CN111289136B - 一种分布式倾斜仪采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式倾斜仪采集器，包括倾斜仪、第一AD转换模块、第二AD转换模块、第一SPI总线、第二SPI总线、第一双路SPI接口、第二双路SPI接口、主控芯片和无线传输模块，倾斜仪用于采集双轴倾角信号和热敏电阻信号，双轴倾角信号依次经第一AD转换模块、第一SPI总线和第一双路SPI接口传输至主控芯片中，热敏电阻信号依次经第二AD转换模块、第二SPI总线和第二双路SPI接口传输至主控芯片中，主控芯片连接无线传输模块，主控芯片根据双轴倾角信号和热敏电阻信号进行倾斜度计算。与现有技术相比，本发明无需传输传感器数据，可直接传输倾斜度计算结果，便于接入分布式网络中，具有测量精度高、安装方便、体积小、成本低和操作简单等优点。

Description

一种分布式倾斜仪采集器

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，尤其是涉及一种分布式倾斜仪采集器。

背景技术

倾角传感器又称作倾斜仪、倾角计、测斜仪，经常用于系统的角度变化测量。作为一种检测工具，是基础设施建筑、水利工程、桥梁工程、铁路工程、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化工程、智能平台、机械加工设备等领域不可缺少的重要测量工具。可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度。倾角传感器测量数据及传感数据采集过程对测量结果的准确性有着重要的决定作用，准确实时的倾角数据是后续工程良好运行和有效实施的基础。

特别是在大型建筑长期连续监测的过程中，倾角变化是其中最为主要的检测参数之一，一旦发现大楼由于沉降、长期振动产生的金属疲劳，或周边环境中有火情等原因产生较大的倾角变化，就需要对大型建筑进行全面检查、加固补救甚至撤离人员预放灾害的发生，因此一个具有自组网能力，同时能够保持长期不间断监控的数据准确的倾角数据采集设备必不可少。

倾斜仪作为单独的测量传感器安装在测量环境中时，测量得到的是传感器的电压值或电流值，然后通过传感器外接读数仪，得到倾角值结果，或从测量现场通过较长距离布线后接入数据采集系统，数据采集系统再根据传感器厂家提供的率定表计算出倾角值；或者采用无线倾斜仪通过无线传输方式发送到接收端进行数据的接收，无线倾斜仪一般以传感器测量值作为传输数据，数据还需要在接收端进行处理得到倾斜角度值，无线倾斜仪作为独立设备时，通常参数的设置需要在面板面板上现场操控。

现有技术存在的缺点如下：

倾斜仪作为单独的测量传感器安装在测量环境中时，倾斜角数据的读取有两种方式，一种是通过厂家提供的读数仪直接读取，这种方法得到的数据较为稳定，但需要厂家提供的读数仪并要在现场进行数据读取，设备费用增加，读取数据的便利性差；另一种是通过较长距离布线或较多数量的传感器部署后接入数据采集和监控系统，这种数据采集和监控系统不论是在传感器数量和测量监控点方面通常有固定的系统测量要求和固定的系统配置，系统的扩展性要求不高或者对检测点的移动性不做要求。

无线倾斜仪可以采用多种无线传输方式发送测量数据到接收端进行数据的传输，但目前这种设备传输的数据一般为传感器直接采集数据而非倾斜角数据，接收设备仍需要通过计算得到倾角值，因传输过程的丢包和数据错误也会影响计算结果的准确性；另外，这种设备一般作为独立设备进行数据的采集，参数的设置需要在现场面板操控，也使得从网关向整个网络发送指令和数据接受的可控性下降，而且设备的通用性差，使用场所灵活性差，目前的无线倾斜角传感器主要用于传感器数据的无线传输，自组网的能力有限，可接入分布式网络的功能更加受限，另外这类设备大多数没有本地数据存储的功能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量数据的准确性和实时性高、网络数据传输的效率高的分布式倾斜仪采集器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分布式倾斜仪采集器，包括倾斜仪、第一AD转换模块、第二AD转换模块、第一SPI总线、第二SPI总线、第一双路SPI接口、第二双路SPI接口、主控芯片和无线传输模块，所述倾斜仪用于采集双轴倾角信号和热敏电阻信号，所述双轴倾角信号依次经第一AD转换模块、第一SPI总线和第一双路SPI接口传输至主控芯片中，所述热敏电阻信号依次经第二AD转换模块、第二SPI总线和第二双路SPI接口传输至主控芯片中，所述主控芯片连接所述无线传输模块，所述主控芯片根据双轴倾角信号和热敏电阻信号进行倾斜度计算。主控芯片通过无线传输模块接入分布式无线网络与主控电脑进行无线传输，将倾斜度数据传送给主控电脑。

进一步地，所述第一AD转换模块根据第一采样频率采集双轴倾角信号，并转换为数字信号；所述第二AD转换模块根据第二采样频率采集热敏电阻信号，并转换为数字信号。

进一步地，所述主控芯片根据热敏电阻信号获取的相邻两次采样的温度变化值，对第二采样频率进行调整。

本发明考虑到在传感器数据采集和倾斜角的计算的准确性方面，不论是在数据采集和监控系统中，都存在倾斜角计算的准确性和资源利用冲突方面的缺点，其原因是，在进行传感器数据采集后，需要根据传感器厂家提供的率定表计算出倾斜角度值，然后再通过温度传感器测量得到的温度值进行倾斜角度数值的校准，现有的数据采集过程中温度测量数据和倾斜角测量数据采用相同的测量频率进行测量，然后进行校准计算，采用此方法存在的问题在于：在通常环境和气候条件情况下温度是个变化量较慢的参数，对倾斜角影响速度慢，若采用与倾角传感器参数相同的采样频率进行采集，不论在AD转换速度、通道的占用或端口的占用，还是在数据传输过程都占用有限的资源，特别是分布式无线传输网络中尤其突出；由于倾斜角数据采集有可能是在各种环境下进行的，而在突发灾害等温度变化快的情况下，倾斜角数据的温度校准又需要对温度参数进行较快的数据测量和校准计算，否则计算得到的倾斜角的准确性会下降，而在分布式无线传输网络中既要兼顾测量数据的准确性和实时性，又要兼顾网络数据传输的效率，提高网络资源的利用率，因此在常态下采用低频率采样，而在突发状况下采用高频率是解决网络资源冲突，降低网络能耗的有效方法。

进一步地，为了达到更准确的倾角数据，倾角值计算处理时采用了温度参数采样频率自调整的方法进行采样，既当ΔT变化幅度增大时，采用较高的采样频率，当ΔT变化幅度较小时，采用较低的采样频率；具体为，采用基于sigmoid函数的参数调整策略，对第二采样频率进行调整，所述基于sigmoid函数的参数调整策略的表达式为：

f₂′＝aS(ΔT)f₂

式中，f₂′为调整后的第二采样频率，f₂为第二采样频率，a为频率整数化系数，ΔT为相邻两次采样的温度变化值，SΔT为以ΔT为变量的Sigmoid函数。

进一步地，所述主控芯片根据双轴倾角信号和热敏电阻信号进行倾斜度计算，具体为，采用牛顿-弗拉森法计算倾斜度，使得校正温度漂移以及因温漂带来的角度变化误差更小，提升了测量精度，所述牛顿-弗拉森法根据双轴倾角信号计算倾角值，根据热敏电阻信号对倾角值进行修正。

进一步地，所述倾角值的计算表达式为：

Sinθ＝R_iG

式中，θ为倾角值，R_i为在i时刻的倾斜角参数，该倾斜角参数根据双轴倾角信号拟合获取，G为率定表中给出的仪器系数。

进一步地，所述倾角值的修正表达式为：

Sinθ_温度修正＝[R_i+0.0005(T_t-T_t-1)]G

式中，θ_温度修正为修正后的倾角值，R_i为在i时刻的倾斜角参数，该倾斜角参数根据双轴倾角信号拟合获取，G为率定表中给出的仪器系数，T_t为在t时刻的温度值，T_t-1为在t-1时刻的温度值。

进一步地，当所述第二采样频率与所述第一采样频率相同时，所述i时刻与所述t时刻相同；当所述第二采样频率低于所述第一采样频率时，所述i时刻为第二AD转换模块在所述t时刻前最近的采样时刻。

进一步地，所述温度值的计算公式为：

式中，T为温度值，该温度值为摄氏温度值，R_t为由热敏电阻信号计算得到的热敏电阻阻值，a＝1.4051×10^-3，当-50℃<T<+150℃时，b＝2.369×10^-4，c＝1.019×10^-7。

进一步地，所述分布式倾斜仪采集器还包括SD卡存储模块，该SD卡存储模块连接所述主控芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明倾斜仪采集器内设有AD转换模块、SPI总线和主控芯片，可自动读取传感器测量数据，无需现场使用读数仪读取数据的手工操作，并且主控芯片能自计算出倾斜度，无需传输传感器数据，可直接传输倾斜度计算结果，便于接入分布式网络中，实现了实时的导出发布，同时确保了数据的精确与完整。

(2)本发明采用基于Sigmoid函数的自调整采样频率的温度数据采集策略，自动调整传感器采样频率，解决了倾斜角计算的准确性和资源利用冲突问题，提高了倾斜角计算的准确性，特别适用于硬件资源和能量资源受限的检测系统和无线网络中。

(3)本发明采用同步采样频率/非同步采样频率下倾斜角度值的牛顿-弗拉森(NRM)算法，使得校正温度漂移以及因温漂带来的角度变化误差更小，提升了测量精度。

(4)本发明倾斜仪采集器既可以在传感器现场计算得到倾角值进行本地存储，又可接入分布式无线网络将数据进行无线远端传输，解决了因传输过程数据造成的倾角值计算误差问题。

(5)本发明倾斜仪采集器体积小，安装简便，传感器布设成本低，现场作业的操作简单。

(6)本发明倾斜仪采集器的灵敏度为＜10弧秒，精度为±0.1％F.S.，量程为±10°，温度测量范围为-50℃～+150℃。

附图说明

图1为本发明倾斜仪采集器的数据采集过程示意图；

图2为本发明倾斜仪采集器的结构示意图；

图3为本发明Sigmoid函数的函数曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种分布式倾斜仪采集器，采集器采用了具有两路电压输出并内置一个热敏电阻的倾角仪，通过嵌入式主控芯片MCU对倾角仪的两个轴向倾角输出电压和热敏电阻的电压电流信号进行实时测量，两个SPI总线(第一SPI总线和第二SPI总线)各自分别连接一个快速的AD转换器(第一AD转换模块)与一个慢速的AD转换器(第二AD转换模块)，进行传感器数据的传输，两个SPI总线分别通过两个双路SPI接口(第一双路SPI接口和第二双路SPI接口)接入主控芯片MCU。测量数据在主控芯片MCU中进行计算得到实时的倾斜角数据。主控芯片MCU通过无线传输模块接入分布式无线网络与主控电脑进行无线传输，将倾斜角数据传送给主控电脑，采集器还具有SD卡存储模块。该SD卡存储模块包括SD卡，SD卡与主控芯片MCU连接，将数据本地存储，可进行手动数据采集功能。

如图2所示，本发明倾斜仪采集器的数据采集过程包括以下步骤：

S1：AD转换模块分别采集倾斜仪两轴倾角的电压信号参数Up和Ur并转换为数字信号，同时采用较低的采样速率采集热敏传感器的电压和电流参数U和I，并转换为数字信号，经由SPI接口发送数据给MCU；

S2：MCU对采集过程中热敏电阻信号的采样频率采用基于sigmoid函数的参数调整策略进行自动调整，特别涉及到当温度变化梯度增快时，温度参数的采样频率按照S(ΔT)函数进行调整；

在倾斜角计算过程中，温度的变化对倾角仪测量输出影响较大，因此要将温度变化量同时进行测量，并参与误差校正的计算，由于通常环境下温度参数的变化较慢，测量的实时性要求通常低于倾角参数，但在不同的地域，或在灾情发生等特殊环境和条件下环境温度的变化速率与通常情况下大不相同，如果采用相同的采样频率进行采样，得到的倾角数据的准确性不佳，为了达到更准确的倾角数据，倾角值计算处理时采用了温度参数采样频率自调整的方法进行采样，既当ΔT变化幅度增大时，采用较高的采样频率，当ΔT变化幅度较小时，采用较低的采样频率，ΔT为两次温度测量值的变化量，ΔT＝(T_t-T_t-1)，频率自调整算法策略由式(1)给出。

f₂′＝aS(ΔT)f₂ (1)

其中，f₂′为调整后的第二采样频率，f₂为第二采样频率，ΔT为相邻两次采样的时间间隔，SΔT为以ΔT为变量的Sigmoid函数，a为频率整数化系数，S(ΔT)为Sigmoid函数，如图3所示，f为采样频率，当温度变化时，温度采样频率按Sigmoid函数，既S(ΔT)进行调整，S(ΔT)函数如式(2)所示。

Sigmoid函数的函数曲线变化图如图3所示，图中的横坐标t为ΔT的值。

S3：MCU将得到的数据代入按照率订表和温度校准计算公式，用牛顿-弗拉森法(NRM)得到实际倾斜角度；

采集器的AD转换模块分别采集得到倾斜仪两轴倾角的电压信号参数Up和Ur并转换为数字信号，先计算出倾斜角参数R_i，然后由式(3)得到倾角值

Sinθ＝R_iG或θ＝Sin^-1(R_iG) (3)

其中，G是率定表中给出的仪器系数，倾角的计算采用牛顿-弗拉森法NRM得到。

由于温度对倾角参数的测量影响不可忽视，因此需要对倾角的计算用式(4)进行温度修正，温度值的计算由式(5)得到。温度采样频率与倾角参数采样频率相同时，采用同步计算出的温度值计算倾角值；当温度采样频率低时式(2)中的温度采样值用上次采样值得到的温度值进行计算，直至温度值更新后采用更新的温度值进行计算。

Sinθ_温度修正＝[R_i+0.0005(T_t-T_t-1)]G (4)

其中，T为摄氏温度，Rt为由温度测量参数计算得到的热敏电阻的阻值。式中参数a＝1.4051×10^-3，当-50℃<T<+150℃时；b＝2.369×10^-4；c＝1.019×10^-7。

S4：MCU将倾角数据打包存储到SD卡，同时数据包会通过无线传输模块向无线传感器网络中发出，同时采集器可通过无线网络接收监控中心的控制指令，实现启动、停机与校时等功能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，包括倾斜仪、第一AD转换模块、第二AD转换模块、第一SPI总线、第二SPI总线、第一双路SPI接口、第二双路SPI接口、主控芯片和无线传输模块，所述倾斜仪用于采集双轴倾角信号和热敏电阻信号，所述双轴倾角信号依次经第一AD转换模块、第一SPI总线和第一双路SPI接口传输至主控芯片中，所述热敏电阻信号依次经第二AD转换模块、第二SPI总线和第二双路SPI接口传输至主控芯片中，所述主控芯片连接所述无线传输模块，所述主控芯片根据双轴倾角信号和热敏电阻信号进行倾斜度计算；

所述第一AD转换模块根据第一采样频率采集双轴倾角信号，并转换为数字信号；所述第二AD转换模块根据第二采样频率采集热敏电阻信号，并转换为数字信号，所述第一采样频率和所述第二采样频率均由所述主控芯片设定；

所述主控芯片根据热敏电阻信号获取的相邻两次采样的温度变化值，采用基于sigmoid函数的参数调整策略，对第二采样频率进行调整；

所述基于sigmoid函数的参数调整策略的表达式为：

f₂′＝aS(ΔT)f₂

式中，f₂′为调整后的第二采样频率，f₂为第二采样频率，a为频率整数化系数，ΔT为根据热敏电阻信号获取的相邻两次采样的温度变化值，S(ΔT)为以ΔT为变量的Sigmoid函数；

所述主控芯片根据双轴倾角信号和热敏电阻信号进行倾斜度计算，具体为，采用牛顿-弗拉森法计算倾斜度，所述牛顿-弗拉森法根据双轴倾角信号计算倾角值，根据热敏电阻信号对倾角值进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，所述倾角值的计算表达式为：

Sinθ＝R_iG

式中，θ为倾角值，R_i为在i时刻的倾斜角参数，该倾斜角参数根据双轴倾角信号获取，G为率定表中给出的仪器系数。

3.根据权利要求1所述的一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，所述倾角值的修正表达式为：

Sinθ_温度修正＝[R_i+0.0005(T_t-T_t-1)]G

式中，θ_温度修正为修正后的倾角值，R_i为在i时刻的倾斜角参数，该倾斜角参数根据双轴倾角信号获取，G为率定表中给出的仪器系数，T_t为在t时刻的温度值，T_t-1为在t-1时刻的温度值。

4.根据权利要求3所述的一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，当所述第二采样频率与所述第一采样频率相同时，所述i时刻与所述t时刻相同；当所述第二采样频率低于所述第一采样频率时，所述i时刻为第二AD转换模块在所述t时刻前最近的采样时刻。

5.根据权利要求3所述的一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，所述温度值的计算公式为：

式中，T为温度值，该温度值为摄氏温度值，R_t为由热敏电阻信号计算得到的热敏电阻阻值，a＝1.4051×10^-3，当-50℃<T<+150℃时，b＝2.369×10^-4，c＝1.019×10^-7。

6.根据权利要求1所述的一种分布式倾斜仪采集器，其特征在于，所述分布式倾斜仪采集器还包括SD卡存储模块，该SD卡存储模块连接所述主控芯片。

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