CN204790408U - 基于振弦式传感器的多路数据采集器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于振弦式传感器的多路数据采集器，适用于土木结构体安全监测领域的连续数据采集，包括32通道选择开关电路、激振电路、拾振电路、电源管理电路和处理器，还包括存取和显示电路。微处理器产生并发送特定频率的PWM信号去激振振弦式传感器，采集模块采样拾振电路的输出频率值并传递给微处理器，微处理器经过处理所采集到的信息并显示，同时将采集到的信息通过RS485传递到上位机。本实用新型使用低压扫频激振方式，采集器只需要3-5次扫频就能够读出传感器的本征频率值，提高了振弦式数据采集器的效率，本实施例中设有防雷保护电路、内置温度传感电路、电阻型温度传感器和电源电压告警电路，采集数据准确，运行安全、稳定。

Description

基于振弦式传感器的多路数据采集器

技术领域

本实用新型涉及一种可拓展的基于振弦式传感器的多路数据采集器，属于土木结构安全监测技术领域。

背景技术

土木结构体的安全监测，是保证从施工阶段到工程竣工乃至整个使用寿命周期内的结构体的安全性和可靠性。振弦式传感器在结构体的长期安全与监测中得到广泛的应用。

现有的大型结构体都装有振弦式传感器，以保证结构体的安全。为了监测和预防结构体的变形，主要通过应变读数仪或手持读数仪来测量结构体的应变值，但存在以下不足之处：

1.一个装置只有一个传感器接口，只能对一个观测点进行数据测量；而在某些工业现场需要都多点（几十点甚至上百点）进行数据测量，就需要采用多个装置进行单独测量，多个装置彼此独立；测量结果不能保存，也不能连续测量，尚未能反映该结构体在某一周期内的变化趋势。

2.现有的装置大多采用单向通信，仅具有采集数据的通信方式，无法在使用中调节采集数据的频率；不具有电源管理功能，不利于连续测量和降低功耗，不利于提高采集器的使用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，能够更方便、节能地对结构体进行长期的、连续的安全监测，提供一种基于振弦式传感器的多路数据采集器。

按照本实用新型的一种基于振弦式传感器的多路数据采集器，包括上位机终端、RS485通信协议及接口、多路数据采集单元、交直流供电电路、振弦式传感器。

所述多路数据采集单元包括MCU（微处理器）及其外围电路、电源转化电路及稳压电路、声光告警电路、激振电路、拾振电路（信号调理电路及整形电路）、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、LED显示电路、32通道选择开关及传感器接口电路。

所述传感器接口电路通过带屏蔽的四芯电缆与振弦传感器相连接，分别向传感器进行激振、拾振、提供激励电流信号和获取电阻式温度传感器输出的电压信号。

所述激振电路将MCU输出的PWM信号，经由32通道选择开关、传感器接口电路向传感器提供（500Hz~6kHz，幅值为+5V）激励信号。

所述拾振电路（信号调理电路及整形电路）通过传感器接口电路、32通道选择开关获取传感器的共振频率信号（刚弦受到应力后引起共振），经过带通滤波、信号放大和整形，并将处理后的方波信号送入MCU。

所述恒流源激励电路通过传感器接口电路、32通道选择开关在MCU的控制下向温度传感器提供激励电流。实际使用时，可根据温度传感器中负载电阻的阻值不同调节激励电流的大小。

所述温度信号采集电路通过传感器接口电路、32通道选择开关获取传感器输出的表征传感器所处位置温度的电压信号，并对该信号进行放大滤波处理，再由模数转换后，送到微处理器处理进而得到各个传感器的温度值。

所述数据存储电路为铁氧体存储体，通过数据总部和地址总线与处理器相连接，用于存储处理器接收的数据和未传输完成的数据。

所述交直流供电电路包括外接交流电的电源模块、9V电池及供电电路、电池电量检测电路、充电控制电路、电源切换电路及电源转换与稳压电路；由微处理器控制电池的充停电状态和交直流切换，保证电源的正常供电，实现采集数据的完整性与准确性，同时完成连续测量和多点测量。

所述告警电路包含测量故障报警、电量低告警电路。电量检测电路定时检测电池的电量，获取电池电量信号，经A/D转化后送入MCU经行处理，将检测结果通过RS485总线接口电路送至上位机，由上位机实时显示采集器的供电电压与电量信息。并经检测结果与预置的数据进行比对，如果电量充足，则切断充电控制电路；如电量低且有外接电源，则自行对电池充电；如果电量低且无外接电源，则发出声光告警信息，同时将数据保存到数据存储体中，MCU自身进入休眠模式。

所述每个数据采集单元均有RS485接口电路，处理器通过RS485总线接口电路与外部的RS485总线通信或级联。

所述上位机为带有RS485总线通信接口的微机。

综上所述，本实用新型具有结构简单，成本低廉，应用方便；还可通过RS485级联扩展，同时对几十个甚至上百个点进行连续监测并统一控制；不使用时，可让采集器进入休眠模式，进而减小功耗。

附图说明

图1为多路数据采集器的采集模块结构示意图。

图2为多路数据采集器的电源结构示意图。

图3为采集器的电源管理软件流程图。

图4为采集器扫频子程序流程图。

图5为采集器频率测量程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实施例中的一种基于振弦式传感器的多路数据采集器，包括上位机终端、RS485通信协议及接口、多路数据采集单元、交直流供电电路、振弦式传感器。

如图1所示，多路数据采集单元包括MCU（微处理器）及其外围电路、电源转化电路及稳压电路、告警电路、激振电路、拾振电路（信号调理电路及整形电路）、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据存储电路、就地显示电路、带有多路传感器接口的多路选择开关电路。

如图2所示，交直流供电电路包括外接交流电的电源模块、9V电池及供电电路、电池电量检测电路、充电控制电路、电源切换电路及电源转换与稳压电路；9V电源模块通过电源转换与稳压电路向多路数据采集器提供电力，否则则由9V电池提供电力。

如图3所示，为保证有效地对电源进行管理，保证在交流电停电期间的电源有效切换，微处理器执行以下步骤：

1.微处理器上电初始化，设置交流电供电标志，设置电池待充电状态F1，并初始化定时器T1（控制直流供电时间）；

2.如交流掉电，切断交流供电，启动定时器T1，有电池向采集器供电；

3.当交流电恢复时，切断直流供电通路，关闭定时器T1并清除定时器值，采用交流供电方式；

4.由电池电量检测电路实时监测电池的电压，并判断电池电压是否处于正常范围，如低于下限，清除待充电标志F1，打开充电控制电路向电池充电；如高于上限值，关闭充电控制电路，设置充电标志F1；电池处于正常放电状态，则不做处理。

由电源转换与稳压电路向微处理器及其辅助电路提供电力，以提高电源的稳定性和可靠性，保证测量数据的准确性。

如图4所示，激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。由微处理器设置定时器的初值，输出500Hz（幅值为+5V，占空比为50%）PWM脉冲波并计时，同时检测激振线圈是否激振，如果起振则进入主程序，已完成频率测量；反之则修改定时器初值，增加输出PWM脉冲波的频率，再做定时与检测判断；仍未起振，重复上一步，直至PWM脉冲波的频率达到6KHz，输出测量故障并结束。

如图5所示，微处理器初始化定时器，设置通道数N=1，开启总中断，调用扫频子程序，测量并记录该通道的共振频率值；将通道数加一，再次调用扫频子程序，测量并记录该通道的频率值，直至32通道数据全部测量完毕。

恒流源激励电路通过传感器接口电路、多路选择开关在MCU的控制下向温度传感器提供激励电流。实际使用时，可根据温度传感器中负载电阻的阻值不同调节激励电流的大小。

温度信号采集电路通过传感器接口电路、多路选择开关获取传感器输出的表征传感器所处位置温度的电压信号，并对该信号进行放大滤波处理，再由模数转换后，送到微处理器处理进而得到各个传感器的温度值。

所述每个数据采集单元均有RS485接口电路，处理器通过RS485总线接口电路与外部的RS485总线通信或级联。上位机为带有RS485总线通信接口的微机。

Claims (4)

1.基于振弦式传感器的多路数据采集器，包括数据采集模块、交直流供电电路、RS485通信模块及上位机，其特征是：

所述数据采集模块均包括微处理器及其外围电路、电源转化与稳压电路、电池电量监测电路、32通道选择开关、激振电路、拾振电路、恒流源激励电路、温度信号采集电路、数据储存电路以及振弦式传感器；

所述32通道选择开关通过带屏蔽的四芯电缆与振弦式传感器相连，分别用于向传感器进行激频、拾频、提供电流激励信号和获取温度传感器输出的电压形式的温度信号；

所述激振电路将微处理器产生的PWM信号经32通道选择开关向传感器提供激励信号；

所述拾振电路通过32通道选择开关获取传感器输出的本征频率信号，经过带通滤波、信号放大与整形后送入微处理器进行处理；

所述恒流源激励电路通过32通道选择开关在微处理器的控制下向温度传感器提供激励信号，当负载不同时，由微处理器改变激励电流的大小；

所述温度信号采集电路通过32通道选择开关获取表征传感器温度的电压信号，将电压信号进行放大与滤波处理，经过A/D转化后送入微处理器，进而得到各个传感器的温度；

所述数据储存电路为铁氧体存储电路，通过数据总线和地址总线与微处理器相连，用于手动存储当前的数据或者存取与上位机通信失败的数据；

所述电源转化与稳压电路输入与交直流供电电路相连，用于向采集器的各单元提供电力；

所述电池电量监测电路用于监测与控制电池的输出电压值，并将检测结果送入处理器，处理器通过RS485通信模块送至上位机，由上位机与显示单元显示电池的供电电压。

2.根据权利要求1所述的基于振弦式传感器的多路数据采集器，还包括交直流供电电源电路，其特征是：电源采用电池和交流电两种方式供电，由微控制器根据电池电量监测电路提供的信号及交流电供电情况控制电池的充电、放电状态、交直流供电状态的切换。

3.根据权利要求1所述的多路数据采集器，其特征是：每个采集器均有RS485总线接口电路，微处理器通过RS485总线接口电路与上位机、所述32通道数据器相连。

4.根据权利要求1所述的多路数据采集器，其特征是：可由显示单元直接显示当前通道传感器的本征频率及温度值。