CN204214388U - 一种振弦式应变计无线节点装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振弦式应变计无线节点装置，包括微处理器、无线传输模块、振弦式传感器、激振电路、信号采集电路、第一二极管、第二二极管以及工作电源；第一二极管负极端和第二二极管负极端均与振弦式传感器电连接；微处理器输出脉冲信号至激振电路；激振电路与第一二极管正极端电连接，通过第一二极管输出激励信号至振弦式传感器；信号采集电路与第二二极管正极端电连接，通过第二二极管输入来自振弦式传感器的应变信号，处理后输出信号至微处理器；微处理器输出应变信号至无线传输模块；工作电源向微处理器、无线传输模块以及振弦式传感器供电。本实用新型能够具有极高的测量精度和抗干扰能力，并且成本低，功耗小。

Description

一种振弦式应变计无线节点装置

技术领域

本实用新型涉及无线节点装置，特别是一种振弦式应变计无线节点装置。

背景技术

目前，桥梁、建筑物、飞机、船舶、车辆、起重机械等大型结构，需要进行静力测试、疲劳测试以及载荷实验，需要上千个测点同时进行试验。采用有线方式进行应变计等传感器布置时，不仅布线繁琐，且测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗大量的人力和物力，同时长电缆传输传感器信号会产生噪声干扰，影响测量精度。

实用新型内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种振弦式应变计无线节点装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种振弦式应变计无线节点装置，包括微处理器、无线传输模块、振弦式传感器、激振电路、信号采集电路、第一二极管、第二二极管以及工作电源；所述第一二极管负极端和所述第二二极管负极端均与所述振弦式传感器电连接；所述微处理器输出脉冲信号至所述激振电路；所述激振电路与所述第一二极管正极端电连接，通过所述第一二极管输出激励信号至所述振弦式传感器；所述信号采集电路与所述第二二极管正极端电连接，通过所述第二二极管输入来自所述振弦式传感器的应变信号，处理后输出信号至所述微处理器；所述微处理器输出应变信号至所述无线传输模块；所述工作电源向所述微处理器、所述无线传输模块以及所述振弦式传感器供电。

本实用新型还可以采用如下技术方案：

所述激振电路包括升压电路和驱动电路，所述升压电路向驱动电路提供电压，所述驱动电路接收来自所述微处理器的信号并进行功率放大，输出激励信号至所述振弦式传感器，对所述振弦式传感器进行激振。

所述信号采集电路包括依次连接的滤波电路、多级放大电路、半波整流电路以及施密特整形电路。

所述施密特整形电路包括CD4093四输入端施密特触发器。

所述滤波电路包括有源LC谐振放大器电路。

所述有源LC谐振放大器电路包括LM324四路运算放大器。

所述无线传输模块包括天线、两个晶振电路和一个复位电路。

所述微处理器为STM8S系列微处理器，所述STM8S系列微处理器的Sensor_CON端输出可变频率脉冲信号至所述激振电路。

所述工作电源包括锂电池和CAT6219电源模块。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型可安装于码头结构的面板、横纵梁和基桩处，通过多个节点的无线组网技术，对码头的结构进行全面的监测。无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构试验。本实用新型使用简单方便，极大地节约了测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，并且成本低，功耗小。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的微处理器电路结构图；

图3是本实用新型的无线传输模块电路结构图；

图4是本实用新型的有源LC谐振放大电路结构图；

图5是本实用新型的放大电路结构图；

图6是本实用新型的工作电源电路结构图。

图1中：D1、第一二极管；D2、第二二极管；R、滤波电阻；C、滤波电容。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图6，一种振弦式应变计无线节点装置，包括微处理器、无线传输模块、振弦式传感器、激振电路、信号采集电路、第一二极管D1、第二二极管D2以及工作电源；所述第一二极管D1负极端和所述第二二极管D2负极端均与所述振弦式传感器电连接；所述微处理器输出脉冲信号至所述激振电路；所述激振电路与所述第一二极管D1正极端电连接，通过所述第一二极管D1输出激励信号至所述振弦式传感器；所述信号采集电路与所述第二二极管D2正极端电连接，通过所述第二二极管D2输入来自所述振弦式传感器的应变信号，处理后输出信号至所述微处理器；所述微处理器输出应变信号至所述无 线传输模块；所述工作电源向所述微处理器、所述无线传输模块以及所述振弦式传感器供电。所述激振电路输出激励信号对所述振弦式传感器进行激振。

进一步地，所述激振电路可包括升压电路和驱动电路，所述升压电路向驱动电路提供电压，所述驱动电路接收来自所述微处理器的信号并进行功率放大，输出激励信号至所述振弦式传感器，对所述振弦式传感器进行激振。

进一步地，所述信号采集电路可包括依次连接的滤波电路、放大电路、半波整流电路以及施密特整形电路。所述滤波电路可包括有源LC谐振放大器电路。所述有源LC谐振放大器电路可包括LM324四路运算放大器。所述施密特整形电路可包括CD4093四输入端施密特触发器。其中滤波电路中可设有滤波电阻R和滤波电容C，对输入信号进行滤波。

进一步地，所述无线传输模块可包括天线、两个晶振电路和一个复位电路。

进一步地，所述微处理器可为STM8S系列微处理器，所述STM8S系列微处理器的Sensor_CON端输出可变频率脉冲信号至所述激振电路。

进一步地，所述工作电源可包括锂电池和CAT6219电源模块。

本实用新型的工作原理：

在本实用新型中，主要存在两个数据周期，第一个数据周期是微处理器发出信号，采用低压扫频激振方法，通过激振电路使得振弦式传感器起振，激振电路是将处理器产生的一路脉冲信号进行功率放大，向传感器提供激励信号，使传感器产生振动，产生感应电动势，输出共振频率信号。第二个数据周期是微处理器暂停发出激振信号，开始拾取传感器信号，信号采集电路通过传感器接口拾取共振频率信号，即感应电动势，经过有源LC谐振放大器，多级放大电路，半波整流，施密特整形，最后将处理过的信号送入微处理器，微处理器测量出共振频率数值，并将数值信息传输给无线模块，无线模块通过zigbee网络将数据传给上级节点。图1中的两个具有单向导通特性的二极管有效的隔离了两个数据周期内的信号。

请参见图2，本实用新型的微处理器主要用于激励传感器工作、采集传感器信号，并将提取的传感器信号传输到无线模块，本实用新型可选用ST公司的STM8S103F3微处理器。其结构与外围电路如图2所示。微处理器的外围电路有复位电路、晶振电路、和电源电路，在实用新型中，按下S1，微处理器的RESET端产生低电平，微处理器复位，晶振电路采用的是32.768K的无源晶振，微处理器的Sensor_CON作为传感器激发振弦式应变计工作的端口，该端口向激振电路发出信号，促使激振电路激励振弦式传感器工作， 振弦震动产生感应信号，感应信号被一系列信号处理电路经过滤波、放大等处理形成传感器信号，传感器信号从Sensor_IN端输入到微处理器，微处理器对频率信号进行识别并获取频率参数，通过内部程序的计算得到振弦式应变计的变化量，从而得出应变参数。

请参见图3，无线传感器模块主要用于接收来自STM8S处理器的信息，并向上级节点传送，本实用新型可选用TI公司的CC2530无线模块，CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530工作的最小系统包含一个天线的外接电路，两个外接晶振电路和一个复位电路。在无线传输模块中，有JLINK调试接口P0，为方便与STM8单片机进行通讯，设计了P1扩展接口，可直接与STM8单片机连接，在扩展接口中P0_2和P0_3分别与STM8模块中的Sensor_RXD和Sensor_TXD连接进行传感器数据的通信，并对相关通讯端口进行了上拉或者下拉，按下S1键可进行模块的复位，本设计中预留了S2和S3两个按键作为扩展功能的按钮，方便后续开发。

请参见图4，传感器信号首先经过有源LC谐振放大电路，该电路主要是用来滤除其他干扰频率，在正常工作中,振弦式传感器的输出频率在500～6000Hz之间，所以工频及其谐波是主要干扰源。另外，振弦震动在电磁圈中产生的感应电压被直接传输，信号微弱、各种噪声影响十分严重，若采用一般的带通滤波来消除各种干扰影响，不仅电路复杂，而且效果不太理想。由于有效信号频带较窄，这里采用了有源LC谐振放大器。即只允许中心频率及其一定范围内的频率信号通过。有源谐振放大电路采用LM324芯片，LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入，在单电源应用中，它与标准的运算放大器类型相比具有明显的优势，该四路放大器可工作于3.0V至32V的电源电压，每个封装有4个放大器，非常符合无线传感器节点的设计。

请参见图5，振弦式传感器的输出信号非常的微弱，甚至小于1mV，因此必须对传感器的输出信号进行放大，经过有源LC谐振放大电路处理过的信号滤除了其他干扰信号，但几乎没有对信号进行放大，而最终的信号需要被微处理器探测到，因此，到达微处理器的信号必须接近5v，需要放大，图5所示为反向交流放大器，放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av＝-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av＝-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然 后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。

半波整流电路是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、圆下半周的整流方法，作用是将交流电转换为直流电，也就是整流。半波整流电路，利用二极管的单向导电性，将大小和方向都随时间变化的工频交流信号变换为单方向的脉动直流电的过程叫为整流。对传感器的输出信号进行半波整流是为了让处理器能更好的识别频率信号，以便获取振弦式传感器的应变参数。

施密特整形电路由施密特触发器组成，施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化(低于某一阈值)而引起的输出电压的改变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。CD4093是由四个输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的两输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。

为了测量出振弦式传感器的固有频率，就必须通过激振电路来激发内部刚弦的振动，本设计中使用扫频技术对振弦式传感器进行激振，所谓扫频激振技术就是以一连串连续变化的频率信号作为扫频输出，从而激发振弦式传感器的电磁线圈，当扫频信号的可靠输出频率和振弦的固有频率接近时，振弦能迅速达到可靠共振状态。本实用新型采用了复式低压扫频激振法，低压扫频激励，即根据传感器的固有频率选择合适的频率段，对传感器施加5V的频率可变的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和刚弦的固有频率相近时，刚弦能快速达到共振状态、其原理是先对传感器进行初次低压扫频，再以此次传感器输出的谐振频率为标准设置复扫频率的频率输出范围。复扫频率阶段采用了接近共振频率的信号对振弦式传感器进行再次激励，这种方法与传统的低压扫频方法相比，具有更好的激振效果，同时提高了工作效率，缩短了起振时间。在本实用新型中，扫频信号是由STM8微处理器的Sensor_CON端输出的，是一系列可变频率的，幅值为5V的脉冲。

请参见图6，本实用新型共需要两类电源，5V直流供电和3.3V直流供电，为简化系统，该系统中供电模块采用5V锂电池供电，采用CAT6219模块将5V直流电转换为直流 3.3V为微处理器等供电，即用5V电源通过芯片的电压转换提供3.3V电源，不需要附加其他供电设备。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，包括微处理器、无线传输模块、振弦式传感器、激振电路、信号采集电路、第一二极管、第二二极管以及工作电源；所述第一二极管负极端和所述第二二极管负极端均与所述振弦式传感器电连接；所述微处理器输出脉冲信号至所述激振电路；所述激振电路与所述第一二极管正极端电连接，通过所述第一二极管输出激励信号至所述振弦式传感器；所述信号采集电路与所述第二二极管正极端电连接，通过所述第二二极管输入来自所述振弦式传感器的应变信号，处理后输出信号至所述微处理器；所述微处理器输出应变信号至所述无线传输模块；所述工作电源向所述微处理器、所述无线传输模块以及所述振弦式传感器供电。

2.根据权利要求1所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述激振电路包括升压电路和驱动电路，所述升压电路向驱动电路提供电压，所述驱动电路接收来自所述微处理器的信号并进行功率放大，输出激励信号至所述振弦式传感器，对所述振弦式传感器进行激振。

3.根据权利要求1所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述信号采集电路包括依次连接的滤波电路、多级放大电路、半波整流电路以及施密特整形电路。

4.根据权利要求3所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述施密特整形电路包括CD4093四输入端施密特触发器。

5.根据权利要求3所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述滤波电路包括有源LC谐振放大器电路。

6.根据权利要求5所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述有源LC谐振放大器电路包括LM324四路运算放大器。

7.根据权利要求1所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述无线传输模块包括天线、两个晶振电路和一个复位电路。

8.根据权利要求1所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述微处理器为STM8S系列微处理器，所述STM8S系列微处理器的Sensor_CON端输出可变频率脉冲信号至所述激振电路。

9.根据权利要求1所述的振弦式应变计无线节点装置，其特征在于，所述工作电源包括锂电池和CAT6219电源模块。