CN101715591B - 具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统。连接到传感器的传感器接口模块以可拆卸方式连接到无线数据记录器。所述传感器接口模块可通过构造对应于每一传感器的电路而以多通道方式使用，且所述传感器接口模块可在使用多个传感器测量结构时另外连接到所述无线数据记录器。所述多个传感器连接到一个数据记录器以按不同方式测量所述结构。

Description

具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统
技术领域
本发明涉及一种无线测量系统，其以无线方式从安装在例如桥梁、大型设施、地下管线等结构中的传感器接收所测量的信号，且评估并测量所述结构。更明确地说，本发明涉及一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统，其能够通过将具有经设计以对应于传感器(例如，应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器、速度传感器、噪声传感器和振动传感器)的电路的传感器接口模块与无线数据记录器分离，并以可拆卸方式将传感器接口模块连接到无线数据记录器的信号调节器，来以多通道方式测量结构，进而诊断并测量结构的状态。
背景技术
随着新城镇的构造、工业的发展等等，例如桥梁、大型设施和地下管线等结构在大小上正日益增加且正利用先进技术。因此，测试使用新技术、新构造方法和新材料的结构的必要性已逐渐增加。所述结构在构造期间和此后的稳定性已作为重要的问题显露出来。特别是，在大型结构中更加强调稳定性，因为在大型结构倒塌的情况下，人身事故和财产损失的可能性很大。因此，已引入一种用于评估结构状态的精确安全性评估技术，其使用传感器和测量系统，该测量系统用于将传感器所测量的数据在线传输到管理器以分析并判断数据且确认并估计结构的安全性状态。
归因于以上原因，在传统结构测量系统中，安装于结构中用于结构的安全性评估和维护的测量传感器(例如，应变计式传感器、线性可变差动变压器(LVDT)传感器、称重传感器、加速度传感器和速度传感器)经由电缆连接到用于测量结构状态的测量装置。即，安装于结构中的传感器使用长度为数十到数百米的电缆连接到测量装置，进而增加了构造成本和劳工支出且导致了构造困难。此外，归因于在大型结构中连接传感器与测量装置的长电缆，即使提供了对背景噪声的有效屏蔽，输出信号在传输期间仍然衰减，进而提供弱测量信号，这是归因于与构成长距离传输线的铜导线的长度成比例的电阻增大。将由应变计输出的信号作为电压供应到信号放大器。然而，长距离电缆的电阻根据温度变化而经受变化。由信号放大器产生的电压不同于输入到计算机或记录装置的电压，从而导致测量误差。因此，使用电缆的传统有线测量系统非常低效。
近来，已开发出一种能够不使用电缆而是以无线方式将传感器所测量的数据传输到测量装置的无线测量系统以解决上文提及的问题。图1中说明传统无线测量系统。无线传感器单元通过与传感器(例如，应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器和速度传感器)的模块接口输入和输出信号，且包括用以将传感器信号作为数字无线信号传输的无线传输装置。无线测量单元以无线方式与无线传感器单元通信以接收并分析传感器信号且存储传感器信息，使得可通过有线通信连接将测量信息传输到分析系统。
然而，传统无线测量系统具有其中经安装以测量结构的传感器(例如，应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器和速度传感器)通过模块接口分别连接到无线传感器单元的结构。即，仅一个传感器连接到一个无线传感器单元。为了使用传统无线测量系统来测量结构，无线传感器单元的数目必须对应于传感器的数目，从而导致成本增加。此外，浪费时间和人力来在结构处安装传感器和无线传感器单元。
同时，由于根据传感器来配置模块接口的电路，所以如果结构的测量传感器改变，那么无线传感器单元的模块接口的电路也应改变。因此，成本升高且浪费时间和人力。
发明内容
【技术问题】
因此，已鉴于以上问题而提出本发明，且本发明的目的是提供一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统，其中连接到传感器的传感器接口模块以可拆卸方式连接到无线数据记录器，且传感器接口模块构造对应于传感器的电路，使得在使用传感器测量结构时，传感器接口模块另外连接到无线数据记录器。由于可以多通道方式使用传感器接口模块，所以多个传感器连接到一个无线数据记录器，进而以各种方式测量结构。
本发明的另一目的是提供一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统，其中多个传感器和对应于传感器的传感器接口模块连接到一个无线数据记录器以使用一个无线数据记录器以不同方式测量结构，进而节省人力、成本和时间。
本发明的又一目的是提供一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统，其中传感器接口模块经由电缆连接到无线数据记录器的信号调节器，以通过设计用于在将数据从传感器接口模块传输到信号调节器时防止在有线数据传输期间产生误差的电路来防止数据传输误差。
【技术解决方案】
根据本发明的一方面，可通过提供具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统来实现以上和其它目标，所述多通道无线测量系统用以通过以无线方式接收由安装在每一结构(例如，桥梁、大型设施和地下管线)处的传感器所测量的信号来评估并测量结构，其包含：一个或一个以上传感器(例如应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器、速度传感器、噪声传感器和振动传感器)，其用以评估并测量结构状态；传感器接口模块，其用于构造用于驱动传感器(例如应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器、速度传感器、噪声传感器和振动传感器)的电路，将传感器的电压、电流、电阻的物理量转换成电信号以供传输到无线数据记录器；无线数据记录器；以及无线接收器，其用于以无线方式从无线数据记录器接收数据以分析数据且存储并管理传感器信息，其中无线数据记录器包括：信号调节器，其用于经由电缆从传感器接口模块接收转换成电信号的数据，对不在设定频带范围内的信号进行滤波以提高数据分类性能；多路复用器，其用于通过逻辑电路依序输出由信号调节器滤波的多个数据信号当中的一个输入数据信号；模/数转换器，其用于将由多路复用器输出的模拟信号转换成数字信号；无线通信单元，其用于以无线方式传输由模/数转换器转换的数字信号；控制器，其用于控制无线通信单元的数据传输并通过传感器接口模块控制传感器；以及全球定位系统(GPS)时钟同步器，其用于使用GPS相对于传感器的检测信号来同步时钟以防止与时间相关的测量误差。
无线数据记录器以一对一、多对一或多对多的方式连接到无线接收器以通过一对一或多个无线通信来评估并测量结构。
传感器接口模块以可拆卸方式连接到无线数据记录器的信号调节器，且多个传感器和构造用于驱动传感器的电路的传感器接口模块连接到一个无线数据记录器以选择性地使用传感器。
传感器接口模块经由电缆连接到无线数据记录器的信号调节器，且构造用于防止在有线数据传输期间产生误差的电路。
信号调节器通过低通滤波器对高于用户所设定的阈值的频率进行滤波，且根据用户所设定的放大比来放大从传感器接口模块接收的电信号以提高数据分类性能。
无线接收器使用噪声传感器来测量结构的背景噪声，且包括用于显示所测量噪声值且在所测量噪声值高于设定值时通过警报产生警示的显示器。
【有利效果】
在根据本发明的多通道无线测量系统中，由于具有对应于传感器的电路的传感器接口模块以可拆卸方式连接到无线数据记录器，且因此对应于传感器的传感器接口模块连接到无线数据记录器的信号调节器以便以多通道方式使用，所以可由一个无线数据记录器以不同方式测量结构。此外，因为传感器可连接到一个无线数据记录器，所以测量结构所需的构造成本、人力和时间得以节省。
另外，由于传感器接口模块经由电缆连接到无线数据记录器的信号调节器，所以数据传输误差通过构造用于防止在将数据从传感器接口模块传输到信号调节器时由有线线路造成数据传输误差的电路而得以消除。
附图说明
本发明的以上和其它目标、特征和其它优势将从结合附图所作的以下详细描述得到更清楚理解，在附图中：
图1是传统无线测量系统的框图；
图2是根据本发明的具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统的框图；以及
图3是说明根据本发明的示例性实施例的具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统的框图。
具体实施方式
图2是根据本发明的具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统的框图。
本发明的多通道无线测量系统测量例如桥梁、大型设施和地下管线等结构以实现结构的安全性评估和维护。多通道无线测量系统包括各种传感器100，例如应变计式传感器、位移传感器、称重传感器、加速度传感器、速度传感器、噪声传感器和振动传感器，其安装于例如桥梁、大型设施和地下管线等结构中以评估并测量结构状态。传感器接口模块200具有用于驱动传感器100的电路，因为传感器接口模块200的物理量不同于传感器100的物理量。传感器接口模块200将传感器100的物理量转换成电信号以供传输到无线数据记录器300。传感器接口模块200以可拆卸方式连接到无线数据记录器300。无线数据记录器300经由电缆接收由传感器接口模块200转换的电信号，将电信号转换成数字数据，且将数字数据作为无线信号加以传输。无线接收器400通过无线数据记录器300以无线方式接收数字数据，分析传感器信号，且存储并管理传感器信息。
无线数据记录器300包括信号调节器310，其经由电缆接收通过一对一连接到传感器100的传感器接口模块200转换成电信号的传感器信号并设定所接收信号的频带。信号调节器310对不在设定频带范围内的信号进行滤波以提高数据分类性能并移除噪声。无线数据记录器300还包括：多路复用器320，其用于通过逻辑电路依序选择多个经滤波信号当中的一个输入数据信号；以及模/数转换器330，其用于将由多路复用器320依序输出的模拟信号转换成数字信号。无线数据记录器300还包括：无线通信单元340，其用于以无线方式传输由模/数转换器330转换的数字信号；控制器350，其用于控制无线通信单元340的数据传输并通过传感器接口模块200控制传感器100；以及全球定位系统(GPS)时钟同步器360，其用于使用GPS相对于传感器的检测信号来同步时钟以防止与时间相关的测量误差。
由于传感器接口模块200的物理量不同于传感器100的物理量(例如，电压、电流和电阻)，所以传感器接口模块200配置能够驱动相应传感器100的电路且以一对一方式对应于传感器。传感器接口模块200可以可拆卸方式连接到无线数据记录器300的信号调节器310。不同于其中仅一个传感器连接到无线数据记录器300以测量结构的传统系统，至少一个传感器通过对应于传感器100的传感器接口模块200连接到无线数据记录器300。因此，用于测量结构的安装成本和测量所需的人力和时间可得以节省。由于接口模块200经由电缆连接到信号调节器310，所以可通过设计用于防止可能在无线数据传输期间发生的数据误差的电路来防止在有线数据传输期间产生误差。
信号调节器310包括低通滤波器。用户可设定滤波阈值且信号调节器310对高于阈值的频率进行滤波，进而在所要频带处收集数据。信号调节器310根据用户设定调整从传感器接口模块200接收的电信号的放大比，以放大数据以便得到所要信号。
多路复用器320依序选择由信号调节器310滤波并放大的数据信号且通过逻辑电路输出一个输入数据信号。通过模/数转换器330将输出数据信号转换成数字数据。
无线通信单元340使用例如蓝牙(Bluetooth)、紫蜂(Zigbee)、二进制码分多址(CDMA)、无线局域网(LAN)、CDMA、超宽频(UWB)和射频(RF)通信等无线通信技术，来将由传感器100测量的数据传输到无线接收器400，进而在无噪声情况下高速传输数据。无线接收器400从无线数据记录器300的无线通信单元340接收数据以分析数据且存储并管理关于传感器100的信息。无线接收器400使用噪声传感器测量背景噪声。如果噪声高于设定值，那么无线接收器400触发警报且致使显示器410显示所测量的噪声值。
根据本发明的多通道无线测量系统通过多个传感器100测量结构状态。为了同步传感器的时钟，在无线数据记录器300中形成GPS时钟同步器360。在使用GPS传输所测量数据时，传输并记录精确时间信息，进而同步时钟。
图3是说明根据本发明的示例性实施例的具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统的框图。
无线数据记录器300可以一对一、多对一或多对多的方式连接到无线接收器400以通过一对一或一对多个无线通信来评估并测量结构。
用于驱动传感器100的传感器接口模块200与无线数据记录器300分开的。在测量结构时，多个传感器100和对应于传感器的传感器接口模块200连接到一个无线数据记录器300。由于以无线方式传输和接收传感器信息，所以在结构的评估和维护期间可节省成本、测量时间和人力。
虽然已出于说明性目的而揭示了本发明的示例性实施例，但所属领域的技术人员将了解在不脱离如所附权利要求书中所揭示的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和取代是可能的。
根据本发明的多通道无线测量系统可通过一个无线数据记录器以不同方式测量结构，因为构造对应于各种传感器的电路的传感器接口模块可通过以可拆卸方式将传感器接口模块连接到无线数据记录器的信号调节器而以多通道方式使用。由于各个传感器连接到一个无线数据记录器，所以可节省构造成本、人力和时间。
此外，由于传感器接口模块使用电缆连接到无线数据记录器的信号调节器，所以可通过设计用于在将数据从传感器接口模块传输到信号调节器时防止经由电缆的数据传输误差的电路而防止在数据传输期间产生误差。

Claims (2)

1.一种具有单独传感器接口模块的多通道无线测量系统，其用以通过以无线方式接收由传感器所测量的信号而评估并测量结构，所述系统包含：
一个或一个以上传感器，其用以评估并测量所述结构的状态；
经由电缆连接到无线数据记录器的传感器接口模块，其用于构造用于驱动所述传感器的电路，将所述传感器的电压、电流、电阻的物理量转换成电信号以供传输到所述无线数据记录器，且构造用于防止在有线线路中发生数据传输误差的电路；
所述无线数据记录器，其以一对一、多对一或多对多的方式连接到无线接收器以通过一对一、一对多或多对多个无线通信来传输由所述传感器测量的数据；以及
所述无线接收器，其用于以无线方式从所述无线数据记录器接收数据以分析所述数据且存储并管理传感器信息，且使用噪声传感器测量所述结构的背景噪声，其中所述无线接收器包括用于在所测量噪声值高于设定值时通过警报产生警示的显示器，
其中所述无线数据记录器包括：
信号调节器，其用于经由电缆从所述传感器接口模块接收转换成所述电信号的数据，通过低通滤波器对高于用户所设定的阈值的频率进行滤波，且根据用户所设定的放大比来放大从所述传感器接口模块接收的所述电信号以提高数据分类性能；
多路复用器，其用于通过逻辑电路依序输出由所述信号调节器滤波的多个数据信号当中的一个输入数据信号；
模/数转换器，其用于将所述多路复用器输出的模拟信号转换成数字信号；
无线通信单元，其用于以无线方式传输由所述模/数转换器转换的所述数字信号；
控制器，其用于控制所述无线通信单元的数据传输并通过所述传感器接口模块控制所述传感器；以及
全球定位系统(GPS)时钟同步器，其用于使用GPS相对于所述传感器的检测信号来同步时钟以防止与时间相关的测量误差。
2.根据权利要求1所述的多通道无线测量系统，其中所述传感器接口模块以可拆卸方式连接到所述无线数据记录器的所述信号调节器，且多个传感器和构造用于驱动所述传感器的电路的所述传感器接口模块连接到一个无线数据记录器以选择性地使用所述传感器。
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