針的初檢對于預(yù)防經(jīng)濟損失有著重要的意義。

本文通過分析陶瓷天線饋針的尺寸偏差與質(zhì)量大小的關(guān)系，設(shè)計了一種基于統(tǒng)計稱重的陶瓷天線饋針檢測系統(tǒng)，其成本較低，響應(yīng)速度靈敏。

1 陶瓷天線饋針尺寸偏差與統(tǒng)計稱重

1.1 單個饋針的尺寸偏差與質(zhì)量大小區(qū)間

陶瓷天線饋針是通過單軸三刀數(shù)控車床對銅柱原材料車削而得，對車刀形變影響最大的兩大因素分別是熱變形[5]和磨損[6]。由于陶瓷天線饋針在生產(chǎn)過程中不可避免地受到刀具熱伸長和刀具磨損的情況所影響，不同部位的尺寸大小具有一定的波動性。

圖1 為一典型陶瓷天線饋針的工程設(shè)計圖。

圖1 典型陶瓷天線饋針工程尺寸圖

由于陶瓷天線饋針是一根黃銅柱由車床多把車刀進行車削加工而成，根據(jù)其尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值以及其上下限可以計算饋針的標(biāo)準(zhǔn)體積大小和體積的上下限。由M=ρ×V，可計算陶瓷天線饋針的質(zhì)量大小。已知原材料為含鋅量有15%的黃銅，其密度則達(dá)8.62 g/cm3，代入可得：

從而可以得出該型號饋針合格品的質(zhì)量大小分布區(qū)間為（79.5，87.2）mg。不在該區(qū)間的饋針部分尺寸必定超過偏差范圍，為尺寸不合格品。

1.2 實驗驗證

為了驗證1.1 節(jié)中饋針的合格品存在特定的質(zhì)量大小區(qū)間這一結(jié)論，對該型號的陶瓷天線饋針的同批次合格品與總長偏短的不合格品分別隨機取30 個，通過BSM-220電子天平對其進行逐個稱重，得到單個質(zhì)量大小，再逐個進行產(chǎn)品編號并且畫出柱狀圖，如圖2、圖3所示。

圖2 單個合格品稱重圖

圖3 單個不合格品稱重圖

由圖2、圖3 可知，單個陶瓷天線饋針合格品圍繞83.6 mg 進行上下波動，不合格品圍繞79.3 mg 進行上下波動，有著明顯不同的平均質(zhì)量大小分布，其平均質(zhì)量大小差為4.3 mg。

由以上實驗驗證了通過稱重能夠判斷出所測的陶瓷天線饋針是否處于合格質(zhì)量大小區(qū)間。

1.3 多個饋針尺寸偏差與統(tǒng)計稱重

單個陶瓷天線饋針盡管能夠從質(zhì)量大小上判斷其合格與否，但是需要精度達(dá)到0.1 mg 的高精度電子天平才能夠完成該檢測，同時檢測效率十分低下。將多個不合格的陶瓷天線饋針一同進行稱重統(tǒng)計，其尺寸偏差帶來的ΔM也會隨著其個數(shù)的疊加帶來顯著的重量差異。通過對其進行批量稱重則能進一步地放大合格品與不合格品的重量差，從而能判斷出其合格與否。已知陶瓷天線饋針的加工重量為M± ΔM，其中M是工程設(shè)計尺寸所定的重量大小，而ΔM為實際加工過程中因局部偏差累計所致的重量偏差，當(dāng)對一定數(shù)量上的不合格品進行合計稱重，其合計重量為

當(dāng)合計稱重的數(shù)量達(dá)到一定量時，其中偏差重量的累計將達(dá)到一個臨界值Wg，通過該臨界值可以輕易判斷出所檢測的陶瓷天線饋針是否為合格品，同時不需要高精度的電子天平就能夠完成該檢測。

2 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

饋針檢測系統(tǒng)如圖4 所示，整個系統(tǒng)分為上料機械設(shè)備、嵌入式硬件平臺、嵌入式軟件平臺三個部分。

圖4 饋針檢測系統(tǒng)設(shè)計圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

將檢測裝置放置于振動盤導(dǎo)軌物料下落處，同時在振動盤與檢測裝置的下方作隔振處理，對每一根陶瓷天線饋針下落對壓力傳感器施加的沖擊產(chǎn)生的毫伏電壓進行采集放大，再經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換得到一個數(shù)字量大小，由ARM 處理器對該數(shù)字量進行分析、判定，完成對陶瓷天線饋針生產(chǎn)個數(shù)的記錄。

3 裝置硬件設(shè)計

3.1 STM32 微處理器

STM32 微處理器是基于ARM 架構(gòu)的一個精簡指令集處理器，該架構(gòu)以ARM 處理器為核心部件，能夠在保留32 位系統(tǒng)所有優(yōu)勢的同時，減少實際工作中產(chǎn)生的能耗。通過ARM 架構(gòu)的應(yīng)用[7]，能夠降低控制系統(tǒng)中單一部件對其他硬件設(shè)備的影響程度，間接地提升軟件運行程序的運行精準(zhǔn)度，從而實現(xiàn)對控制效果的優(yōu)化。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸通信模塊

檢測系統(tǒng)的通信電路包括各個設(shè)備之間的電路連接以及RS 232 通信[8]，如圖6 所示。設(shè)定通信速率為9 600 b/s，通過DB9 接口與各個硬件設(shè)備進行連接，實現(xiàn)設(shè)備之間的精準(zhǔn)同步，并利用串口調(diào)試助手程序?qū)崟r檢測調(diào)試信息，為系統(tǒng)調(diào)試提供接口。

圖6 RS 232 通信電路圖

3.3 AD 采樣模塊

檢測過程需要ADC 將采集的模擬型號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便計算機處理。同時，由于所測的陶瓷天線饋針的單顆重量低于0.1 g，為了保證測量的準(zhǔn)確性，需要選擇精度要求較高的ADC 模塊，CS1237[9]作為一款分辨率達(dá)到24 位的ADC 模塊，同時還有著較高的數(shù)據(jù)采集速率，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 CS1237 參數(shù)表

3.4 檢測裝置

壓阻式壓力傳感器[10]是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。

本系統(tǒng)裝置所使用的壓力傳感器實物如圖7 所示，其電氣參數(shù)如表2 所示。

表2 壓力傳感器參數(shù)表

圖7 壓力傳感器實物圖

本文所設(shè)計的檢測裝置由陶瓷天線饋針接收盒、壓力傳感器、固定底座三部分組成。其中陶瓷天線饋針接收盒材料為pla，提供良好的拉伸強度、高剛度的同時有著較輕的重量，能夠滿足不超過高精度壓力傳感器的量程需求。底座為一斤重帶有通孔的鋼板，用于連接穩(wěn)定上方的壓力傳感器與陶瓷天線饋針接收盒的同時，提供固定整個裝置的支點。

通過螺紋通孔將壓力傳感器與陶瓷天線饋針接收盒與固定底座進行連接，裝置實物圖如圖8 所示。

圖8 檢測裝置實物圖

4 軟件程序設(shè)計

4.1 饋針個數(shù)統(tǒng)計

陶瓷天線饋針下落沖擊接收盒表面，根據(jù)沖量定理，陶瓷天線饋針的動量會全部轉(zhuǎn)換為傳感元件的沖擊力，在沖擊力作用下傳感器金屬殼產(chǎn)生機械振動，壓電傳感元件將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出[11]。每個陶瓷天線饋針對應(yīng)的輸出電壓信號為振幅指數(shù)衰減的正弦信號，輸出電壓在發(fā)生撞擊的時刻達(dá)到最大值，該閾值大小應(yīng)當(dāng)滿足能夠反映典型情況下沖擊時的峰值電壓，通過對落入裝置的饋針沖擊進行檢測，從而完成饋針的個數(shù)統(tǒng)計。

傳感器采樣圖如圖9 所示，一個陶瓷天線激勵下對應(yīng)的壓電信號如圖10 所示。

圖9 陶瓷天線饋針壓力采樣示意圖

圖10 一個陶瓷天線激勵下對應(yīng)的壓電信號

4.2 中位值算法結(jié)合限幅算法濾波

通過ADC 模塊對陶瓷天線饋針落入檢測裝置中所產(chǎn)生的電信號進行轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，將該數(shù)字信號在圖像上呈現(xiàn)出來，原本的波形呈現(xiàn)出波動明顯、不連續(xù)或者波峰波谷不平滑等特點，如圖11 所示。

圖11 原始數(shù)據(jù)采樣圖

為了消除在饋針個數(shù)統(tǒng)計的過程中信號中的毛刺、抖動等擾動，本裝置采用中位值算法結(jié)合限幅算法對采集的信號進行濾波。

中位值濾波[12]是一種非線性數(shù)字信號處理技術(shù)，通常用于去除數(shù)字信號中的噪聲或異常值，將一個數(shù)字信號中的每個樣本值替換為以該樣本值為中心的一組數(shù)字的中位數(shù)，這樣可以有效地去除數(shù)字信號中的噪聲或異常值，同時保留數(shù)字信號中較強的信號成分。中位值濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

設(shè)輸入數(shù)字信號為x[n]，輸出數(shù)字信號為y[n]，中位值濾波器的長度為N，則：

式中median(·)表示取一組數(shù)字的中位數(shù)。

具體地，對于一個有m個元素的數(shù)字序列a1,a2,…,am，其中中位數(shù)定義為：

限幅濾波[13]通過限制數(shù)字信號的幅度去除數(shù)字信號中的高頻噪聲或異常值，同時保留數(shù)字信號中較強的信號成分，將數(shù)字信號的幅度限制在一定的范圍內(nèi)，從而去除幅度過大或過小的信號成分。與中位值濾波不同，限幅濾波不需要考慮濾波器的長度，因為其效果只取決于限制幅度的范圍。限幅濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

設(shè)輸入數(shù)字信號為x[n]，輸出數(shù)字信號為y[n]，則限幅濾波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，clip(x[n],α,β)表示將輸入信號限制在α～β的范圍內(nèi)，即：

將中位值濾波和限幅濾波結(jié)合起來，能夠在去除數(shù)字信號中高頻噪聲和異常值的同時，保留數(shù)字信號中較強的信號成分，其濾波效果如圖12 所示。

圖12 濾波后數(shù)據(jù)采樣圖

由圖12 可知，波形變得更加平滑和連續(xù)，毛刺和抖動將得到有效去除，從而呈現(xiàn)出更加平滑和自然的變化，噪聲和干擾被有效地去除，波形變得更加精確和可靠。同時，通過該圖能夠輕易地判別是否有饋針掉入饋針接收盒，從而完成陶瓷天線饋針的個數(shù)記錄。

4.3 下位機軟件設(shè)計

控制程序設(shè)計引用模塊化設(shè)計思想[14]，依據(jù)功能將控制程序分別分離開來，提高軟件系統(tǒng)的可移植性、可擴展性、穩(wěn)定性。

通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)以下功能：

1）配置I/O，實現(xiàn)主控芯片與AD 采樣芯片進行通信，完成信號采集和數(shù)據(jù)讀??；

2）I/O 管腳分配，實現(xiàn)模擬電路開關(guān)閉合；

3）采用SPI 通信協(xié)議，實現(xiàn)AD 測試信號讀取；

4）測量傳感器輸出電壓，檢測電源點亮和傳感器連接狀態(tài)；

5）實現(xiàn)系統(tǒng)的RS 232 通信功能，使上位機和下位機之間可以完成指令的收發(fā)。

下位機主程序流程圖如圖13 所示。

圖13 下位機程序流程圖

4.4 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的上位機軟件通過Python 進行編寫，使用MySerial 模塊進行串口通信，校驗位為空完成串口通信初始化設(shè)定，通過使用Tkinter 實現(xiàn)軟件界面的設(shè)計，如圖14 所示，該界面總計包含3 種檢測信息，包括當(dāng)前所記錄的陶瓷天線饋針個數(shù)、當(dāng)前單個饋針平均質(zhì)量大小、判斷結(jié)果，同時包含打開與關(guān)閉串口、界面黑白切換、跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前信息、清除記錄等按鈕。

圖14 陶瓷天線饋針稱重檢測軟件界面圖

5 實驗驗證

5.1 實驗平臺搭建

將振動盤進行充分的隔震處理，裝置放置于振動盤物料下落處正下方，確保裝置能夠正確接收下落的陶瓷天線饋針。在硬件和軟件都設(shè)計完成且調(diào)試成功的情況下進行系統(tǒng)功能測試實驗，實驗平臺如圖15 所示。

圖15 實驗裝置圖

5.2 實驗結(jié)果

點擊上位機軟件中的open serial 按鈕，對陶瓷天線饋針合格品開始檢測，打開振動盤電源與壓力傳感器供電電源，令每一個饋針都準(zhǔn)確無誤地落入裝置內(nèi)，其實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果表

通過以上數(shù)據(jù)分析，由于單個陶瓷天線饋針的質(zhì)量較小，同時壓力傳感器的精度有限，對單個陶瓷天線饋針的檢測存在著一定的偏差，但隨著個數(shù)的增加，總重增加，致使分?jǐn)偟降钠骄|(zhì)量消除了由于偏差帶來的不準(zhǔn)確性，使檢測的精度提高，從而能夠完成對陶瓷天線饋針的合格檢測。

6 結(jié) 語

本文提出陶瓷天線饋針的尺寸與質(zhì)量大小的關(guān)系，由理論分析結(jié)合稱重實驗論證了統(tǒng)計稱重檢測的可行性，通過設(shè)計檢測裝置結(jié)合振動盤實現(xiàn)了在無接觸條件下批量稱重，從而對陶瓷天線饋針的尺寸是否合格進行判斷檢測。文中針對陶瓷天線饋針尺寸與質(zhì)量大小的關(guān)系，提出了一種基于統(tǒng)計稱重的檢測方法，依據(jù)該批次陶瓷天線饋針的平均質(zhì)量大小是否合格來進行判斷，并從理論與實驗上論證了該方法的可行性。另外，設(shè)計了一種自動批量稱重檢測系統(tǒng)，對落入裝置的陶瓷天線饋針進行接收與記數(shù)，完成后續(xù)的平均質(zhì)量大小計算，從而判斷該批次饋針尺寸是否合格。

注：本文通訊作者為陳樂。