CN111811388A - 一种低功耗应变监测传感器及监测方法 - Google Patents

一种低功耗应变监测传感器及监测方法 Download PDF

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欧文浩
李孟轩
马潇
赵斌滨
刘毅
刘俊博
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Abstract

一种低功耗应变监测传感器及监测方法，包括：应变传感模块、主控芯片和通讯模块；所述应变传感模块分别与被测对象和主控芯片连接，用于监测所述被测对象的应变，并将监测的所述应变监测信号传输至所述主控芯片；所述主控芯片上安装有嵌入式软件，用于将所述应变传感模块传输的应变监测信号模拟量转化为相应的应变量，并通过通信模块与外部的读取设备连接；本发明的技术方案实现了可长时间在线监测并存储被测对象的应变状态，有效降低测量误差，提高测量效率，而且还减小了应变传感器的尺寸。

Description

一种低功耗应变监测传感器及监测方法
技术领域
本发明涉及应变监测领域，具体讲涉及一种低功耗应变监测传感器及监测方法。
背景技术
自1930年应变传感器初次出现以来，至今已有90年历史。经过多年的研究与实践，应变传感器的设计与计算等基本技术已经趋于成熟，目前它的发展侧重于工艺研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产工艺等方面寻求突破。现有的应变传感器尺寸较大，功耗较高，不能长时间稳定工作，且应变数据需通过有线的方式进行传输，总体较为笨重。
发明内容
基于现有的应变传感器尺寸较大，功耗较高，不能长时间稳定工作，且应变数据需通过有线的方式进行传输，总体较为笨重的问题，本发明提供了一种低功耗应变监测传感器，包括：应变传感模块、主控芯片和通讯模块；
所述应变传感模块分别与被测对象和主控芯片连接，用于监测所述被测对象的应变，并将监测的所述应变监测信号传输至所述主控芯片；
所述主控芯片上安装有嵌入式软件，用于将所述应变传感模块传输的应变监测信号模拟量转化为相应的应变量，并通过通信模块与外部的读取设备连接。
优选的，所述应变传感模块包括：相互连接的应变传感芯片、电桥电路和运放电路；
所述应变传感芯片，用于采集被测对象的应变监测信号；
所述电桥电路，用于采用电桥补偿的方式减小应变监测信号的温度误差；
所述运放电路，用于将所述感应传感芯片采集的应变监测信号进行放大处理，并将放大处理后的应变监测信号发送至所述主控芯片。
优选的，所述主控芯片包括射频SOC。
优选的，所述通讯模块采用射频识别技术传输所述主控芯片中的数据。
优选的，还包括供电模块；
所述供电模块分别与所述应变传感模块、射频SOC和通讯模块连接。
优选的，所述电桥电路包括多个应变电阻、电阻、数字电位器、运算放大器和微控制器；
两个应变电阻一组组成一个应变桥臂；
所述电阻和所述数字电位器分别与所述应变桥臂并联，用于调整所述应变桥臂的差分信号；
所述应变桥臂的输出端接入所述运算放大器的同向端，所述数字电位器的滑动端接入所述运算放大器的反向端，所述运算放大器的输出端与微控制器连接。
优选的，还包括存储器；
所述存储器分别与供电模块和主控芯片连接，用于从所述供电模块获取电能，并存储所述主控芯片转化成的应变量。
优选的，所述存储器包括：非易失性存储器。
一种低功耗应变监测传感器的监测方法，包括：
应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片；
所述主控芯片将所述应变传感模块传输的应变监测信号通过所述主控芯片上安装的嵌入式软件转化为相应的应变量；
外部的读取设备通过通信模块读取所述应变量。
优选的，应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片，包括：
所述应变传感模块的应变传感芯片采集被测对象的应变监测信号，并采用所述应变传感模块的电桥电路采用电桥补偿的方式减小应变监测信号的温度误差；所述应变传感模块的运算放大电路将所述应变监测信号进行放大处理，并将放大处理后的应变监测信号发送至所述主控芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一种低功耗应变监测传感器，包括：应变传感模块、主控芯片和通讯模块；所述应变传感模块分别与被测对象和主控芯片连接，用于监测所述被测对象的应变，并将监测的所述应变监测信号传输至所述主控芯片；所述主控芯片上安装有嵌入式软件，用于将所述应变传感模块传输的应变监测信号模拟量转化为相应的应变量，并通过通信模块与外部的读取设备连接；本发明的技术方案实现了在线监测并存储被测对象的应变状态，有效降低测量误差，提高测量效率。
附图说明
图1为本发明的低功耗应变监测传感器内部结构示意图；
图2为本发明的电桥电路结构示意图；
图3为本发明的应变信息采集电路结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了本发明的目的是开发一种低功耗应变监测传感器及监测方法，可长期稳定监测设备的应变状态，在需要时，可人工手持无线数据读取设备或在传感器附近放置无线数据读取终端，读取传感器内存储的数据，并进行数据分析。提高设备巡检效率，减少维护成本。
实施例1：
本发明公开了一种低功耗应变监测传感器，如图1所示：包括：应变传感模块、主控芯片和通讯模块；所述应变传感模块分别与被测对象和主控芯片连接，用于监测所述被测对象的应变，并将监测的所述应变监测信号传输至所述主控芯片；所述主控芯片上安装有嵌入式软件，用于将所述应变传感模块传输的应变监测信号模拟量转化为相应的应变量，并通过通信模块与外部的读取设备连接。
其中，应变传感模块进行应变信息采集时的应变信息采集电路，如图3所示，此类应变传感器使用应变传感芯片感知设备的结构微应变，这里的微应变是用来表示形变的变化程度，只不过是用来描述极其微小的形变，微应变是应变的百万分之一，通过电桥电路和运放电路进行信号采集与放大，通过嵌入式软件，其中嵌入式软件位于主控芯片中，用于将模拟量转化成相应的应变量；基于无线通讯技术传输应变监测数据；使用电池供电，低功耗、长时间稳定运行。
采用电桥补偿的方式如图2所示，减小应变监测数据的温度误差；采用自动调零平衡调理电路，实现快速、高效的测量初始化。具体主要包括Ra-Rd应变电阻、Rw电阻、数字电位器、运算放大器和微控制器。由Ra到Rd组成的应变电桥产生的差分信号，通过数字电位器和Rw电阻微调后，传输到运放进行信号放大，输出Vout信号。微控制器对Vout输出信号进行采样并执行DA转换，以确定输出电压信号是否在指定的零位电压范围内，并通过调节数字电位器对存在偏差的情况进行处理，使输出电压符合零位电压的要求。
本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于无线通信技术，带有电桥温度补偿电路、自动调零平衡电路和低功耗设计的应变传感器(见图1、图2)。本发明能够通过无线的方式远距离读取传感器内部的数据，基于低功耗算法以及低功耗工作状态，本发明可长时间在线监测并存储被测对象的应变状态，有效降低测量误差，提高测量效率。
实施例2：
一种低功耗应变监测传感器，包括：通过无线方式传输数据，消除温度对测量数据的影响，电桥电路自动平衡，低功耗设计。以上功能基于射频SOC，应变信息采集前端得到的数据通过电桥电路以及放大电路后，交由处理器进行分析处理，在没有通信时，数据会存储到非易失性存储器中，建立通信时，会读取存储器中的数据通过无线射频的方式发送数据。电桥电路按照应变片温度补偿的方式进行设计，并且使用数字电位器作为电路自动平衡调零的关键元器件。本发明使用低功耗算法，有效降低了平均工作电流。
实施例3：
一种低功耗应变监测传感器的监测方法，包括：
应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片；
所述主控芯片将所述应变传感模块传输的应变监测信号通过所述主控芯片上安装的嵌入式软件转化为相应的应变量；
外部的读取设备通过通信模块读取所述应变量。
优选的，应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片，包括：
所述应变传感模块的应变传感芯片采集被测对象的应变监测信号，并采用所述应变传感模块的电桥电路采用电桥补偿的方式减小应变监测信号的温度误差；所述应变传感模块的运算放大电路将所述应变监测信号进行放大处理，并将放大处理后的应变监测信号发送至所述主控芯片。
通讯模块采用射频识别技术传输所述主控芯片中的数据。
所述方法还包括：采用供电模块分别向所述应变传感模块、射频SOC和通讯模块供电。
电桥电路的两个应变电阻一组组成一个应变桥臂；
电桥电路的电阻和数字电位器分别与所述应变桥臂并联，用于调整所述应变桥臂的差分信号；
所述应变桥臂的输出端接入所述运算放大器的同向端，所述数字电位器的滑动端接入所述运算放大器的反向端，所述运算放大器的输出端与微控制器连接。
所述方法还包括：分别与供电模块和主控芯片连接的存储器，所述存储器从供电模块获取电能并存储所述主控芯片转化成的应变量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗应变监测传感器，其特征在于，包括：应变传感模块、主控芯片和通讯模块；
所述应变传感模块分别与被测对象和主控芯片连接，用于监测所述被测对象的应变，并将监测的所述应变监测信号传输至所述主控芯片；
所述主控芯片上安装有嵌入式软件，用于将所述应变传感模块传输的应变监测信号模拟量转化为相应的应变量，并通过通信模块与外部的读取设备连接。
2.如权利要求1所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，所述应变传感模块包括：相互连接的应变传感芯片、电桥电路和运放电路；
所述应变传感芯片，用于采集被测对象的应变监测信号；
所述电桥电路，用于采用电桥补偿的方式减小应变监测信号的温度误差；
所述运放电路，用于将所述感应传感芯片采集的应变监测信号进行放大处理，并将放大处理后的应变监测信号发送至所述主控芯片。
3.如权利要求2所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，所述主控芯片包括射频SOC。
4.如权利要求1所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，所述通讯模块采用射频识别技术传输所述主控芯片中的数据。
5.如权利要求1所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，还包括供电模块；所述供电模块分别与所述应变传感模块、射频SOC和通讯模块连接。
6.如权利要求2所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，所述电桥电路包括多个应变电阻、电阻、数字电位器、运算放大器和微控制器；
两个应变电阻一组组成一个应变桥臂；
所述电阻和所述数字电位器分别与所述应变桥臂并联，用于调整所述应变桥臂的差分信号；
所述应变桥臂的输出端接入所述运算放大器的同向端，所述数字电位器的滑动端接入所述运算放大器的反向端，所述运算放大器的输出端与微控制器连接。
7.如权利要求5所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，还包括存储器；
所述存储器分别与供电模块和主控芯片连接，用于从所述供电模块获取电能，并存储所述主控芯片转化成的应变量。
8.如权利要求7所述的低功耗应变监测传感器，其特征在于，所述存储器包括：非易失性存储器。
9.一种应用如权利要求1-8任一所述的低功耗应变监测传感器的监测方法，其特征在于，包括：
应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片；
所述主控芯片将所述应变传感模块传输的应变监测信号通过所述主控芯片上安装的嵌入式软件转化为相应的应变量；
外部的读取设备通过通信模块读取所述应变量。
10.如权利要求9所述的监测方法，其特征在于，应变传感模块采集被测对象的应变监测信号，并将所述应变监测信号传输至主控芯片，包括：
所述应变传感模块的应变传感芯片采集被测对象的应变监测信号，并采用所述应变传感模块的电桥电路采用电桥补偿的方式减小应变监测信号的温度误差；所述应变传感模块的运算放大电路将所述应变监测信号进行放大处理，并将放大处理后的应变监测信号发送至所述主控芯片。
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