CN106595470A

CN106595470A - 一种智能检测抗震设备自复位的系统

Info

Publication number: CN106595470A
Application number: CN201710036100.3A
Authority: CN
Inventors: 陈晨; 张连英; 王佳庆; 刘忠智; 王昊程; 祁明浩; 刘展; 秦天琦
Original assignee: Xuzhou University of Technology
Current assignee: Xuzhou University of Technology
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: CN106595470B

Abstract

本发明提供一种智能检测抗震设备自复位的系统，其特征在于，应用于抗震设备的记忆合金的自恢复性测量，包括测量单元、处理单元、数据传输单元、报警单元、供电单元，其中测量单元包括电桥电阻测量电路、温度测量电路、A/D转换电路、基准电压电路，其中处理单元包括运算子模块和比较子模块。该系统可以实时检测抗震设备中记忆金属的应变量，及时发现在抗震减震设备中记忆合金发生偶然的错位或者设备荷载过大应变量超过极限，同时报警。

Description

一种智能检测抗震设备自复位的系统

技术领域

本发明涉及建筑领域和机械工程领域中的一种抗震技术，特别是一种智能检测抗震设备自复位的系统。

背景技术

目前抗震减震问题仍是建筑领域和机械工程领域的研究重点，尤其是近年来形状记忆合金材料的突破性发展进一步推动了抗震减震研究的创新。形状记忆合金中的记忆合金具有强度高、比重小、耐久度好、疲劳寿命长等许多优势，因此被广泛应用在各类工程领域和结构领域中抗震减震设备中。

专利“一种绳式自复位形状记忆合金抗震减震支座(申请号为201310613180.6)”、专利“用于大跨度空间结构(网架)的智能隔震减震记忆合金支座(申请号为201210562576.8)”、专利“一种自复位抗拉扭形状记忆合金阻尼器(申请号为201310608531.4)”等中均记载了采用记忆记忆合金作为抗震材料，上述三种设备在消能效果、抗拉扭能力、自复位能力上较其他设备有明显的优势。

但是实际使用过程中，例如部分建筑抗震设备安装在空间狭窄或环境恶劣的地方，或者部分机械设备的阻尼器安装在不方便观察的地方，这些情况制约了技术人员对设备的定期检查。这种情况影响了我们在抗震设备使用过程中对其状态的实时监测，尤其是对设备的自复位状态的监测。抗震设备有没有复位或者自复位效果如何都直接影响到抗震设备的抗震减震效果，因此，在必要的项目中或者特殊要求下，我们应当对抗震设备的复位状态进行监测。根据现在智能建筑和建筑安全发展趋势，不久智能建筑系统可能会将建筑抗震设备信息纳入监测范围。因此本系统将结合物联网远程无线通信技术对采集到的设备自复位相关数据传输到云端，通过云端技术实时分析进行反馈，显示设备是否处于正常工作状态

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能检测抗震设备自复位的系统，该系统可以实时检测抗震设备中记忆金属的应变量，及时发现在抗震减震设备中记忆合金发生偶然的错位或者设备荷载过大应变量超过极限，同时报警。

一种智能检测抗震设备自复位的系统，应用于抗震设备的记忆合金的自恢复性测量，包括测量单元、处理单元、数据传输单元、报警单元、供电单元，其中测量单元包括电桥电阻测量电路、温度测量电路、A/D转换电路、基准电压电路，其中处理单元包括运算子模块和比较子模块。具体地电桥电阻测量电路测量记忆合金的参数，温度测量电路获取记忆合金周围环境的温度，A/D转换电路将采集到的记忆合金的参数华为温度转化为数字信号，基准电压电路为电桥电阻测量电路和A/D转换电路提供基准电压，运算子模块根据记忆合金的参数和温度获取记忆合金的应变量，比较子模块比较记忆合金的应变量和初始长度并输出比较结果，数据传输单元传输比较结果，报警单元根据比较结果选择报警，供电单元为系统提供工作电压。

本发明通过对使用了记忆合金的抗震减震设备进行分析，当设备荷载或受力时记忆合金发生应变，应变量的大小决定了记忆合金的长度和截面积，而长度和截面积又改变了记忆钛合金的电阻，通过精确测量其电阻获取记忆合金的形变量，再通过实时测量设备所处的环境温度并参与分析温度对记忆合金电阻率的影响，就能准确说明设备所处的状态了。由于本系统采用的简单易测的物理量和低成本的电子元件，所以可以保证既能精确反映设备状态的同时又能以低成本、低能耗的方式实现该方案。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图。

图2为电桥电阻测量电路示意图。

图3为单片机STM32F103RBT6的电路设计图。

图4为AD7793的电路设计图。

图5为REG1117-3.3的电路设计图。

图6为复位电路示意图。

图7为指示灯电路示意图。

图8为滤波电路示意图。

图9为排针P1示意图。

图10为排针P2示意图。

图11为排针P3示意图。

图12为排针P4示意图。

图13为排针P5示意图。

图14为MAX3232电路设计图。

图15为LM75电路设计图。

具体实施方式

结合图1，一种智能检测抗震设备自复位的系统，应用于抗震设备的记忆合金的自恢复性测量，包括测量单元、处理单元、数据传输单元、报警单元、供电单元，其中测量单元包括电桥电阻测量电路、A/D转换电路、基准电压电路，其中处理单元包括运算子模块和比较子模块。电桥电阻测量电路测量记忆合金的参数，A/D转换电路将采集到的记忆合金的参数转化为数字信号，基准电压电路为电桥电阻测量电路和A/D转换电路提供基准电压，运算子模块根据记忆合金的参数获取记忆合金的应变量，比较子模块比较记忆合金的应变量和初始长度并输出比较结果，数据传输单元传输比较结果，报警单元根据比较结果选择报警，供电单元为系统提供工作电压。

本系统通过对使用了记忆合金的抗震减震设备进行分析，当设备荷载或受力时记忆合金发生应变，应变量的大小决定了记忆合金的长度和截面积，而长度和截面积又改变了记忆合金的电阻，我们通过精确测量其电阻通过电阻公式反推记忆合金的形变量，再通过实时测量设备所处的环境温度并参与分析温度对记忆合金电阻率的影响，这样就能准确说明设备所处的状态了。

针对上述设计思路，本发明所述的电桥电阻测量电路包括：

本发明所采用的原理如下：

U_out＝U_CD-U_BD (3)

其中，l为被测记忆合金的长度，V＝l·S，S为被测记忆合金的横截面积，U_out为两个被测点间的电压值，U为电桥电路的供电电压，ρ₀为在0℃时材料的电阻率，α为材料的电阻率温度系数，T为环境温度。

上述公式(2)为本系统采用的电桥电路的基本公式，公式(3)为电位差公式，通过采集U_CD、U_BD的电压计算U_out，最后通过公式(2)、(3)推导出公式(4)，利用公式(4)运算子模块可计算出R_x。上述公式中U_out为图2中电桥电路中的B、C点电压，U为电桥电路的供电电压，R_x1、R_x2、R_x3均为250Ω的低温漂高精度精密电阻。

由上述公式(1)、(4)以及数字温度传感器LM75测量的温度T可以计算出接入电路的记忆合金的应变量

比较子模块中至少设置一第一阈值(1+0.85ω)，其中ω为记忆合金的强度极限值，比较子模块将记忆合金的应变量l(T,R)与记忆合金的初始长度L₀进行比较，获得的计算结果与第一阈值进行比较：

(1)当时，设备处于安全使用阶段；

(2)当时，设备承受荷载过大，已经发生损坏，需要及时更换。

在情形(1)中，记忆金属还存在两种子情形，即自复位正常和自复位异常但处于安全使用阶段，对于上述两种子情形，在比较子模块中设置第二阈值1+δ和第三阈值1-δ；其中δ为系统允许误差，误差来源于接触电阻、导线电阻和所用元件的阻抗，该值可由实验数据归纳出来；当

A、设备自复位正常；

B、设备未自复位但处于安全使用阶段，根据实际情况决定是否维修或更换。

根据上述三种情况，比较子模块发出不同的信号以示区分。

当报警单元接收到比较子模块发出的信号，根据信号所表示的内容不同做出不同的反映。例如报警单元为可以发出红黄两种颜色的LED灯，当情形A时灯不闪烁，当情形B时闪黄光，当情形(2)时闪红光。

结合图3，为完成上述功能，本发明处理单元选择单片机STM32F103RBT6作为核心芯片组建电路，包括一个单片机U2、一个电阻R3、两个晶体振荡器Y1和Y2、四个电容C3、C4、C7及C10。所述单片机U2的第一至第四个电压端VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDD_4和备份电源VBAT以及模拟电源VDDA同时连接在所述基准电压芯片U1的供电端，并且在该连接处连接图8所示的滤波电路接地；所述单片机U2的时钟的外部高速晶振端OSC_IN和OSC_OUT连接一个8M的晶体振荡器Y1，并分别通过所述电容C3、C4接地，其中C3、C4电容均为22皮法；其外部低速晶振端OSC32_IN和OSC32_OUT连接一个32.768K的晶体振荡器Y2,并分别连接所述电容C7、C10接地，其中C7、C10电容均为15皮法；所述单片机U2的启动引脚BOOT0通过串联所述电阻R3接入所述基准电压芯片U1的供电端并在该连接处连接图8所示滤波电路接地；BOOT1引脚接地或接100K电阻将其拉至高电平即可；所述单片机的数据发送端和数据接收端分别选取为PA8、PA9，通过将上述两个信号端口和一个信号地线接入图9所示的排针P1，用于连接至DTU设备的RS232串行通讯端口；所述单片机U2的PA4、PA5、PA6及P7作为I/O端口分别和所述模数转换器U3的片选输入端口、串行时钟输入端口、串行数据输入端口及串行数据输出端口(即分别连接至CS、SCLK、DIN、DOUT)；所述单片机U2的复位端口NRST连接图6所示的复位电路和图12所示的排针P4；所述单片机U2的接地端VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSS_4、VSSA均接地；所述单片机U2的多余引脚均通过排针引出。基准电压由U1(REG1117-3.3)提供。

结合图4，本发明采用的A/D转换电路由模数转换器AD7793及其外围电路组成。包括一个数模转换器U3、一个基准电压U1、三个电阻R2、两个电容C5、三个排针P3。所述模数转换器U3的CS、SCLK、DIN、DOUT连接方式在解释图3时叙述过，不在赘述；所述模数转换器U3包括三个ADC通道，本发明中使用了两个ADC通道作为参考，第一通道AIN1+和AIN1-通过图11所示的排针P3连接至抗震减震设备电桥电路的其中一个电桥桥臂中间位置，如图15所示；第二个通道AIN2+、AIN2-连接方法和第一个通道相同的方式连接至抗震减震设备电桥电路的另一个电桥桥臂中间位置，如图14所示。所述模数转换器U3的电源电压端口AVDD通过串联一个电阻R2连接所述基准电压U1的供电端，并且在两者所连接处连接一个图8所示的滤波电路；在AVDD和电阻R2中间引出一条导线通过串联一个电容C5接地，用于滤波。所述模数转换器U3的数字正电源端口DVDD通过串联一个电阻R2连接所述基准电压U1的供电端，并且在两者所连接处连接一个图8所示的滤波电路；在AVDD和电阻R2中间引出一条导线通过串联一个电容C5接地，用于滤波。所述模数转换器U3的模拟输入/正极准电压输入端口REFIN/AIN3+通过串联一个电阻R2连接所述基准电压U1的供电端，并且在两者所连接处连接一个图8所示的滤波电路。所述模数转换器U3的模拟输入/负极准电压输入端口REFIN/AIN3－接地。在本实施中，所述模数转换器U3型号为AD7793。基准电压由U1(REG1117-3.3)提供。

结合图5，基准电压采用REG1117-3.3作为核心芯片。包括一个基准电压U1、一个5V电源VCC，两个电容C1、C2。所述基准电压U1的输入端连接5V电源VCC。所述基准电压U1的两个输出端相连同时输出3.3V电压，同时并联两个电容C1、C2接地。所述基准电压U1的接地端接地。在本实施中，所述基准电压U1的型号为REG1117-3.3。所述电源VCC为任意一个5V电源。

结合图6的为复位电路。所述复位电路包括一个按钮开关S1、一个电阻R4、一个电容C9。所述按钮开关S1串联一个电阻R4和基准电压U1供电端相连，并在连接处连接一个图8所示的滤波电路。所述按钮开关S1并联一个电容C9接地。所述按钮开关S1和电阻R4中间引出一条导线连接到所述单片机U2的NRST端。

结合图7的指示灯电路。所述指示灯电路包括两个指示灯D1、D2，两个电阻R1、R2。所述指示灯D1的正极通过串联一个电阻R1和基准电压U1相连，并在连接处连接图8所示的滤波电路；D1的负极接地。所述指示灯D2的正极通过串联一个电阻R2和基准电压U1相连，并在连接处连接图8所示的滤波电路；D2的负极连接到所述单片机U2的PD2端。在本实施中，所述指示灯D1、D2采用LED0805封装的指示灯。

结合图8的滤波电路。所述滤波电路包括四个电容C5、C6、C8、C11。将上述四个电容并联，正极连接在所述基准电压U1供电端和其他元件所连接的部位，负极接地。

结合图9的排针P1。所述排针为3脚排针，所述排针P1的两个端口为数据发送端口和数据接收端口，分别连接所述单片机U2的引脚PA9、PA10；P1的第三个端口接地。

结合图10的排针P2。所述排针P2为2排13针，按顺序依此连接PC12、PC11、PC10、PA15、PA14、PA13、PA12、PA11、PA10、PA9、PA8、PC9、PC8、PC7、PC6、PB15、PB14、PB13、PB12、PC11、PB10、PB2、PB1、PB0,剩余两个引脚接地。

结合图11的排针P3。所述排针P3为2X2的排针，其1、2号引脚接地，3、4号引脚分别接BOOT1、BOOT0。需要注意的时，当BOOT0接0时，所述电阻R3不焊接，同时所述排针P3接上跳帽；当BOOT0接1时，电阻R3焊接，同时P3不接跳帽，因此本方案实施起来灵活性更大。

结合图12的为排针P4。所述排针P4的第1、2引脚接入所述基准电压芯片U1的供电端并在该连接处连接。所述排针中排4～20中的偶数位的引脚依次串联并接地。所述排针的第7引脚与所述单片机U1的输入端PA13连接，所述排针的第9引脚与所述单片机U1的输入端PA14连接，所述排针的第15引脚与所述单片机U1的复位端口NRST连接。

结合图13的为排针P5。所述排针P5按顺序和PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PC13、PC0、PC1、PC2、PC3、PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PC4、PC5、PD2,25号接口接5V电源VCC，24、26号接口接地。

Claims

1.一种智能检测抗震设备自复位的系统，其特征在于，应用于抗震设备的记忆合金的自恢复性测量，包括测量单元、处理单元、数据传输单元、报警单元、供电单元，其中测量单元包括电桥电阻测量电路、温度测量电路、A/D转换电路、基准电压电路，其中处理单元包括运算子模块和比较子模块；具体地

电桥电阻测量电路测量记忆合金的参数，

温度测量电路获取记忆合金周围环境的温度，

A/D转换电路将采集到的记忆合金的参数华为温度转化为数字信号，

基准电压电路为电桥电阻测量电路和A/D转换电路提供基准电压，

运算子模块根据记忆合金的参数和温度获取记忆合金的应变量，

比较子模块比较记忆合金的应变量和初始长度并输出比较结果，

数据传输单元传输比较结果，

报警单元根据比较结果选择报警，

供电单元为系统提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电桥电阻测量电路包括第五电阻(R5)、第五十一电阻(R51)、第一精密电阻(R_x1)、第二精密电阻(R_x2)、第三精密电阻(R_x3)，以及两个测量点；其中

第五电阻(R5)的第一引脚接地，第五电阻(R5)的第二引脚分别接基准电压电路输出端、第一精密电阻(R_x1)第一引脚、第二精密电阻(R_x2)第一引脚，

第一精密电阻(R_x1)第二引脚接第一测量点，

第二精密电阻(R_x2)第二引脚接第三精密电阻(R_x3)第一引脚，

第三精密电阻(R_x3)第二引脚分别接地、第五十一电阻(R51)第一引脚、第二测量点，

第五十一电阻(R51)第二引脚接地，

第一测量点和第二测量点接记忆合金。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，电桥电阻测量电路测量记忆合金的参数为U_out，其中U_out＝U_CD-U_BD，B点为第一精密电阻(R_x1)第二引脚电位，C点为第二精密电阻(R_x2)第二引脚电位，D点为第五十一电阻(R51)第一引脚电位。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，记忆合金的应变量

L (T, R) = \sqrt{\frac{R_{x} \cdot V}{ρ_{0} (1 + α T)}}

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在比较子模块中若记忆合金的应变量l(T,R)与记忆合金的初始长度L₀的比值小于(1+0.85ω)时输出第一信号，若比值不小于(1+0.85ω)时输出第二信号；其中ω为记忆合金的强度极限值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在比较子模块中若记忆合金的应变量l(T,R)与记忆合金的初始长度L₀的比值位于[1-δ,1+δ]时输出第三信号，若位于[1+δ,1+0.85ω)时输出第一信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，报警单元在接收到第二信号时报警。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，报警单元在接收到第三信号时报警。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，基准电压电路设置两个，分别为电桥电阻测量电路和A/D转换电路提供基准电压。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处理单元采用单片机STM32F103RBT6为核心芯片，A/D转换电路采用AD7793为核心芯片。