CN211013224U - 一种三通道无线振弦采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三通道无线振弦采集系统，包括：若干个振弦式传感器和与振弦式传感器连接的三通道无线振弦采集仪，三通道无线振弦采集仪包括模拟信号调理电路、模拟数字转换电路和微控制器，若干个振弦式传感器获取多通道的传感器振弦信号；模拟信号调理电路将传感器振弦信号调理成可被微控制器读取的模拟信号；模拟数字转换电路将模拟信号转换为可被微控制器处理的数字信号；微控制器控制若干个振弦式传感器在多通道间进行切换，采用轮询方式采集多通道中的各个通道的传感器数据，并对模拟信号进行读取，对数字信号进行处理。根据本实用新型的三通道无线振弦采集系统，可以实现对多个通道的传感器振弦信号的采集，提高信号采集的效率。

Description

一种三通道无线振弦采集系统

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种三通道无线振弦采集系统。

背景技术

振弦式仪器以其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等而一直受到工程界的注目。利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，有利于传输和远程测量。

振弦信号自动采集系统需要用到振弦式传感器。振弦式传感器目前在测量工程技术领域中得到了广泛的应用，其二次仪表过去主要采用图像识别法，即通过传感器采集的信号与本机产生的标注频率信号合成“李沙育图形”。当被表达成“李沙育图形”时，本机产生的标准信号为被测传感器的信号频率值，另外也可以采用频率计法，但由于需要采用模拟电路和数字电路技术，需要的硬件多，电路较复杂，且稳定性较差，测试精度、可靠性、稳定性均不能满足野外工程的需要。

实用新型内容

本实用新型提供一种三通道无线振弦采集系统，用以实现对多个通道的传感器振弦信号的采集。

本实用新型还提供一种三通道无线振弦采集系统，包括：若干个振弦式传感器和与所述振弦式传感器连接的三通道无线振弦采集仪，所述三通道无线振弦采集仪包括模拟信号调理电路、模拟数字转换电路和微控制器，其中：

所述若干个振弦式传感器用于获取多个通道的传感器振弦信号；

所述模拟信号调理电路用于将所述若干个振弦式传感器所获取的所述传感器振弦信号调理成可被所述微控制器读取的模拟信号；

所述模拟数字转换电路与所述模拟信号调理电路连接，用于将所述模拟信号调理电路调理成的所述模拟信号转换为可被所述微控制器处理的数字信号；

所述微控制器与所述模拟数字转换电路连接，用于控制所述若干个振弦式传感器在所述多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集所述多个通道中的各个通道的传感器数据，并对所述模拟信号调理电路调理的所述模拟信号进行读取，并对所述模拟数字转换电路转换的所述数字信号进行处理，以实现对所述多个通道的传感器振弦信号的采集。

进一步地，所述三通道无线振弦采集仪还包括无线通讯模块，与所述微控制器连接，用于与所述微控制器进行通讯，使所述微控制器收发数据和指令。

进一步地，所述微控制器包括：

扫频激励电路，用于对所述模拟数字转换电路转换的所述数字信号进行进行扫频激励，获得扫频激励信号；

共振频率测量电路，用于测量所述振弦式传感器的共振频率；和

传感器温度测量电路，用于通过恒压激励测量所述振弦式传感器内部的热电阻的阻值，再经过预设的公式计算出所述振弦式传感器所获取传感器振弦信号中的温度数据。

进一步地，所述微控制器包括型号为STM32L151的芯片，在所述型号为STM32L151的芯片上集成所述模拟信号调理电路和激励电路。

进一步地，所述微控制器还包括型号为Atmega256RFR2的芯片，在所述型号为Atmega256RFR2的芯片上集成唤醒电路。

进一步地，所述三通道无线振弦采集系统还包括多通道振弦扩展器，设置在所述若干个振弦式传感器与所述三通道无线振弦采集仪之间，用于实现所述若干个振弦式传感器的通道扩展。

进一步地，所述多通道振弦扩展器包括8/16通道扩展器，每个所述振弦式传感器对应所述多通道振弦扩展器的一个通道。

进一步地，所述多通道振弦扩展器包括：电源、传感器接口阵列、模拟开关阵列、激励信号电路、I/O单线扩展器或主控器接口，其中，

所述电源用于提供电能；

所述传感器接口阵列用于连接所述若干个振弦式传感器，所述传感器接口阵列的每个传感器接口对应所述多通道振弦扩展器的一个通道；

所述模拟开关阵列与所述传感器接口阵列连接，用于选择所述传感器接口阵列其中一个传感器接口导通；

所述激励信号电路与所述模拟开关阵列连接，用于将弱扫频信号放大为激励所述振弦式传感器的强扫频信号；

所述I/O单线扩展电路用于将单个信号接口扩展为多个输入输出接口，且多个所述输入输出接口与所述模拟开关阵列连接；

所述主控器接口与所述I/O单线扩展电路的所述单个信号接口连接，并与所述三通道无线振弦采集仪连接，以将所述振弦式传感器获取的温度信号以及频率信号传输到所述三通道无线振弦采集仪。

进一步地，所述三通道无线振弦采集系统还包括网关，与所述振弦式传感器和所述三通道无线振弦采集仪组成无线工作网络，通过所述网关传输所述三通道无线振弦采集仪所测量的数据。

进一步地，所述三通道无线振弦采集仪放置在固定底板上，所述固定底板包括：固定底板面板、壳体、底板固定孔、安装孔、连接线接口，其中：

所述固定底板面板上设有四个所述底板固定孔，四个所述底板固定孔为两两相互对称设置，所述底板固定孔位于所述固定底板面板的面部边缘；

所述壳体可拆卸地设置在所述固定底板面板上，所述壳体上设置有四个所述安装孔，所述安装孔贯穿所述固定底板面板，所述安装孔为两两相互对称设置，所述安装孔位于所述壳体的边缘，所述壳体内部形成容纳腔，所述三通道无线振弦采集仪设置在所述容纳腔中；

所述壳体的下侧壁设置有连接线接口，所述三通道无线振弦采集仪通过所述连接线接口与若干个所述多通道振弦扩展器连接。

本实用新型实施例提供的一种三通道无线振弦采集系统，具有以下有益效果：微控制器控制若干个振弦式传感器在多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集多个通道中的各个通道的传感器数据，并对模拟信号进行读取，对数字信号进行处理，可以实现对多个通道的传感器振弦信号的采集，提高信号采集的效率，可为基于振弦类传感器的应变、位移等测试提供便捷、集约化的数据采集。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例中一种三通道无线振弦采集系统的框图；

图2为本实用新型实施例中一种多通道振弦扩展器的框图

图3为本实用新型实施例中一种放置三通道无线振弦采集仪的固定底板的结构示意图。

101、振弦式传感器 102、三通道无线振弦采集仪

103、多通道振弦扩展器 1021、模拟信号调理电路

1022、模拟数字转换电路 1023、微控制器

1024、无线通讯模块 1031、电源

1032、传感器接口阵列 1033、模拟开关阵列

1034、激励信号电路 1035、I/O单线扩展器

1036、主控器接口 104、固定底板

1041、固定底板面板 1042、壳体

1043、底板固定孔 1044、安装孔

1045、连接线接口

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种三通道无线振弦采集系统，图1示出了三通道无线振弦采集系统的框图，包括：

若干个振弦式传感器101和与所述振弦式传感器连接的三通道无线振弦采集仪102，所述三通道无线振弦采集仪102包括模拟信号调理电路1021、模拟数字转换电路1022和微控制器1023，其中：

所述若干个振弦式传感器102用于获取多个通道的传感器振弦信号；

所述模拟信号调理电路1021用于将所述若干个振弦式传感器101所获取的所述传感器振弦信号调理成可被所述微控制器1023读取的模拟信号；

所述模拟数字转换电路1022与所述模拟信号调理电路1021连接，用于将所述模拟信号调理电路1021调理成的所述模拟信号转换为可被所述微控制器1023处理的数字信号；

所述微控制器1023与所述模拟数字转换电路1022连接，用于控制所述若干个振弦式传感器101在所述多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集所述多个通道中的各个通道的传感器数据，并对所述模拟信号调理电路1021调理的所述模拟信号进行读取，并对所述模拟数字转换电路1022转换的所述数字信号进行处理，以实现对所述多个通道的传感器振弦信号的采集。

上述技术方案的工作原理为：若干个振弦式传感器102获取多个通道的传感器振弦信号；模拟信号调理电路1021将振弦式传感器101所获取的传感器振弦信号调理成可被微控制器1023读取的模拟信号；模拟数字转换电路1022将模拟信号转换为可被微控制器1023处理的数字信号；微控制器1023控制若干个振弦式传感器101在多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集多个通道中的各个通道的传感器数据，并对模拟信号进行读取，对数字信号进行处理，以实现对多个通道的传感器振弦信号的采集。

示例性地，所述振弦式传感器101的型号为BGK-4000X/4200X。

三通道无线振弦采集仪102作为振弦类式传感器的3通道采集设备，可以以无线传输方式传到数据采集软件，缩短相关检测系统的建设时间，并且三通道无线振弦采集仪102可为基于振弦类传感器的应变、位移等测试提供便捷、集约化的数据采集系统。

本实用新型的三通道无线振弦采集系统适用于大坝边坡、桥梁、建筑等场景的结构状态数据的测量，可对振弦式传感器进行数据采集。

上述技术方案的有益效果为：微控制器控制若干个振弦式传感器在多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集多个通道中的各个通道的传感器数据，并对模拟信号进行读取，对数字信号进行处理，可以实现对多个通道的传感器振弦信号的采集，提高信号采集的效率，降低监测系统的成本和施工难度，可为基于振弦类传感器的应变、位移等测试提供便捷、集约化的数据采集。

在一个实施例中，所述三通道无线振弦采集仪还包括无线通讯模块1024，与所述微控制器1023连接，用于与所述微控制器1023进行通讯，使所述微控制器1023收发数据和指令。

上述技术方案的工作原理为：所述无线通讯模块1024包括ZigBee通讯模块、GPRS通讯模块或Wifi通讯模块。

示例性地，所述ZigBee通讯模块的型号为YD-CC2530F256，所述GPRS通讯模块的型号为SIM800C，所述Wifi通讯模块的型号为ESP8266。

上述技术方案的有益效果为：借助于无线通讯模块，可以以无线传输方式传到数据采集软件，缩短相关检测系统的建设时间。

在一个实施例中，所述微控制器1023包括：

扫频激励电路，用于对所述模拟数字转换电路1022转换的所述数字信号进行进行扫频激励，获得扫频激励信号；

共振频率测量电路，用于测量所述振弦式传感器101的共振频率；和

传感器温度测量电路，用于通过恒压激励测量所述振弦式传感器内部的热电阻的阻值，再经过预设的公式计算出所述振弦式传感器所获取传感器振弦信号中的温度数据。

上述技术方案的工作原理为：微控制器1023对振弦信号的采集是通过扫频激励，然后测量传感器的共振频率，传感器温度是通过恒压激励测量内部热电阻的阻值再经过厂家给出的公式计算出传感器的温度数据。

进一步地，所述微控制器包括型号为STM32L151的芯片，在所述型号为STM32L151的芯片上集成所述模拟信号调理电路和激励电路。所述微控制器还包括型号为Atmega256RFR2的芯片，在所述型号为Atmega256RFR2的芯片上集成唤醒电路。

上述技术方案的有益效果为：提供了微控制器的具体结构，借助于扫频激励电路、共振频率测量电路和传感器温度测量电路，可以实现对振弦信号的采集。

在一个实施例中，所述三通道无线振弦采集系统还包括多通道振弦扩展器103，设置在所述若干个振弦式传感器101与所述三通道无线振弦采集仪102之间，用于实现所述若干个振弦式传感器101的通道扩展。

上述技术方案的工作原理为：本实用新型的所述多通道振弦扩展器103采用一次性大容量电池供电，并且采用极低功耗设计，无需供电，免更换电池可使用5年以上，免充电，并且可防水。多通道振弦扩展器103支持市面上多数振弦类传感器。

上述技术方案的有益效果为：借助于通道振弦扩展器，可以实现若干个振弦式传感器之间的通道扩展。

在一个实施例中，所述多通道振弦扩展器103包括8/16通道扩展器，每个所述振弦式传感器101对应所述多通道振弦扩展器103的一个通道。

上述技术方案的工作原理为：所述多通道振弦扩展器103支持16通道扩展，通过连接线与三通道无线振弦采集仪102连接，通过轮询方式对每个通道进行采样。

上述技术方案的有益效果为：借助于多通道振弦扩展器，可以支持16通道扩展。

在一个实施例中，所述多通道振弦扩展器103包括：所述多通道振弦扩展器包括：电源1031、传感器接口阵列1032、模拟开关阵列1033、激励信号电路1034、I/O单线扩展器1035或主控器接口1036，其中，

所述电源1031用于提供电能；

所述传感器接口阵列1032用于连接所述若干个振弦式传感器101，所述传感器接口阵列1032的每个传感器接口对应所述多通道振弦扩展器103的一个通道；

所述模拟开关阵列1033与所述传感器接口阵列1032连接，用于选择所述传感器接口阵列1032其中一个传感器接口导通；

所述激励信号电路1034与所述模拟开关阵列1033连接，用于将弱扫频信号放大为激励所述振弦式传感器101的强扫频信号；

所述I/O单线扩展电路1035用于将单个信号接口扩展为多个输入输出接口，且多个所述输入输出接口与所述模拟开关阵列1033连接；

所述主控器接口1036与所述I/O单线扩展电路1035的所述单个信号接口连接，并与所述三通道无线振弦采集仪102连接，以将所述振弦式传感器101获取的温度信号以及频率信号传输到所述三通道无线振弦采集仪102。

上述技术方案的工作原理为：传感器接口为多个通道的接口阵列，可接入多个振弦式传感器，所述传感器接口支持8通道、16通道或32通道的传感器振弦信号，用于接收所述振弦式传感器获取的所述传感器振弦信号以及所述模拟信号调理电路调理的所述模拟信号，可以实现大量振弦式传感器集中采样，降低监测系统的成本和施工难度。模拟开关阵列是将多个通道的振弦式传感器通过三通道无线振弦采集仪的控制，选择其中一个通道导通后进行激励和信号采集，采集多个通道的振弦式传感器的数据是通过轮询方式采集。激励信号电路是将三通道无线振弦采集仪发送过来的微弱扫频信号放大成为可为振弦式传感器激励的强扫频信号，通过模拟开关阵列发送给被选择的某一个通道的振弦式传感器。I/O单线扩展电路将单个信号接口扩展为多个输入输出接口，且多个输入输出接口与模拟开关阵列连接，以便实现模拟开关阵列的切换功能。

上述技术方案的有益效果为：借助于传感器接口阵列、模拟开关阵列、激励信号电路、I/O单线扩展器和主控器接口，可以实现大量振弦式传感器集中采样，降低监测系统的成本和施工难度。

在一个实施例中，所述三通道无线振弦采集系统还包括网关，与所述振弦式传感器和所述三通道无线振弦采集仪组成无线工作网络，通过所述网关传输所述三通道无线振弦采集仪所测量的数据。

上述技术方案的工作原理为：本实用新型的振弦式传感器和三通道无线振弦采集仪可自动、直接与网关组成无线工作网络并传输测量数据，可支持多种不同规模检测、监测系统/应用的快速、简易实现。其中，所述网关包括但不限于HGU(USB式网关)、HGL400-A、HGE等系列网关。

使用本实用新型的三通道无线振弦采集系统的用户最少可使用1个HFS530、1个HGU100网关以及1个安装了SMARTBOW智能检测助手软件的终端(笔记本电脑或平板电脑)开展应用。

上述技术方案的有益效果为：借助于网关，可以支持多种不同规模检测、监测系统/应用的快速、简易实现。

在一个实施例中，所述三通道无线振弦采集仪102放置在固定底板上，所述固定底板包括：固定底板面板1041、壳体1042、底板固定孔1043、安装孔1044、连接线接口1045，其中：

所述固定底板面板1041上设有四个所述底板固定孔1043，四个所述底板固定孔1043为两两相互对称设置，所述底板固定孔1043位于所述固定底板面板的面部边缘；

所述壳体1042可拆卸地设置在所述固定底板面板1041上，所述壳体1042上设置有四个所述安装孔1044，所述安装孔1044贯穿所述固定底板面板1041，所述安装孔1044为两两相互对称设置，所述安装孔1044位于所述壳体的边缘，所述壳体1042内部形成容纳腔，所述三通道无线振弦采集仪1021设置在所述容纳腔中；

所述壳体1042的下侧壁设置有连接线接口1045，所述三通道无线振弦采集仪102通过所述连接线接口1045与若干个所述多通道振弦扩展器103连接。

上述技术方案的工作原理为：本实用新型的三通道无线振弦采集仪采用表面安装，可通过固定底板的方式进行固定固定。所述固定底板面板1041通过四个膨胀螺丝固定在墙上，所述壳体1042可通过螺栓组件可拆卸地设置在所述固定底板面板1041上。

需要说明的是，本实用新型的三通道无线振弦采集仪还可通过结构胶固定的方式进行固定。

本实用新型的多通道振弦扩展器103采用表面安装，外壳自带固定孔，可通过膨胀螺丝直接固定。另外由于多通道振弦扩展器的防护等级为IP55，长期户外监测系统需要再增加一层防护，比如塑料防水箱。

上述技术方案的有益效果为：借助于壳体，可以对三通道无线振弦采集仪进行保护，借助于底板固定孔，可以将三通道无线振弦采集仪固定在墙上，借助于安装孔，可以将壳体与固定底板面板进行连接，借助于连接线接口，可以实现三通道无线振弦采集仪与多通道振弦扩展器之间的连接。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种三通道无线振弦采集系统，其特征在于，包括：若干个振弦式传感器和与所述振弦式传感器连接的三通道无线振弦采集仪，所述三通道无线振弦采集仪包括模拟信号调理电路、模拟数字转换电路和微控制器，其中：

所述若干个振弦式传感器用于获取多个通道的传感器振弦信号；

所述模拟信号调理电路用于将所述若干个振弦式传感器所获取的所述传感器振弦信号调理成可被所述微控制器读取的模拟信号；

所述模拟数字转换电路与所述模拟信号调理电路连接，用于将所述模拟信号调理电路调理成的所述模拟信号转换为可被所述微控制器处理的数字信号；

所述微控制器与所述模拟数字转换电路连接，用于控制所述若干个振弦式传感器在所述多个通道之间进行切换，采用轮询方式采集所述多个通道中的各个通道的传感器数据，并对所述模拟信号调理电路调理的所述模拟信号进行读取，并对所述模拟数字转换电路转换的所述数字信号进行处理，以实现对所述多个通道的传感器振弦信号的采集。

2.如权利要求1所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述三通道无线振弦采集仪还包括无线通讯模块，与所述微控制器连接，用于与所述微控制器进行通讯，使所述微控制器收发数据和指令。

3.如权利要求1所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述微控制器包括：

扫频激励电路，用于对所述模拟数字转换电路转换的所述数字信号进行进行扫频激励，获得扫频激励信号；

共振频率测量电路，用于测量所述振弦式传感器的共振频率；和

传感器温度测量电路，用于通过恒压激励测量所述振弦式传感器内部的热电阻的阻值，再经过预设的公式计算出所述振弦式传感器所获取传感器振弦信号中的温度数据。

4.如权利要求1所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述微控制器包括型号为STM32L151的芯片，在所述型号为STM32L151的芯片上集成所述模拟信号调理电路和激励电路。

5.如权利要求4所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述微控制器还包括型号为Atmega256RFR2的芯片，在所述型号为Atmega256RFR2的芯片上集成唤醒电路。

6.如权利要求1所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述三通道无线振弦采集系统还包括多通道振弦扩展器，设置在所述若干个振弦式传感器与所述三通道无线振弦采集仪之间，用于实现所述若干个振弦式传感器的通道扩展。

7.如权利要求6所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述多通道振弦扩展器包括8/16通道扩展器，每个所述振弦式传感器对应所述多通道振弦扩展器的一个通道。

8.如权利要求6所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述多通道振弦扩展器包括：电源、传感器接口阵列、模拟开关阵列、激励信号电路、I/O单线扩展器或主控器接口，其中，

所述电源用于提供电能；

所述传感器接口阵列用于连接所述若干个振弦式传感器，所述传感器接口阵列的每个传感器接口对应所述多通道振弦扩展器的一个通道；

所述模拟开关阵列与所述传感器接口阵列连接，用于选择所述传感器接口阵列其中一个传感器接口导通；

所述激励信号电路与所述模拟开关阵列连接，用于将弱扫频信号放大为激励所述振弦式传感器的强扫频信号；

所述I/O单线扩展电路用于将单个信号接口扩展为多个输入输出接口，且多个所述输入输出接口与所述模拟开关阵列连接；

所述主控器接口与所述I/O单线扩展电路的所述单个信号接口连接，并与所述三通道无线振弦采集仪连接，以将所述振弦式传感器获取的温度信号以及频率信号传输到所述三通道无线振弦采集仪。

9.如权利要求1所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述三通道无线振弦采集系统还包括网关，与所述振弦式传感器和所述三通道无线振弦采集仪组成无线工作网络，通过所述网关传输所述三通道无线振弦采集仪所测量的数据。

10.如权利要求6所述的三通道无线振弦采集系统，其特征在于，所述三通道无线振弦采集仪放置在固定底板上，所述固定底板包括：固定底板面板、壳体、底板固定孔、安装孔、连接线接口，其中：

所述固定底板面板上设有四个所述底板固定孔，四个所述底板固定孔为两两相互对称设置，所述底板固定孔位于所述固定底板面板的面部边缘；

所述壳体可拆卸地设置在所述固定底板面板上，所述壳体上设置有四个所述安装孔，所述安装孔贯穿所述固定底板面板，所述安装孔为两两相互对称设置，所述安装孔位于所述壳体的边缘，所述壳体内部形成容纳腔，所述三通道无线振弦采集仪设置在所述容纳腔中；

所述壳体的下侧壁设置有连接线接口，所述三通道无线振弦采集仪通过所述连接线接口与若干个所述多通道振弦扩展器连接。

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