CN215573337U - 一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于数据采集技术领域，尤其是一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，针对传统检测中的传感器会由于人为安装、施工、操作中不利影响导致检测数据会存在偏差，数据准确度不高的问题，以及目前已有声表面波数据采集电路存在信号接收距离短、数据采集谐波干扰大、数据采集稳定性差等问题，现提出如下方案，其包括第一部分电路和第二部分电路，第一部分电路是采集指令发送电路。本实用新型基于声表面波传感器的数据采集电路性能高效，各模块电路配置创新且合理，信号接收距离增加，数据采集稳定性增强，传感器安装方便、检测成本低。

Description

一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统。

背景技术

目前，工程检测领域通常采用拉线式位移传感器、土压力盒、导轮式测斜传感器、静力水准仪、全站仪等常规传感器和检测设备对桥梁、边坡、基坑、隧道等进行应力应变的测量，利用温度传感器和测温装置对检测体进行温度测量，这些传感器和设备都是有线有源的传感器，在工程检测现场，传统检测方式所采用的方案中传感器的供电和电缆线、信号线的铺设都存在一定的施工难度，并且由于配套设施的使用，造成检测成本会相应提升，更为严重的是，由于传统检测中的传感器会由于人为安装、施工、操作中不利影响导致检测数据会存在偏差，数据准确度不高。

目前比较先进的声表面波传感器，是一种用声表面波器件作为传感元件，将被测量的信息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器。声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息(如温度、应力、气体密度)，由于体积小，声表面波器件被誉为开创了无线、小型传感器的新纪元；同时，其与集成电路兼容性强，在模拟数字通信及传感领域获得了广泛的应用。声表面波传感器能将信号集中于基片表面、工作频率高，具有极高的信息敏感精度，能迅速地将检测到的信息转换为电信号输出，具有实时信息检测的特性；另外，声表面波传感器还具有微型化、集成化、无源、低成本、低功耗、直接频率信号输出等优点。因此采用无线无源的声表面波(surface acousticwave，SAW)传感器进行应力、温度的检测与测量必定能为工程检测领域带来便捷，而且能降低检测成本，检测数据精准。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决传统检测中的传感器会由于人为安装、施工、操作中不利影响导致检测数据会存在偏差，数据准确度不高的缺点，而提出的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统。

一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，包括第一部分电路、第二部分电路、收发天线和开发上位机，所述第一部分电路是采集指令发送电路，采集指令发送电路包括DSP控制器、信号发生器、功率放大器、开关电路和高速开关，信号强度检测模块，可自动伸缩信号收发天线，第二部分电路是数据接收电路，数据接收电路包括带通滤波器，两个低噪声放大器、频率发生器、混频电路、低通滤波电路、低频信号处理器、DSP控制器和与上位机进行通信的数据接口，DSP控制器与信号发送器连接，信号发送器与功率放大器连接，功率放大器与高速开关连接，高速开关与开关电路连接，信号强度检测模块与开关电路连接，可自动伸缩信号收发天线与开关电路连接，开关电路与带通滤波器连接，带通滤波器与两个低噪声放大器连接，两个低噪声放大器串联，低噪声放大器和频率发生器均与混频电路连接，混频电路与低通滤波器连接，低通滤波器和DSP控制器均与低频信号处理器连接，低频信号处理器通过通信接口与上位机连接。

优选的，所述DSP控制器作为整个数据采集系统的控制中心，在采集指令发送电路中用于产生时序信号进行控制各部分电路。

优选的，所述信号发生器用于产生具有特定频率的高频简谐信号，以电压信号作为载体在电路中传输，高频简谐信号的频率为425Mhz，高频简谐信号经过功率放大器后实现功率放大，然后经过功率放大的高频简谐信号经过开关电路以电磁波作为载体通过开关电路高效的辐射功率天线发出。

优选的，所述开关电路具有自动调整状态的功能，当信号发生器触发后，信号发生器给开关电路发送指令信号，使得开关电路处于发射状态，控制时序中信号发射有10ms的延时，信号接收有13ms的延时，经过23ms延时后，DSP控制器控制开关电路自动转变为接收状态，为接收声表面波传感器所应答的频率变化的电磁波信号做准备。

优选的，所述收发天线具有自动伸缩功能，DSP控制器根据所接收信号的强度值，可自动调节收发天线的长度，用于扩大信号接收范围。

优选的，所述开发上位机具有数据采集、显示、导出等基本功能，还具有远程控制与阈值报警处理功能，当信号值不在阈值范围内，上位机作出判断之后，发送相应指令进行调整接收天线长度，进而增大数据接收的范围。上位机通过RS485串口线与数据采集电路相连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型检测数据采集系统性能高效，各模块电路配置创新且合理，降低射频干扰的影响，检测数据精准，操作方便，传感器安装方便、检测成本低。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统的框图。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参照图1，一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，包括第一部分电路、第二部分电路、收发天线和开发上位机，所述第一部分电路是采集指令发送电路，采集指令发送电路包括DSP控制器、信号发生器、功率放大器、开关电路和高速开关，信号强度检测模块，可自动伸缩信号收发天线，第二部分电路是数据接收电路，数据接收电路包括带通滤波器，两个低噪声放大器、频率发生器、混频电路、低通滤波电路、低频信号处理器、DSP控制器和与上位机进行通信的数据接口，DSP控制器与信号发送器连接，信号发送器与功率放大器连接，功率放大器与高速开关连接，高速开关与开关电路连接，信号强度检测模块与开关电路连接，可自动伸缩信号收发天线与开关电路连接，开关电路与带通滤波器连接，带通滤波器与两个低噪声放大器连接，两个低噪声放大器串联，低噪声放大器和频率发生器均与混频电路连接，混频电路与低通滤波器连接，低通滤波器和DSP控制器均与低频信号处理器连接，低频信号处理器通过通信接口与上位机连接。

本实施例中，DSP控制器作为整个数据采集系统的控制中心，在采集指令发送电路中用于产生时序信号进行控制各部分电路。

本实施例中，信号发生器用于产生具有特定频率的高频简谐信号，以电压信号作为载体在电路中传输，高频简谐信号的频率为425Mhz，高频简谐信号经过功率放大器后实现功率放大，然后经过功率放大的高频简谐信号经过开关电路以电磁波作为载体通过开关电路高效的辐射功率天线发出。

本实施例中，开关电路具有自动调整状态的功能，当信号发生器触发后，信号发生器给开关电路发送指令信号，使得开关电路处于发射状态，控制时序中信号发射有10ms的延时，信号接收有13ms的延时，经过23ms延时后，DSP控制器控制开关电路自动转变为接收状态，为接收声表面波传感器所应答的频率变化的电磁波信号做准备。

本实施例中，根据声表面波传感器的压电效应与逆压电效应，其能够在接收到信号发生器产生的高频简谐信号之后能够将被检测体的测量信息(应力、应变、温度)通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，然后以电磁波作为载体进行传输。由于采集电路中简谐信号的频率较高，增加了一个隔离度在60～70dB的高速开关，用于降低射频干扰。

本实施例中，通过高效的辐射功率天线能够接收声表面波传感器应答回来的电磁波信号，此电磁波信号的频率值为435MHz左右，其中包含声表面波传感器所反映的被检测体信息的频率值。

本实施例中，所采用的高效的辐射功率天线能够根据信号值的强度自动进行长度调整，当信号强度检测模块检测出信号值较弱时，进项DSP控制器发送一个信号，DSP控制器接收到信号后，做出相应逻辑判断后，向控制自伸缩天线的模块发送指令，进而调节天线的长度，将接收天线向检测物体靠近，以增大信号接收范围，增强信号接收能力。

本实施例中，由于所接收的信号中包含大量其他频段的干扰波，因此，加上一个带通滤波器，设置好带通宽度，将干扰波滤除，只接受可用频率的信号值。

本实施例中，而在放大微弱电磁波信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比，此时可以加上一个低噪声放大器，用于降低声噪，此模块在电路上预留可插拔接口。

本实施例中，所接收的高频信号经过单个增益为20dBm并相互级联的两层低噪声放大器的降噪和扩大增益后进入混频器。

本实施例中，由于此时所接受高频信号的频率值很高，直接进行A/D(模数)采样时，采样频率太高，硬件电路无法匹配。

本实施例中，将一个频率发生器接入混频器，然后频率发生器产生430MHz左右的频率值的电磁波，此混频器的作用是利用混频器积化和差的工作原理使得输出信号频率等于两输入信号频率相加与相减之后的值，经过混频之后，再通过一个低通滤波器，将低频信号取出，此时低频信号的频率值在5MHz以下，然后在DSP控制器控制下进行A/D采样，接着低频信号在低频信号处理器中进行傅里叶变换处理，再根据压电效应及其本构方程、压电体内波动方程、压电介质中的Christofel方程等得到应力应变参数值，此时参数值与频率的对应关系是：温度值＝3.3kHz/℃，应力值＝3.8kHz/mm，然后通过Labview所编写的上位机软件展示频率曲线以及应力应变、温度值。

实施例二

参照图1，本实施例中工作原理，首先，将声表面波传感器铺设在被检测体上，针对测温度时，采用刚性声表面波传感器，针对测应力、应变时，采用柔性声表面波传感器，柔性声表面波传感器能够更加与被检测体相贴合，进而能更准确反映被检测体的详细信息，接着，DSP控制器产生控制时序信号，对所有电路模块进行控制，率先是的信号发生器产生高频的规律简谐信号，通过电压作为载体，经过功率放大器进行功率放大，然后进入开关电路，开关电路在时序控制下，通过高效的辐射功率天线将数据采集信号以电磁波的形式向声表面波传感器发射，在发送完数据采集信号时候，开关电路在DSP控制器的作用下由发送状态转变为接收状态。声表面波在接收到数据采集的电信号之后，通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，声信号中包含被检测体的测量信息，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出，以电磁波的形式从天线发出。由于此时，开关电路正处于接收状态，因此，声表面波应答回来的电磁波信号被开关电路辐射功率天线接收，并以电压作为载体在接收电路中传输，然后，经过一个带通滤波器滤除干扰波，带通滤波器的频率设置范围为200～300MHz，接着，接收信号通过两个级联的低噪声放大器进行降噪和扩大增益处理，增益为40dBm左右，此时接收信号的频率值达到435MHz左右，频率太高无法进行A/D采样，所以将高频接收信号连同一个产生430MHz的频率发生器共同接入同一个混频器，利用混频器积化和差的工作原理，输出信号的频率值等于输入信号频率值的和与差，接着将接收信号通过一个低通滤波器，取出低频信号，然后在DSP控制器控制下进行A/D采样，接着低频信号在低频信号处理器中进行傅里叶变换处理，再根据压电效应及其本构方程、压电体内波动方程、压电介质中的Christofel方程等得到应力应变参数值，此时参数值与频率的对应关系是：温度值＝3.3kHz/℃，应力值＝3.8kHz/mm，然后通过Labview所编写的上位机软件展示频率曲线以及应力应变、温度值。

以上所述，仅为本实施例较佳的具体实施方式，但本实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实施例揭露的技术范围内，根据本实施例的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实施例的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，包括第一部分电路、第二部分电路、收发天线和开发上位机，其特征在于，所述第一部分电路是采集指令发送电路，采集指令发送电路包括DSP控制器、信号发生器、功率放大器、开关电路和高速开关，信号强度检测模块，可自动伸缩信号收发天线，第二部分电路是数据接收电路，数据接收电路包括带通滤波器，两个低噪声放大器、频率发生器、混频电路、低通滤波电路、低频信号处理器、DSP控制器和与上位机进行通信的数据接口，DSP控制器与信号发送器连接，信号发送器与功率放大器连接，功率放大器与高速开关连接，高速开关与开关电路连接，信号强度检测模块与开关电路连接，可自动伸缩信号收发天线与开关电路连接，开关电路与带通滤波器连接，带通滤波器与两个低噪声放大器连接，两个低噪声放大器串联，低噪声放大器和频率发生器均与混频电路连接，混频电路与低通滤波器连接，低通滤波器和DSP控制器均与低频信号处理器连接，低频信号处理器通过通信接口与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，其特征在于，所述DSP控制器作为整个数据采集系统的控制中心，在采集指令发送电路中用于产生时序信号进行控制各部分电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，其特征在于，所述信号发生器用于产生频率的高频简谐信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，其特征在于，所述开关电路具有自动调整状态的功能，当信号发生器触发后，信号发生器给开关电路发送指令信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，其特征在于，所述收发天线具有自动伸缩功能，DSP控制器根据所接收信号的强度值，可自动调节收发天线的长度，用于扩大信号接收范围。

6.根据权利要求1所述的一种基于声表面波传感器的检测数据采集系统，其特征在于，所述开发上位机具有数据采集、显示、导出基本功能，还具有远程控制与阈值报警处理功能，当信号值不在阈值范围内，上位机作出判断之后，发送相应指令进行调整接收天线长度，进而增大数据接收的范围，上位机通过RS485串口线与数据采集电路相连接。

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