CN204128682U - 可自校准的组网式无线振动测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种可自校准的组网式无线振动测试仪，包括振动传感模块、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块，所述的振动传感模块由振动传感器和信号调理适配器构成，振动信号通过振动传感器经过信号调理适配器进入采集存储模块，采集模块由AD转换器和FLASH存储器构成，信号调理适配器将信号传送入AD转换器中，并经过微处理器模块的处理进入到FLASH存储器中，微处理器模块再通过自动校准模块与振动传感器相连接，无线组网模块完成多台测试仪之间的无线通信组网和GPS/BDS同步与定位。本实用新型测试仪高度集成，布设维护方便，能完成无线大范围组网，稳定可靠，具备同步测试及定位功能，适合于文物保护、桥梁健康监测等应用环境。

Description

可自校准的组网式无线振动测试仪

技术领域

本实用新型属于振动量测技术领域，特别是涉及一种可自校准的组网式无线振动测试仪。 

背景技术

随着工业经济的发展和人类活动的频繁，以及人们对文化遗产保护意识的加强，在世界文化遗产地内部及其周边的游客参观、交通运输、工程建设施工等活动所产生振动对古遗址、古建筑、古文物的影响受到文物保护部门的重视，由于这种持久性的微幅振动是长期存在并反复发生的，古遗址、古建筑、古文物受到长期累积影响后将引起疲劳效应而出现裂缝或者变形，所以世界文化遗产所能承受的振动量值非常有限，为了保护世界文化遗产，有必要在世界文化遗产地进行振动环境的监测，以便达到及时预警、提前保护的目的，由于大部分的世界文化遗产地面积较大，给全区域长期的微幅振动环境监测带来了不便，同时，为了能够保持世界文化遗产的原貌，对振动环境的监测也提出了尽量避免监测设备的安装、传输线缆的埋设、设施的后期维护等苛刻要求。 

目前针对长期的、大范围的、多测点的微幅振动环境实时监测，一般采用有线组网方式，测试前端均使用分离式的传感器、放大器、数据采集仪和组网设备来完成测试任务，需要前期铺设线缆、调试安装多台复杂设备，线缆的铺设不仅会破坏世界文化遗产的原貌，也会对原本微弱的振动信号产生干扰和噪声，已有的基于ZIGBEE无线传感技术和无线数传模块的测试设备由于传输速率低、组网范围有限、无法同步测试等限制，仅在可休眠工作的低采样率、较少测点等测试场合使用，无法满足长期的、大范围的、多测点的监测需求，同时已有的技术在长期监测中还需要定期将设备拆卸回实验室进行传感器及测试设备的校准以保证测试精度，这样不仅会大大增加工作量，影响工作效率，还会出现监测的时间空隙，所以已有的技术并不能满足世界文化遗产地微振动环境的监测需求。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可自校准的组网式无线振动测试仪，该测试仪集成振动传感、数据采集、无线组网和远程自动校准于一体，安装布设方便、适合大范围高速率组网，能够满足世界文化遗产地微振动环境的监测需求和建筑物、桥梁、工业厂房等的振动安全评估需求。 

本实用新型的一种可自校准的组网式无线振动测试仪，包括机箱，在机箱内设置有振动传感模块、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块，所述的振动传感模块由振动传感器和信号调理适配器构成，振动信号通过振动传感器经过信号调理适配器进入采集存储模块，采集模块由AD转换器和FLASH存储器构成，信号调理适配器将信号传送入AD转换器中，并经过微处理模块的处理进入到FLASH存储器中，微处理模块通过自动校准模块与振动传感器相连接，无线组网模块完成多台测试仪之间的无线通信组网和GPS/BDS同步与定位，无线振动测试仪的各个模块均由供电模块提供能源。 

所述的微处理模块为单片机或FPGA处理器。完成AD、FLASH、无线WIFI、GPS/BDS接收机、DA、调理电路增益等具体电路模块的驱动适配，根据测控需要通过处理器上烧录的固件程序完成测试过程的核心控制。 

所述的无线组网模块包括WIFI设备和同步定位装置，WIFI设备采用以太网芯片W5300和以太网转WIFI芯片WizFi630内部集成，同步定位装置为UM220模块内部集成GPS和BDS双模接收机，WIFI设备和同步定位装置分别与微处理模块相连接。 

所述的自校准模块包括DA转换器和校准线圈构成，可无线远程接收校准命令，DA转换器与微处理模块和传感器的校准线圈相连接，共同完成传感器的远程自动校准。 

所述的供电模块由AC220V和可充电高能锂电池构成。 

所述的信号调理适配器、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块集成设计于同一块电路板上，将该电路板与三个振动传感器共同组装至机箱内。 

所述的振动传感器最大灵敏度为13Vs/m，在该灵敏度下的通频带为1Hz～200Hz。 

本实用新型的有益效果是：提供一种可远程自校准的组网式无线振动测试仪，测试仪高度集成，布设维护方便，无需有线连接，动态范围大，可测试微弱振动信号，采样速率高，可实时监测，能完成无线大范围组网，稳定可靠，具备同步测试及定位功能，克服了有线式、无线ZIGBEE式等测试手段在长期的、大范围的、多测点的振动环境实时监测中的局限性，此外，通过信号调理适配电路的放大倍数切换和传感器量程档位选择，可以拓展振动量测参数的测试范围，使得该实用新型也可以监测城市轨道交通、爆破拆除等引起的振动对周边建筑物的影响，监测车辆运输引起的振动对桥梁的影响，以及工业设备运行引起的振动对工业厂房的影响，从而为建筑物、桥梁、工业厂房等的振动安全评估提供技术支持。 

附图说明

图1为本实用新型的模块结构组成示意图。 

图中：1、振动传感器；2、信号调理适配器；3、AD转换器；4、FLASH存储器；5、校准线圈；6、DA转换器；7、微处理器；8、WIFI设备；9、同步定位装置；10、供电模块。 

图2为本实用新型设计的电路原理示意图。 

图3为本实用新型的典型应用信号流向图。 

具体实施方式

结合附图，说明本实用新型的具体实施实例。 

如附图1所示：本实用新型的一种可远程自校准的组网式无线振动测试仪，包括机箱，在机箱内设置有振动传感模块、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块10，所述的振动传感模块由振动传感器1和信号调理适配器2构成，振动信号通过振动传感器1经过信号调理适配器2进入采集存储模块，采集模块由AD转换器3和FLASH存储器4构成，信号调理适配器2将信号传送入AD转换器3中，并经过微处理模块的处理进入到FLASH存储器4中，微处理模块通过自动校准模块与振动传感器1相连接，无线组网模块完成多台测试仪之间的无线通信组网和GPS/BDS同步与定位，无线振动测试所述的振动传感模块和采集存储模块通过高精度振动传感器、信号调理适配电路和AD采样电路的优化设计，可测振动信号的最小速度为8×10-9m/s，不同量程档可远程自动仪的各个模块均由供电模块10提提供能源。 

所述的振动传感模块和采集存储模块通过高精度振动传感器、信号调理适配电路和AD采样电路的优化设计，可测振动信号的最小速度为8×10-9m/s，不同量程档可远程自动切换，适合从极其微弱振动到较强振动的各种测试场合。 

所述的微处理模块为单片机处理器或FPGA处理器。 

所述的无线组网模块包括WIFI设备8和同步定位装置9，WIFI设备8采用以太网芯片W5300和以太网转WIFI芯片WizFi630内部集成，同步定位装置9为UM220模块内部集成GPS和BDS双模接收机，WIFI设备8和同步定位装置9分别与微处理模块相连接。 

所述的自校准模块包括DA转换器6和校准线圈5构成，可无线远程接收校准命令，DA转换器6与微处理模块和振动传感器1的校准线圈相5连接，共同完成传感器的远程自动校准。 

所述的供电模块由AC220V和可充电高能锂电池构成。 

所述的信号调理适配器2、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块10集成设计于同一块电路板上，将该电路板与三个振动传感器1共同组装至机箱内。所述的机箱为圆筒形机箱，底部设置三个可调节支腿，顶部设置水泡，不但能够与地面良好接触，还可以调整水平。 

所述的振动传感器1最大灵敏度为13Vs/m，在该灵敏度下的通频带为1Hz～200Hz。 

所述的信号调理适配器2由四级低噪声运算放大器级联组成，实现阻抗变换、低噪声放大、硬件积分、高陡度贝塞尔滤波具体电路，电路放大倍数可远程通过继电器切换调整，放大倍数可设置1、10、100、500、2000、5000等多个档位，与振动传感器配1合后最高分辨率达到8×10^-9m/s。 

所述的AD转换器3采用八通道输入、16位、同步采样的AD芯片AD7606，工作于±5V输入模式，三个通道与信号适配调理电路连接，三个通道与校准输入信号连接，完成振动信号的数字化。 

所述的FLASH存储器4采用MT29F4G16ABADAWP芯片，最大容量4Gbit，写FLASH芯片速率大于A/D转换器采样的速率。 

本实用新型公布的一种可远程自校准的组网式无线振动测试仪，在使用时外部振动信号经过振动传感器1后转换为模拟电信号，通过短屏蔽线直接与信号调理适配器2相连接，三个振动传感器1使用三通道调理适配电路，该电路通过四级低噪声运算放大器实现，一方面可实现传感器输出信号向适合AD采样信号的转换，另一方面可根据振动传感器1灵敏度和需要的振动范围实现特定倍数的信号放大。经过信号调理适配器2后进入AD转换器3，完成模拟信号向数字信号的转换，使用的AD7606芯片最小分辨率为152μV，采用串行采样模式以减小AD7606芯片与微处理器7之间的数据线宽度，由于前端振动传感器1频响为200Hz，根据Nyquist定律微处理器控制AD7606的采样率为2kSPS。微处理器7是测试仪的底层控制核心，完成测控服务器（上位机）的命令解析、控制AD工作休眠过程、根据量程设置不同的适配电路放大倍数、在交流电断电或者无线网络故障时启动FLASH存储、控制以太网和WIFI芯片保证控制命令和数据的可靠交互、监测GPS/BDS芯片的1PPS信号和导航信息以获得多台设备的时钟同步和定位信息、需要校准时控制DA产生扫频信号并切换AD采样通道，是测试仪的核心“大脑”，由于受时钟频率的影响，需要高同步精度时使用FPGA处理器（Altera公司的EP4CE40F720），需要一般同步精度时使用单片机处理器（ATMEGA公司的ATMEGA2560）。当需要校准时采用AD5300芯片构成的DA转换器6产生相应的扫频信号，由于校准需要双极性信号而该DA为单极性输出，故加上一级电平变换电路。该电路板采用AC220V和锂电池供电，在板上针对不同芯片需要进行电源变换，正常工作时使用AC220V供电，断电时智能切换锂电池供电并启动FLASH存储，保证了测试数据的可靠性。由于本实用新型进行振动监测采样率高，单位时间产生的数据量大，同时有多台测试仪组网需求，使用无线WIFI设备8作为无线通信组网方案，一方面WIFI通信目前应用十分广泛，基础设施简单，另一方面WIFI通信在固定区域的组网及高速数据传输明显优于其他的无线通信方式，采用的以太网芯片W5300和以太网转WIFI芯片WizFi630内部集成实现了以太网协议和WIFI协议的物理层和基本协议栈，仅需要微处理器进行寄存器操作即可完成WIFI组网通信，简单可靠，在大范围组网时，必须保证测试仪的同步采样，才能为进行振动信号分析、模态识别提供同步的采集信号，同步定位装置9采用的UM220模块内部集成GPS和BDS双模接收机，通过本地时钟经过锁相环产生的多相高频时钟及同步算法的实现，可以保证不同测试仪的同步精度优于100ns，同时UM220模块每一秒钟更新一次导航解，微处理器处理后直接发送给振动监测服务器，可以获取测试仪器的位置信息，在大范围测试中与地理信息系统融合。 

所述的电路集成后采用六层板设计，经过芯片小封装选型和电路优化布线，图2实线框内所有功能模块集成于同一块电路板上。 

在振动测试或监测时，仅需将测试仪加电后放置于关心的测试位置，利用机箱进行调平处理，保证测试位置有无线WIFI信号覆盖即可。本实用新型的典型应用时的信号流向如图3所示，可自校准的组网式无线振动测试仪将振动信号转换为无线数字信号，通过支持WIFI协议的无线AP或中继将数字信号传输至振动监测的测控中心，该中心的服务器上运行测控软件完成振动数据分析及处理，同时也可提供给远程用户，当振动值达到预警值时可以通过移动通信方式通知管理人员。 

Claims (6)

1.一种可自校准的组网式无线振动测试仪，包括机箱，在机箱内设置有振动传感模块、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块，其特征在于：所述的振动传感模块由振动传感器和信号调理适配器构成，振动信号通过振动传感器经过信号调理适配器进入采集存储模块，采集模块由A/D转换器和FLASH存储器构成，信号调理适配器将信号传送入A/D转换器中，并经过微处理模块的处理进入到FLASH存储器中，微处理模块通过自动校准模块与振动传感器相连接，无线组网模块完成多台测试仪之间的无线通信组网和GPS/BDS同步与定位，无线振动测试仪的各个模块均由供电模块提供能源。

2.根据权利要求1所述的可自校准的组网式无线振动测试仪，其特征在于，所述的振动传感模块和采集存储模块通过高精度振动传感器、信号调理适配电路和AD采样电路的优化设计，可测振动信号的最小速度为8×10^-9m/s，不同量程档可远程自动切换，适合从极其微弱振动到较强振动的各种测试场合。

3.根据权利要求1所述的可自校准的组网式无线振动测试仪，其特征在于：所述的无线组网模块包括WIFI设备和同步定位装置，WIFI设备采用以太网芯片W5300和以太网转WIFI芯片WizFi630内部集成，同步定位装置为UM220模块，内部集成GPS和BDS双模接收机，WIFI设备和同步定位装置分别与微处理模块相连接。

4.根据权利要求1所述的可自校准的组网式无线振动测试仪，其特征在于：所述的自校准模块包括DA电路转化器和校准线圈构成，可无线远程接收校准命令，DA转换器与微处理模块和传感器的校准线圈相连接，共同完成传感器的远程自动校准。

5.根据权利要求1所述的可自校准的组网式无线振动测试仪，其特征在于：所述的信号调理适配器、采集存储模块、微处理器模块、无线组网模块、自校准模块和供电模块集成设计于同一块电路板上，将该电路板与三个振动传感器共同组装至机箱内。

6.根据权利要求1或5所述的可自校准的组网式无线振动测试仪，其特征在于：所述的机箱为圆筒形机箱，底部设置三个可调节支腿，顶部设置水泡。