CN206095270U - 一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其包括：拾振电路、激振电路、温度转换电路、微处理电路以及电源管理电路；激振电路用于激励振弦式传感器固有频率；拾振电路用于接收振弦式传感器的输出信号；温度转换电路的用于采集振弦式传感器的热敏电阻的阻值；微处理电路分别与拾振电路、激振电路、温度转换电路以及用于进行无线传输的无线节点连接。本实用新型一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器可检测多种振弦式不同频率范围的传感器，监测更全面整确，其体积小、易集成、功耗低、可靠性强。

Description

一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器

技术领域

本实用新型涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器。

背景技术

振弦式传感器以拉紧的金属弦作为敏感元件自激固有频率的谐振式传感器。当外部施加激振频率给钢弦振动时，其结构内部产生一定的阻尼，其固有振动频率的变化量即可表征钢弦所受拉力的大小，阻尼越小，振动消耗的能量就越少，频率的选择性越好，通过相应的测量电路可得到与拉力成一定关系的频率信号。该种传感器具有长期的稳定可靠性、抗干扰能力强，采集接口简单等特点，所以广泛应用测量于桥梁、岩土工程中的压力、应力、沉降、拉力等物理量。

目前，振弦式传感器可进行多个频率范围测量数据，通过采集系统可实现数据处理、数据通信，存储显示以及相关联的控制等功能并存入数据库中，供分析研究之用，适合工作环境恶劣，技术过高的安全检测点。但是振弦式传感器输出信号微弱，测量过程中易受干扰导致测量结果不准确等问题。

另外，长电缆在传输理论中线路阻抗的变化受频率信号幅值影响而变化，对于复杂环境的工程布设存在一定难题，接线繁琐、复杂，后期维护耗费大量时间、成本。且对工程中的应用带来诸多不便，限制了现有振弦式测量模块的应用。

因此，一种具有稳定可靠、抗干扰能力强、采集接口简单的无线振弦传感器信号调理器亟待提出，能广泛应用于桥梁、大坝等技术要求高的恶劣环境监测点。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种性能优越、安装简便的用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，该调理器可接入各种弦式类的传感器，监测更全面准确，兼容性好，体积小，易布置，易拆装，功耗低，可靠性高。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，包括：拾振电路、激振电路、温度转换电路、微处理电路以及电源管理电路，电源管理电路分别为激振电路、拾振电路、温度转换电路以及微处理电路供电；

激振电路的输入端与微处理电路连接，其输入端与振弦式传感器连接，用于激励振弦式传感器固有频率；

拾振电路的输入端与振弦式传感器连接，其输出端与微处理电路连接，用于接收振弦式传感器的输出信号，拾振电路包括依次连接的前级放大电路、带通滤波电路、中后级放大电路、整形电路以及光耦电路；

温度转换电路的输入端与振弦式传感器连接，其输出端与微处理电路连接，用于采集振弦式传感器的热敏电阻的阻值；

微处理电路分别与拾振电路、激振电路、温度转换电路以及用于进行无线传输的无线节点连接。

本实用新型与现有技术相比，其利用无线通讯的方法解决了传统有线方式接线复杂、布线繁琐、信号远距离传输误差大、后期维护不变等缺点，同时本实用新型一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器可检测多种弦式传感器，故调理器也可多通道监测多种弦式传感器。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，微处理电路包括：微处理芯片、时钟电路以及RS232转换电路，微处理芯片通过RS232转换电路与无线节点连接。

采用上述优选的方案，可以有效实现数据的采集、转换、发送与接收，可靠性高。

作为优选的方案，RS232转换电路包括MAX232CSE芯片。

采用上述优选的方案，效果好，可靠性高。

作为优选的方案，前级放大电路包括AD620芯片，带通滤波电路包括两个OP07CS芯片、中后级放大电路包括OP07CS芯片和AD623芯片，整形电路包括NE555P芯片，光耦电路包括6N137芯片。

采用上述优选的方案，效果好，可靠性高。

作为优选的方案，在AD620芯片的正、负引脚外分别串联有电阻，且在AD620芯片的正、负引脚之间连接有电容。

采用上述优选的方案，可以有效去噪、去除高频干扰。

作为优选的方案，激振电路包括TLP250F芯片。

采用上述优选的方案，效果好，可靠性高。

作为优选的方案，温度转换电路包括：AD7705芯片，且温度转换电路采用SPI接口与微处理电路连接。

采用上述优选的方案，效果好，可靠性高。

作为优选的方案，电源管理电路包括：线性三端稳压器LM7805、LM7905和LM1117，用于将输入的高压降成低压。

采用上述优选的方案，以便对不同供电电压的电路进行供电，提高电路电压的稳定性。

作为优选的方案，微处理芯片采用MSP430F5438处理芯片。

采用上述优选的方案，效果好，可靠性高。

作为优选的方案，在用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器外设有散热片，在散热片上均匀设有多个通孔。

采用上述优选的方案，散热效果好。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的激振电路的电路图。

图3为本实用新型实施例提供的前级放大电路和带通滤波电路的电路图。

图4为本实用新型实施例提供的中后级放大电路、整形电路、光耦电路的电路图。

图5为本实用新型实施例提供的温度转换电路的电路图。

图6为本实用新型实施例提供的RS232转换电路的电路图。

图7为本实用新型实施例提供的电源管理电路的电路图。

图8为本实用新型实施例提供的微处理芯片与时钟电路的电路图。

其中：1拾振电路、11前级放大电路、12带通滤波电路、13中后级放大电路、14整形电路、15光耦电路、2激振电路、3温度转换电路、4电源管理电路、5振弦式传感器、6无线节点、7微处理芯片、8时钟电路、9RS232转换电路。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施方式。

为了达到本实用新型的目的，一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器的其中一些实施例中，

一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器包括：拾振电路1、激振电路2、温度转换电路3、微处理电路以及电源管理电路4，电源管理电路4分别为拾振电路1、激振电路2、温度转换电路3以及微处理电路供电。

激振电路2的输入端与微处理电路连接，其输入端与振弦式传感器5连接，用于激励振弦式传感器5固有频率，产生感应电动势，扫描输出频率信号。

拾振电路1的输入端与振弦式传感器5连接，其输出端与微处理电路连接，用于接收振弦式传感器5的输出信号，拾振电路1包括依次连接的前级放大电路11、带通滤波电路12、中后级放大电路13、整形电路14以及光耦电路15。

温度转换电路3的输入端与振弦式传感器5连接，其输出端与微处理电路连接，用于采集振弦式传感器5的热敏电阻的阻值。

微处理电路分别与拾振电路1、激振电路2、温度转换电路3以及用于进行无线传输的无线节点6连接。

微处理电路包括：微处理芯片7、时钟电路8以及RS232转换电路9，微处理芯片7通过RS232转换电路9与无线节点连接。可以有效实现数据的采集、转换、发送与接收，可靠性高。

如图2所示，激振电路2包括TLP250F芯片，微处理芯片7IO端产生不同频率信号作为激振电路2的输入，频率范围在400-1200Hz，光耦作用下激励输出端的振弦传感器固有频率。

如图3和4所示，拾振电路1包括前级放大电路11、带通滤波电路12、中后级放大电路13、整形电路14以及光耦电路15，振弦传感器接入由AD620芯片组成的前级放大电路11，放大倍数约50.4倍，增益带宽为120KHz，传输至由两个OP07CS芯片组成的带通滤波电路12，放大倍数约1.586倍，向后连接至由OP07CS芯片组成的中间级放大，放大倍数-4.7倍，而后连接至由AD623芯片进行满幅放大，放大倍数50倍，再由NE555P芯片组成的整形电路14进行施密特整形，设定阈值电压+1.67V，当高于阈值1.67V，输出电压变为-1.67V，当低于-1.67V，输出电压变为1.67V，当在两阈值之间的，输出保持不变。最后由6N137芯片组成的光耦隔离输出至微处理芯片7上。

值得注意的是，在AD620芯片的正、负引脚外分别串联有电阻，且在AD620芯片的正、负引脚之间连接有电容。可以有效去噪、去除高频干扰。

如图5所示，温度转换电路3采用AD7705芯片做16位的AD转换，采用四线SPI接口与微处理芯片7差分通信，便于降低共模干扰，提高测温精度。

如图6所示，RS232转换电路9由MAX232CSE芯片组成，连接微处理芯片7和无线节点6，实现数据的转换、发送与接收，保证信号传输准确。

如图7所示，电源管理电路4采用线性三端稳压器LM7805、LM7905和LM1117组成，实现+12V到+5V的转变和5V到3.3V的转变，以满足不同电路对供电电压的需求，保证供电电压持续稳定。

如图8所示，微处理芯片7采用MSP430F5438处理芯片，时钟电路8频率为16MHz，通过对芯片进行程序编写和烧录，控制整个振弦信号的采集和处理。

本实用新型一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器的工作过程：

微处理芯片7按振弦传感器固有频率变化输出激励信号，通过光电隔离送入传感器线圈，线圈将产生相应频率的交变磁场，位于磁场中的钢弦由于受到交变力作用而产生振动。起振后，撤去激励信号，振弦自由振动，切割磁力线，线圈产生感应电势，线圈的感应电势在10mV左右，持续时间约1～2秒。由于微小信号不可被微处理器直接读取，采用放大、带通滤波、整形、光电隔离等电路实现信号调理过程。为了满足混泥土结构等现场环境要求，振弦传感器利用温度补偿来测量实际的振弦微应变。利用振弦传感器的热敏电阻进行分压对比量值，做16位AD转换计算得出实际温度值。根据公式δ＝G×C×(R1-R0)，求出最终的微应变，可以测量1-3000με量程，其中δ为微应变，G为3.15(微应变/读数)，C为膨胀系数1.038431，R0为初始读数，R1为实际读数，分辨率为1με。微处理器分析处理频率及微应变数据后，通过RS232串口通讯至节点进行无线传输，采用Zigbee协议2.4GHz的载波频段透传，数据传输速率高。

本实用新型与现有技术相比，其利用无线通讯的方法解决了传统有线方式接线复杂、布线繁琐、信号远距离传输误差大、后期维护不变等缺点，同时本实用新型一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器可检测多种弦式传感器，其包括：钢筋计、应变计、锚索计、土压力计、位移计，故调理器也可多通道监测多种弦式传感器。

针对传统振弦传感器读数仪来说，只能近距离的测量振弦数据，数据存储方式比较单一，且容量较小，提出了一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，能满足远距离，多种振弦式传感器5的需求，其体积小、易布设、易拆装、功耗低、可靠性高。

在其他实施例中，先对传感器进行全频率范围预激振，之后对获得的测量值进行判断，如果获得的测量值不在传感器正常输出频率范围内，则程序终止。此时可能传感器未连接或设定的传感器类型错误，如果获得测量值正常，则重新计算激振区间，并激励传感器。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器外设有散热片，在散热片上均匀设有多个通孔。

采用上述优选实施例的方案，散热效果好。

以上的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，包括：激振电路、拾振电路、温度转换电路、微处理电路以及电源管理电路，所述电源管理电路分别为所述拾振电路、所述激振电路、所述温度转换电路以及所述微处理电路供电；

所述激振电路的输入端与所述微处理电路连接，其输入端与振弦式传感器连接，用于激励所述振弦式传感器固有频率；

所述拾振电路的输入端与所述振弦式传感器连接，其输出端与所述微处理电路连接，用于接收所述振弦式传感器的输出信号，所述拾振电路包括依次连接的前级放大电路、带通滤波电路、中后级放大电路、整形电路以及光耦电路；

所述温度转换电路的输入端与所述振弦式传感器连接，其输出端与所述微处理电路连接，用于采集所述振弦式传感器的热敏电阻的阻值；

所述微处理电路分别与所述拾振电路、所述激振电路、所述温度转换电路以及用于进行无线传输的无线节点连接。

2.根据权利要求1所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述微处理电路包括：微处理芯片、时钟电路以及RS232转换电路，所述微处理芯片通过所述RS232转换电路与所述无线节点连接。

3.根据权利要求2所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述RS232转换电路包括MAX232CSE芯片。

4.根据权利要求3所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述前级放大电路包括AD620芯片，所述带通滤波电路包括两个OP07CS芯片、所述中后级放大电路包括OP07CS芯片和AD623芯片，所述整形电路包括NE555P芯片，所述光耦电路包括6N137芯片。

5.根据权利要求4所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，在所述AD620芯片的正、负引脚外分别串联有电阻，且在所述AD620芯片的正、负引脚之间连接有电容。

6.根据权利要求1-5任一项所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述激振电路包括TLP250F芯片。

7.根据权利要求6所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述温度转换电路包括：AD7705芯片，且所述温度转换电路采用SPI接口与所述微处理电路连接。

8.根据权利要求7所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述电源管理电路包括：线性三端稳压器LM7805、LM7905和LM1117，用于将输入的高压降成低压。

9.根据权利要求2所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，所述微处理芯片采用MSP430F5438处理芯片。

10.根据权利要求9所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器，其特征在于，在所述用于土木结构健康监测的无线振弦传感信号调理器外设有散热片，在所述散热片上均匀设有多个通孔。