CN115824030A - 一种微小型桥路可调式动态应变测量系统 - Google Patents

Abstract

一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，包括电桥电路，用于切换桥路连接方式，由切换的桥路将应变量转换为电信号传输至信号调理电路，并将桥路连接方式传输至显示模块；信号调理电路，用于将电信号处理，并将所述处理后的信号传输至模数转换器；模数转换器用于将处理后的信号转换为数字信号，并将数字信号传输至MCU控制模块；MCU控制模块，用于对数字信号处理后传输至显示模块和存储模块；存储模块，用于存储系统采集的应变测量数据，并将剩余容量传输至显示模块；显示模块，用于显示接收的数据；电源电路，用于为电桥电路模块、MCU控制模块、LCD显示模块和信号调理电路供电。本发明采用拨码开关来切换桥路连接方式，方便应用。

Description

一种微小型桥路可调式动态应变测量系统

技术领域

本发明涉及结构振动动态应变测量技术领域，具体涉及一种微小型桥路可调式动态应变测量系统。

背景技术

结构振动是生活中经常遇见的问题，我们通常通过测量结构局部的应变量来评估振动强度，从而进一步给出应对结构振动的策略。应变测量所用惠斯通电桥的桥路方式分为单臂、半桥和全桥，但是目前大多数的应变测量系统通常采用改变接线的方式来切换桥路，实际应用起来很不方便。同时，环境噪声的干扰对应变的测量精度也有着很大影响，许多应变采集设备并没有考虑到消除环境噪声的影响。另一方面，由于某些结构处于野外高空环境，巡检人员不方便携带并安装体积较大的测量装置，且不方便频繁的为测量装置更换电池或充电。

发明内容

为了解决现有应变测量系统通常采用改变接线的方式来切换桥路，实际应用起来很不方便，同时也没有考虑到消除环境噪声的影响，另一方面，现有的应变测量系统体积较大，巡检人员不方便携带和安装的问题，本发明提出了一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，包括：MCU控制模块、电桥电路、信号调理电路、模数转换器、显示模块、存储模块和电源电路；

所述电桥电路，用于切换桥路连接方式，由切换的桥路将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将所述应变片阻值的变化量转换为电信号传输至信号调理电路；

所述信号调理电路，用于将所述电信号处理，并将处理后的电信号传输至所述模数转换器；

所述模数转换器，用于将所述处理后的信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述MCU控制模块；

所述MCU控制模块，用于对所述数字信号进行处理后传输至显示模块和存储模块；

所述显示模块，用于显示所述MCU控制模块传输的数据、桥路连接方式和存储模块剩余容量；

所述存储模块，用于存储系统采集的应变测量数据；

所述电源电路，用于将锂离子电池电压转化为各级电压，并为所述电桥电路模块、MCU控制模块、显示模块和所述信号调理电路供电。

可选的，所述MCU控制模块包括：主控芯片和最小系统外围电路；

所述主控芯片，用于生成控制信号和对中断信号进行实时处理；

所述最小系统外围电路，用于为系统提供统一的时钟节拍，并在满足设定的重启条件时将系统恢复到起始状态。

可选的，所述最小系统外围电路包括时钟电路、复位电路和中断控制电路；

所述时钟电路，用于为系统提供统一的时钟节拍；

所述复位电路，用于在必要的时候使系统恢复到起始状态；

所述中断控制电路，用于实时处理各个中断信号。

可选的，所述电桥电路包括两个拨码开关、三个电阻、电容和惠斯通电桥；

所述三个电阻中的两个电阻串联后接入所述惠斯通电桥的第1引脚和第2引脚之间；

所述两个拨码开关中一个拨码开关一端连接于所述两个电阻之间，另一端连接于所述惠斯通电桥的第4引脚；

所述三个电阻中的第三个电阻串联另一个拨码开关后接入所述惠斯通电桥的第1引脚和第3引脚之间；

所述惠斯通电桥的第1引脚接入电源正极，所述惠斯通电桥的第2引脚接入电源负极；

所述电容一端与所述惠斯通电桥的第1引脚连接，另一端接地。

可选的，所述信号调理电路包括依次连接的放大电路、滤波电路、钳位电路；

所述放大电路，用于将电桥输出的电压信号进行放大；

所述滤波电路，用于对所述放大电路放大后的电压信号进行滤波；

所述钳位电路，用于将所述滤波电路滤波后的电压信号限制在设定的电压范围内。

可选的，所述电源电路包括充放电管理电路和供电电压电路；

所述充放电管理电路，用于识别系统供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出；

所述供电电压电路，用于为电桥电路、信号调理电路、MCU控制模块、显示模块供电。

可选的，所述供电电压电路包括：电桥激励电压、PGIA供电电压和基准电压；

所述电桥激励电压，用于为电桥电路模块供电；

所述PGIA供电电压，用于为所述放大电路供电；

所述基准电压，用于将待采集的负电压信号进行抬升，使信号进入模数转换器电压范围内。

可选的，所述系统采用双层电路板；

所述MCU控制模块和显示模块位于其中一块电路板上，所述电桥电路、信号调理电路、电源电路位于另一块电路板上。

可选的，所述显示模块包括LCD显示屏或液晶显示屏。

本发明提供了一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，包括MCU控制模块、电桥电路、信号调理电路、显示模块、存储模块和电源电路；所述电桥电路，用于切换桥路连接方式，由切换的桥路将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将所述应变片阻值的变化量转换为电信号传输至信号调理电路；所述信号调理电路，用于将所述电信号进行处理，并将处理的电信号传输至模数转换器，模数转换器用于将处理后的信号转换为数字信号，并将数字信号传输至MCU控制模块；所述MCU控制模块，用于接收数字信号并对所述数字信号进行处理后传输至显示模块和存储模块；所述显示模块，用于显示所述MCU控制模块传输的数据、桥路连接方式和存储模块剩余容量；所述存储模块，用于存储系统采集的应变测量数据；所述电源电路，用于将锂离子电池电压转化为各级电压，并为所述电桥电路模块、MCU控制模块、显示模块和所述信号调理电路供电。本发明采用电桥电路切换桥路连接方式，方便了实际应用。相比现有技术采用改变接线的方式来切换桥路更安全实用。

本发明采用双层电路板设计提升了系统空间利用率。

附图说明

图1为本发明的电桥电路模块示意图；

图2为本发明的信号调理电路结构框图；

图3为本发明的电源电路结构示意图；

图4为本发明的微小型桥路可调式动态应变测量系统的硬件设计方案图。

具体实施方式

本发明提出的一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，采用了一种可以通过拨码开关自由切换单臂、半桥和全桥方式的简便方法，实现了体积小、功耗低、可滤波以及桥路连接方式切换方便。

实施例1：

一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，如图4所示，包括：

MCU控制模块、电桥电路、信号调理电路、模数转换器、显示模块、存储模块和电源电路；

所述电桥电路模块，用于切换桥路连接方式，由切换的桥路将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将所述应变片阻值的变化量转换为电信号传输至信号调理电路；

所述信号调理电路，用于将所述电信号处理，并将处理后的电信号传输至所述MCU控制模块；

所述模数转换器，用于将所述处理后的信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述MCU控制模块；

所述MCU控制模块，用于对所述数字信号进行处理后传输至显示模块；

所述存储模块，用于存储应变测量数据，并将剩余容量传输至显示模块；

所述显示模块，用于显示所述MCU控制模块传输的数据；

所述电源电路，用于将锂离子电池电压转化为各级电压，并为所述电桥电路、MCU控制模块、显示模块和所述信号调理电路供电。

下面对各部分做详细介绍：

本发明涉及的微小型桥路可调式动态微应变测量系统由硬件和软件构成。

硬件部分通过双层电路板设计，将MCU控制模块、显示模块、存储模块等放在一块36mm*63mm的板子上，将电桥电路、信号调理电路、电源电路等放在另一块相同大小的板子上，将两块板子重叠固定，提升了系统空间利用率，提升了系统空间利用率，使其占据更小的空间。

MCU控制模块是嵌入式系统的核心部分，主要是用于管理数据并生成控制信号；MCU控制模块主要由主控芯片以及最小系统外围电路构成。

主控芯片选择ST公司研制的STM32L431芯片。

最小系统外围电路包括时钟电路、复位电路以及中断控制电路等。时钟电路为整个系统提供统一的时钟节拍；复位电路可在必要的时候使系统恢复到起始状态；中断控制电路可以实时处理各个中断信号，提高MCU的工作效率。

软件开发基于Keil5 MDK-ARM开发环境，在STM32库函数的基础上使用C语言进行编写。软件部分主要包括数据采集、数据处理和数据储存等功能，功能的实现如上述所述。数据采集主要是以设定好的采样频率、采样间隔、采样时间进行应变数据的采集。数据处理是使用FIR数字滤波器对采集到的应变数据进行滤波处理，尽可能的消除环境噪声的干扰，降低测量误差，并根据应变的相关理论公式进行数据的运算。数据储存部分使用了FATFS文件管理系统，可将采集到的应变数据储存在128G内存卡中。

本系统的软件开发基于Keil5 MDK-ARM开发环境，在STM32库函数的基础上使用C语言进行编写。

电桥电路，用于将电阻应变片的电阻变化转换为电压输出，以便进行后续的数据采集；电桥电路模块采用拨码开关来切换桥路连接方式，工作人员可手动调整拨码开关(J11、J12)的开闭来选择单臂、半桥和全桥。下图为电桥电路切换的示意图。

电桥电路切换桥路方式如图1所示，P11为应变片接线端子。当采用单臂电桥模式时，工作人员通过调整拨码开关来将J11和J12两个开关闭合，将单个应变片接入P11的2、3引脚即可；当采用半桥模式时，通过调整拨码开关将两个应变片分别接入P11的1、3和2、3引脚，同时断开J11开关，闭合J12开关即可；当采用全桥模式时，将四个应变片直接接入电路，同时断开J11和J12两个开关即可。

信号调理电路主要是将模拟电压信号进行放大、滤波等，使其适合于ADC的输入；信号调理电路主要由放大电路、滤波电路及钳位电路等构成。本发明采用程控式仪表放大器LTC6915构成放大电路，主要用来将电桥输出的电压信号进行放大，以满足进入ADC的电压范围。滤波电路采用一阶RC低通滤波器，截止频率为150Hz，可将放大电路输出的电压信号进行滤波，降低环境噪声的影响；钳位电路可将滤波后的电压信号限制在0-3V之间，以免损坏ADC。信号调理电路的结构框图如图2所示。

如图3所示，电源电路是将锂电池电压转化为各芯片所需的供电电压；电源电路包括充放电管理电路及供电电压电路。充放电管理电路主要是对充放电进行管理、对电池进行保护，供电电压电路主要是提供给系统所需的各个电压。

本发明可通过电池供电，本发明以锂电池为整个系统提供电源；锂电池充放电管理电路采用ETA9741芯片，ETA9741芯片是对锂电池的充放电进行管理同时输出+5V电压；主要负责识别系统供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。电池保护电路是采用XB4908芯片，此系列芯片具有电池应用中所需的所有保护功能，包括过充电、过电流、过放电和负载短路保护等。

ADP5071芯片是将ETA9741产生的+5V电压，此时生成的+5V电压品质不好，直接应用误差大，所以需要先转化为+-6V的两个电压输出；第一个ADP7142芯片是将+6V降为+5V；第二个ADP7142是将+5V将为+3V；ADP7182是将-6V降为-3V；REF2030芯片产生基准电压+5V。

供电电压电路主要包括电桥激励电压、PGIA供电电压和基准电压。电桥激励电压(+5V)主要是用来给电桥电路供；PGIA供电电压(+-3V)主要是用来给可编程增益仪表放大器进行双电源供电；基准电压(+1.5V)主要是用来将待采集的负电压信号进行抬升，以便满足进入ADC的电压范围(0-3V)。电桥激励电压和PGIA双电源供电电压分别由ADP7182以及ADP7142的不同版本得到，基准电压通过REF2030芯片得到。电源电路示意图如图3所示。

存储模块，用于存储应变测量数据，并将剩余容量传输至显示模块；该存储模块采用SD卡，也可以采用存储器，这里以SD卡为例进行介绍。

显示模块用于显示一些必要的信息，如应变值、桥路连接方式、SD卡剩余容量等，来让工作人员清楚的知道系统的工作状态；SD卡用于系统的数据存储，以便工作人员后续的查看。

显示模块可采用LCD显示屏、液晶显示屏等，本实施例以LCD显示屏为例进行介绍。

实施例2

本专利涉及的微小型桥路可调式动态微应变测量系统的硬件部分总体设计如图4所示。其中，显示模块采用LCD显示屏，存储模块采用SD卡。

应变片采用标准的120欧应变片，用来进行对结构振动动态应变的测量。惠斯通电桥电路通过调整拨码开关可在单臂、半桥、全桥当中自由切换。

信号调理电路主要是将电桥电路输出的微弱电压信号进行放大、滤波并将电压抬升至符合模数转换器(简称ADC)输入的信号范围。

MCU主要是控制ADC、LCD、SD卡等外设并进行应变值的运算处理。

系统上电后，由MCU进行设备初始化，包括外设初始化、时钟初始化等。然后选择电桥桥路方式并进行应变调零，调零后进入应变采集模式。STM32根据采样频率、采样间隔和采样时间控制ADC进行数据采集。当数据采集完成后，由DMA直接进行数据传输，MCU对采集到的电压数据进行处理计算，最后将应变测量结果在LCD显示屏上显示，同时将应变测量数据储存到SD卡中。

本系统的操作部分集中在系统的侧面，只需要操作拨码开关及按键即可。

拨码开关的1、2号开关是通道一的桥路设置开关，3、4号开关是通道二的桥路设置开关，5号开关是电源开关。当选择单臂测量方式时，1、2、3、4开关都需要打开；当选择半桥测量方式时，打开2、3开关，关闭1、4开关；当选择全桥测量方式时，1、2、3、4开关都关闭即可。

调零按钮有两个功能，一是短按，选择单臂、半桥、全桥测量方式；二是长按，进行应变调零。

本系统的操作流程：当系统上电并预热后，将应变片以对应的连接方式通过接线端子连接到系统接口上。然后通过拨码开关按照既定的方法设定好硬件的电桥测量电路，同时需要通过按钮将系统的测量方式切换到相应的桥路方式。当准备开始测量时，首先需要长按调零按钮进行应变调零。调零完成后，系统即进入正常工作模式。在测量过程中，可在LCD显示屏查看时间、应变值、SD卡剩余容量等相关信息，可在SD卡中查看历史测量数据。

实施例3

利用本发明的微小型桥路可调式动态微应变测量系统测量悬臂梁弯曲时的应变。

在室温下，首先将应变片粘贴在振动试验台的悬臂梁上，再把应变片连接到系统接口上。当设备初始化完成并进行应变调零后，开始测量悬臂梁的应变。在悬臂梁的自由端施加集中载荷，使其弯曲至指定位置，记录该系统与标准应变测试仪所测数据。

分别使用单臂、半桥、全桥三种桥路连接方式，按照上述测量方法分别将悬臂梁的自由端弯曲至三个不同位置，测量结果如表1所示。

表1实测数据结果

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种微小型桥路可调式动态应变测量系统，其特征在于，包括：MCU控制模块、电桥电路、信号调理电路、模数转换器、显示模块、存储模块和电源电路；

所述电桥电路，用于切换桥路连接方式，由切换的桥路将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将所述应变片阻值的变化量转换为电信号传输至信号调理电路，并将桥路连接方式传输至显示模块；

所述信号调理电路，用于将所述电信号处理，并将处理后的电信号传输至所述模数转换器；

所述模数转换器，用于将所述处理后的信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述MCU控制模块；

所述MCU控制模块，用于对所述数字信号进行处理后传输至显示模块和存储模块；

所述存储模块，用于存储应变测量数据，并将剩余容量传输至显示模块；

所述显示模块，用于显示接收到的数据；

所述电源电路，用于为所述电桥电路模块、MCU控制模块、显示模块和所述信号调理电路供电。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MCU控制模块包括：主控芯片和最小系统外围电路；

所述主控芯片，用于生成控制信号和对中断信号进行实时处理；

所述最小系统外围电路，用于为系统提供统一的时钟节拍，并在满足设定的重启条件时将系统恢复到起始状态。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述最小系统外围电路包括时钟电路、复位电路和中断控制电路；

所述时钟电路，用于为系统提供统一的时钟节拍；

所述复位电路，用于在必要的时候使系统恢复到起始状态；

所述中断控制电路，用于实时处理各个中断信号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电桥电路包括两个拨码开关、三个电阻和惠斯通电桥；

所述三个电阻中的两个电阻串联后接入所述惠斯通电桥的第1引脚和第2引脚之间；

所述两个拨码开关中一个拨码开关一端连接于所述两个电阻之间，另一端连接于所述惠斯通电桥的第4引脚；

所述三个电阻中的第三个电阻串联另一个拨码开关后接入所述惠斯通电桥的第1引脚和第3引脚之间；

所述惠斯通电桥的第1引脚接入电源正极，所述惠斯通电桥的第2引脚接入电源负极。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电桥电路还包括电容；

所述电容一端与所述惠斯通电桥的第1引脚连接，另一端接地。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的放大电路、滤波电路、钳位电路；

所述放大电路，用于将电桥输出的电压信号进行放大；

所述滤波电路，用于对所述放大电路放大后的电压信号进行滤波；

所述钳位电路，用于将所述滤波电路滤波后的电压信号限制在设定的电压范围内。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电源电路包括充放电管理电路和供电电压电路；

所述充放电管理电路，用于识别系统供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出；

所述供电电压电路，用于为电桥电路、信号调理电路、MCU控制模块、显示模块供电。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述供电电压电路包括：电桥激励电压、PGIA供电电压和基准电压；

所述电桥激励电压，用于为电桥电路模块供电；

所述PGIA供电电压，用于为所述放大电路供电；

所述基准电压，用于将待采集的负电压信号进行抬升，使信号进入模数转换器电压范围内。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统采用双层电路板；

所述MCU控制模块和显示模块位于其中一块电路板上，所述电桥电路、信号调理电路、电源电路位于另一块电路板上。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示模块包括LCD显示屏或液晶显示屏。

Images