CN102798458A

CN102798458A - 一种低频无线加速度计

Info

Publication number: CN102798458A
Application number: CN2012102704753A
Authority: CN
Inventors: 高岩; 王涛; 刘建磊; 陈密; 胡强; 梁志广; 刘利; 李沁
Original assignee: BEIJING RAILWAY SIENCE ENGINEERING INSPECTION CENTER; Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: BEIJING RAILWAY SIENCE ENGINEERING INSPECTION CENTER; Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及一种低频无线加速度计，尤其涉及针对桥梁等结构体的低频低振幅振动的测量，属于智能仪器仪表领域。包括加速度传感器模块、低通滤波电路模块、差分驱动电路模块、A/D转换电路模块、处理器模块、无线发射模块、电源电路模块、外部电源模块、振动能量收集单元、无线接收模块、上位机。本发明当系统外部供电电源过低时，振动能量收集单元收集所测的振动能量，作为后备电源，为系统供能。该低频无线加速度计集成度高，结构简单，便于携带及操作，特别适用于对大型结构体进行振动加速度的监测。

Description

一种低频无线加速度计

技术领域

本发明涉及一种低频无线加速度计，尤其涉及针对桥梁等大型结构的低频低振幅振动的测量，属于智能仪器仪表技术领域。

背景技术

一般地说，低频振动是指振动频率在5～10Hz以下。由于其振动加速度值小，对人的直观感受影响较小，因而常常被人们忽略。但是，在某些领域，例如对于大型旋转机器、大型工程结构，却不能忽视低频振动监测。

对于这种低频振动的测量，各种不同型式和原理的传感器均可以使用，但是加速度传感器因其高精度，宽频率范围等优势，而得到更为广泛的应用。

目前，国内外大型结构都安装了用于振动特性测试的加速度传感节点，大多数测量装置包括了加速度计，电荷放大电路，信号传输线，数据采集卡，存储器等，但现有大型结构加速度测试装置均有以下不足：(1)结构复杂，体积庞大，使用不便；(2)现有大型结构体加速度测试装置为有线传输，布线量复杂、安装、维护造价高，信号可靠性较低；(3)对低频低振幅振动的测量灵敏度较差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种能准确测试桥梁等大型结构体的低频振动加速度，并利用无线通信技术解决有线传感网络结构复杂等问题，实现对桥梁等大型结构体动态特性便捷准确监测的低频无线加速度计。

本发明“低频无线加速度计”主要由无线加速度传感器节点和接收终端构成。其中，无线传感器节点包含加速度传感器模块、低通滤波电路模块、差分驱动电路模块、A/D转换电路模块、处理器模块、无线发射模块及外部电源、电源电路模块、振动能量收集单元；接收终端包括无线接收模块及上位机，本发明最终利用上位机对采集数据进行处理。

本发明“低频无线加速度计”各模块之间的连接关系及工作过程如下：

步骤一、将无线传感器节点置于结构体的待测点上，放置时根据结构体待测点的振动方向，保证传感器敏感方向与待测点振动方向一致。

步骤二、加速度传感器根据所处环境振动加速度，输出不同的模拟电压信号。加速度传感器在环境加速度的作用下，其输出差分模拟量会发生变化。

步骤三、步骤二输出的模拟电压信号输入到低通滤波电路模块。

步骤四、低通滤波电路模块对传感器输出的差分模拟量进行低通滤波，并将滤波后的信号传递给差分驱动电路模块；

步骤五、经过差分驱动电路模块的模拟信号进入A/D转换电路模块的输入端。A/D转换电路模块进行模拟量采集并转换。A/D转换电路模块通过总线的方式与处理器模块相连，将传感器模块输出的模拟信号转换为数字信号，并以补码的方式传递给处理器模块。

步骤六、处理器模块通过总线的方式与A/D转换电路模块相连，控制A/D转换电路模块数据输出频率。接收转换后的数字量后，按照无线传输模块传输数据格式，即满足所需标志位，及单帧传输字节个数，将数据通过串口的方式传递给无线发射模块，进行数据传输。

步骤七、无线发射模块接收数据后将数据通过无线的方式传递给无线接收模块。

步骤八、电源电路模块的输出为加速度传感器模块、低通滤波电路模块、A/D转换电路模块、处理器电路模块及无线发射模块供电。

步骤九、振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储。当电源电路输出电压低于所设电压阈值时，单片机产生电池电压过低的信号，并通过无线传输，将信号传递给接收终端，提醒监测人员进行电池充电或更换，同时切换电路，启动振动能量收集单元，利用振动能量收集单元输出电压作为电源电路的输入，为系统进行供电，构成系统后备电源。

步骤十、无线接收模块接收步骤七无线发射模块发射的数据后，通过串口方式与上位机模块相连，发送给上位机模块数据，通过发送工作模式控制指令给无线发射模块，控制无线发射模块的工作模式，工作模式包括激活模式、休眠模式、深度休眠模式。

步骤十一、上位机模块接收无线接收模块传递过来的数据，将接收的ASCLL码数据转换为10进制数据，并进行数字低通滤波，得到最终加速度测量值，进行显示，存储操作。

有益效果

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和效果：

1.结构简单、成本低廉，适用于桥梁等大型结构的振动监测节点安装；

2.可检测到低频低振幅振动加速度信号；

3.利用对现场振动能量的收集，作为后备电源，更好地解决能量供给问题；

4.可通过接收终端控制无线发射模块的工作模式，进入不同休眠状态，降低系统功耗。

附图说明

图1为本发明所述的低频无线加速度计系统结构图；

图2为系统加速度测试输出波形

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

利用本发明对标准振动台产生的低频振动加速度进行测试，测试步骤如下：

根据步骤一，将无线传感器节点置于标准振动台上，传感器敏感方向与待测点振动方向一致；

根据步骤二，加速度传感器根据所处环境振动加速度，输出的不同的模拟差分电压信号，选择电容式加速度传感器作为核心敏感元件，其测量范围-2g～2g，测量带宽0～400HZ，不仅可以测量动态加速度，还可以测量静态加速度(即倾角测量)，并具有2000g额定耐冲压强度。模拟信号经过有源低通滤波电路以及差分驱动电路模块后，进入A/D转换电路模块；模拟电压信号以差分形式输出，使系统抗干扰性能更强，提高了系统测量精度，输出电压范围为-4v～4v，分辨率为2000mv/g。

根据步骤三，滤波电路对步骤二中传感器输出差分模拟量进行有源低通滤波。

根据步骤四，低通滤波电路模块对传感器输出的差分模拟量进行低通滤波，并将滤波后的信号传递给差分驱动电路模块；根据所测的振动频率范围，设定低通滤波电路的截止频率为15Hz。

根据步骤五，串行A/D转换电路根据有源晶振频率，进行模拟量采集，并选择24位逐次逼近型A/D芯片完成系统信号转换。A/D转换电路模块的主芯片为AD7767。经过步骤四中差分驱动电路模块的差分模拟信号进入A/D转换电路模块的输入端。A/D转换电路模块通过串行总线的方式与处理器模块相连，将传感器的输出模拟信号转换为数字信号，并以24位补码的方式传递给处理器模块。

根据步骤六，选择处理器PIC18F4620，通过总线的方式与A/D芯片相连，控制A/D转换电路数据输出频率。判断A/D转换电路完成采样之后，通过数据总线读取A/D转换后的补码输出值。将补码格式的数据转换为原码格式，并通过串行接口方式按照无线传输模块所设定的要求，即包含起始标志位，结束标志位每帧35个字节的数据传输方式，传递给无线发射模块。

根据步骤七，无线发射模块接收数据后将原码数据传递给无线接收模块。选择Zigbee无线传输协议作为系统数据传输媒介，利用Zigbee无线发射模块Jennic5148实现数据的无线传送。

根据步骤八、电源电路模块的输入为外部供电电源，由于本低频无线加速度计耗电量低，可以利用锂电池作为外部供电电源。

根据步骤九、振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储。当电源电路输出电压低于3.6v时，单片机产生电池电压过低的信号，并通过无线传输，将信号传递给接收终端，提醒监测人员进行电池充电或更换，同时切换电路，启动振动能量收集单元，利用振动能量收集单元输出电压作为电源电路的输入，为系统进行供电，构成系统后备电源。

根据步骤十，接收终端的无线接收模块，如Zigbee无线接收模块Jennic5148，获得数据后，通过串行接口电路与上位机相连。同时，Zigbee无线接收模块控制无线收发模块，使其进入激活模式，休眠模式以及深度休眠模式等不同的工作状态，降低系统能耗。

根据步骤十一，上位机获得数据后，将其转换为十进制数据，并通过FIR滤波方式进行滤波，获得最终加速度测量值进行处理、显示及存储。

调整标准振动台使其输出振动频率变化范围从0.6Hz～5Hz，振幅半峰值为350～600μm所获得的加速度测试数据以及根据标准振动台所提供的振动参数计算获得的加速度值如表1，部分实测加速度输出波形如图2。表1为实测加速度值，实际测量值与计算加速度理论值基本保持线性关系，通过标定可得补偿系数为1.1365，针对系统测量量程(4g)补偿后误差在0.2‰以内。

表1 实测加速度值

以上所述为本发明的较佳实施例，不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种低频无线加速度计，其特征在于：

包括加速度传感器模块、低通滤波电路模块、差分驱动电路模块、A/D转换电路模块、处理器模块、无线发射模块、电源电路模块、外部电源模块、振动能量收集单元、无线接收模块、上位机；

加速度传感器输出不同的模拟电压信号，模拟电压信号输入到低通滤波电路模块；

低通滤波电路模块与差分驱动电路模块相连，将滤波后的信号传递给差分驱动电路模块；

差分驱动电路模块的模拟信号进入A/D转换电路模块的输入端；

A/D转换电路模块与处理器模块相连，将传感器模块输出的模拟信号转换为数字信号，传递给处理器模块；

处理器模块对A/D转换电路输出的数字信号将补码格式数据转换为原码，通过串口的方式传递给无线发射模块，进行数据传输；

无线发射模块接收数据后将数据通过无线的方式传递给无线接收模块；

无线接收模块获得数据后，发送给上位机；

电源电路的输入为外部电源，电源电路向加速度传感器模块、低通滤波电路模块、差分驱动电路模块、A/D转换电路模块、处理器模块、无线发射模块输出电能；

振动能量收集单元向电源电路模块输入能量；

能够进行低频振动测量。

2.如权利要求1所述的低频无线加速度计，振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储，当供电电池电量过低时，启动振动能量收集单元，将收集到的振动能量输出，作为系统电源电路的输入，为系统进行短时供电，构成系统后备电源。

3.如权利要求1所述的低频无线加速度计，接收终端模块控制无线发射模块的工作模式，进入不同休眠状态。