CN2729836Y

CN2729836Y - 用于土木结构监测的无线应变传感器

Info

Publication number: CN2729836Y
Application number: CN 200420063447
Authority: CN
Inventors: 欧进萍; 喻言
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2014-09-21

Abstract

本实用新型提供的是一种用于土木结构监测的无线应变传感器。它包括埋入被测结构中并引出两根导线的电阻应变片，电阻应变片引出的导线连接前端处理模块，前端处理模块通过端子与由微处理器、晶振电路、A/D调制电路以及滤波电路连接组成的微处理单元模块连接，微处理单元模块的UART口与无线收发模块相连，前端处理模块、微处理单元模块与无线收发模块设置于同一壳体内并共用一个电源。本无线应变传感器解决了利用电阻应变片测试结构局部应变、对应变信号预处理以及信号的无线传输问题。

Description

用于土木结构监测的无线应变传感器

(一)技术领域

本实用新型涉及的是一种用于土木工程结构局部监测的装置，具体地说是一种利用传感技术、通信技术以及MEMS技术所集成的无线应变传感器。

(二)背景技术

大型土木工程结构和基础设施使用期均长达几十年甚至上百年。在其服役过程中，受到环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构不可避免地产生损伤积累、抗力衰减、甚至导致突发事故。应用监测以及健康诊断技术实现对土木工程结构的可靠性评价与设计已成为土木工程领域的一个重要研究方向，这为土木工程结构的安全运行提供了充分保证。而利用各类传感器对结构的特征信息进行采集是进行土木工程结构监测及健康诊断的前提和保证。同时，对于土木工程中在役的结构或构件，对其的局部应变信号进行采集监测，可以更有效判断结构运行状态和保证结构安全。

随着结构健康监测技术的应用与发展，传统的“有线”传感器存在的一系列不足在结构健康监测应用中已凸显出来，并将制约该项技术的进一步发展。由于无线传感技术具有节省网络布线，安装维护方便等优点，为结构智能监测开辟了一个崭新的方向，并为结构健康监测技术的持续发展提供了动力。

电阻应变丝或片是结构表面局部应变测量最常用的传感元件，可以埋置入结构中，与基底材料胶合，性能较稳定，可以组成各种形状和面积的阵列，防电磁干扰，耐久性较好。而且电阻应变丝直径很小，仅3-10微米，不影响埋置材料的性能。此外，应变片价格低廉，容易购买。应变片采集原理：结构发生应变后，被埋入其内部的应变片感知，引起应变片电阻变化，该电阻变化通过如图3电桥电路(以下均以1/4桥为例，图中Rg相当于应变片电阻)转换成电压信号，经过放大后备采集。通常，放大后的信号采集方式如下，一种直接接到应变采集仪读取出来；一种直接接到与计算机相连的工控板卡上。但这些方式或者由于应变采集仪体积较大、或者受布线长度的影响，给实际工程应用带来了不便。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够对土木工程结构局部应变进行采集、信号预处理、无线传输，并且实现信号采集处理模块和无线收发模块集成的土木结构监测的无线应变传感器。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括埋入被测结构中并引出两根导线的电阻应变片，电阻应变片引出的导线连接前端处理模块，前端处理模块通过端子与由微处理器、晶振电路、A/D调制电路以及滤波电路连接组成的微处理单元模块连接，微处理单元模块的UART口与无线收发模块相连，前端处理模块、微处理单元模块与无线收发模块设置于同一壳体内并共用一个电源。

本实用新型还可以包括这样一些结构特征：

1、连接电阻应变片和微处理单元的前端处理模块，可以将结构应变信号放大到适合采样的正负5V直流电压。

2、前端处理模块、微处理单元模块、无线收发模块和电源采用上下结构分层布置于壳体中。

3、无线收发模块的组成为：电阻R21、电容C23的一端与芯片U2(即20脚的AT90S2313)的脚1相连构成上电复位电路；电容C24、C25并联一端与地、另一端与电源相接构成滤波电路；电容C21、C22一端并联接地另一端分别接10M的晶振Y21构成U2的晶振电路；U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接、10接地、20接电源；U2的脚1接CON9(即9脚的板边连接器)的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7；U2的脚6与芯片U3(即CC1000)脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接；电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31连接构成接收发射部分，该部分与U3的脚3、脚4相连接；L33接U3的脚10、11，构成压控振荡电路；R31连接到U3的脚13；电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31构成晶振电路；U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接；

前端处理模块组成为：电桥(均以1/4电桥为例)中Rg表示应变片，Rb是与Rg同规格的应变片，用于温度补偿用，它们与2个120Ω电阻共同构成电桥；电桥输出接芯片OP1(仪表放大器AD623，下同)脚2和3，OP1脚1、8接电阻R0来实现对输入信号的增益调节，脚7接电源并与去耦电容C0相连，脚4、5接地，脚6作为放大输出进入二阶butterworth电路；二阶butterworth电路主要实现低通滤波作用，R1、R2、C1一端相连，芯片OP2(放大器LM358)脚3与R2、C2相连，脚2与脚1直接相连构成射随器，脚1还与C1一端相连，脚4接地，脚8接电源，脚5、6、7无连接。

微处理单元模块组成为：经前端处理模块放大后的信号由OP2的脚1接到微处理器U0(ATMEGA8)脚28；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路；C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路，；U0脚4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未连接；U0脚3与无线收发模块的CON9脚6连接；U0脚13与无线收发模块的CON9脚9连接，来控制无线收发模块在不正常工作的情况下复位以便重新正常工作。

本实用新型的优点在于：将电阻应变片的前端处理电路、微处理单元模块、无线收发模块以及能量模块集成为一体，构成土木工程结构局部监测的无线应变传感器。无线应变传感器解决了利用电阻应变片测试结构局部应变、对应变信号预处理以及信号的无线传输问题，尽管将无线传感器应用于土木结构监测还处于初步研究阶段，但传感器节点易于安装拆除、节约布设导线的费用和节省安装时间等特点决定了无线应变传感器具有广阔的前景和实用价值。

(四)附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的一种实施方案的电路结构示意图；

图3是电阻应变片1/4电桥电路的结构示意图。

(五)具体实施

选用在埋入结构内部的电阻应变片为传感器，针对土木工程结构信号以低频为主、应变幅值较小的特点，设计前端处理电路指标为，仪表放大器放大倍数为200、500选择，butterworth电路低通滤波截止频率为25Hz，前端处理电路作成一个PCB板；选用具备低功耗、大存储量、小引脚封装等特点的ATMEGA8L作微处理器。设计微处理单元模块采用2层PCB板，PCB板上主要是晶振电路、A/D采集滤波电路以及发光二极管电路；无线收发模块引出的端子与微处理单元模块端子连接。能量模块采用市场通用的锂电池或者普通电池，其输出电压在3-5V之间。将上述各单元模块集成于一体，构成无线应变传感器。

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

如图1所示无线应变传感器的组成包括电阻应变片及其前端处理电路1，由微处理器、晶振电路、A/D调制电路以及滤波电路组成的微处理单元模块2，以及无线收发模块3。电阻应变片埋入结构内部，前端处理电路、微处理单元模块与无线收发模块设置于同一壳体内并共用一个电源4，微处理器的UART口与无线通信模块相连电阻应变片连接有可输入前端处理单元模块的导线。前端处理单元模块、微处理单元模块、无线收发模块和电源采用上下结构分层布置于壳体中。

同时结合图2，CC1000为核心的无线收发模块以及微处理器单元ATMEGA8和电阻应变片前端处理电路共同组成的无线应变传感器。整个电路由无线收发电路板、微处理器电路板以及前端处理电路板组成，无线收发电路板、微处理器电路板2个电路板通过板边连接器CON9连接起来，电阻应变片的前端处理电路通过CON2与微处理电路相连。具体电连接情况如下：对于无线收发模块，电阻R21、电容C23的一端与芯片U2(即20脚的AT90S2313)的脚1相连构成上电复位电路；电容C24、C25并联一端与地、另一端与电源相接构成滤波电路；电容C21、C22一端并联接地另一端分别接10M的晶振Y21构成U2的晶振电路；U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接、10接地、20接电源；U2的脚1接CON9(即9脚的板边连接器)的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7；U2的脚6与芯片U3(即CC1000)脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接；电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31连接构成接收发射部分，该部分与U3的脚3、脚4相连接；L33接U3的脚10、11，构成压控振荡电路；R31连接到U3的脚13；电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31构成晶振电路；U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接。对于前端处理模块，电桥(均以1/4电桥为例)中Rg表示应变片，Rb是与Rg同规格的应变片，用于温度补偿用，它们与2个120Ω电阻共同构成电桥；电桥输出接芯片OP1(仪表放大器AD623，下同)脚2和3，OP1脚1、8接电阻R0来实现对输入信号的增益调节，脚7接电源并与去耦电容C0相连，脚4、5接地，脚6作为放大输出进入二阶butterworth电路；二阶butterworth电路主要实现低通滤波作用，R1、R2、C1一端相连，芯片OP2(放大器LM358)脚3与R2、C2相连，脚2与脚1直接相连构成射随器，脚1还与C1一端相连，脚4接地，脚8接电源，脚5、6、7无连接。对于微处理单元模块，经前端处理模块放大后的信号由OP2的脚1接到微处理器U0(ATMEGA8)脚28；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路；C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路，；U0脚4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未连接；U0脚3与无线收发模块的CON9脚6连接；U0脚13与无线收发模块的CON9脚9连接，来控制无线收发模块在不正常工作的情况下复位以便重新正常工作。

无线应变传感器的数据采集处理程序嵌入在微处理单元中，实现对传感器的信号采集和预处理，同时也对处理后的数据进行打包发送。具体程序流程为：上电后，利用所设计的程序对各种参数进行初始化，然后控制ATMEGA8一直处于等待接收数据状态，一旦接收到事先设定好的数据，ATMEGA8依据数据类型进行发送数据、接收数据、采集传感器数据等。

Claims

1、一种用于土木结构监测的无线应变传感器，它包括埋入被测结构中并引出两根导线的电阻应变片，其特征是：电阻应变片引出的导线连接前端处理模块，前端处理模块通过端子与由微处理器、晶振电路、A/D调制电路以及滤波电路连接组成的微处理单元模块连接，微处理单元模块的UART口与无线收发模块相连，前端处理模块、微处理单元模块与无线收发模块设置于同一壳体内并共用一个电源。

2、根据权利要求1所述的用于土木结构监测的无线应变传感器，其特征是：前端处理模块、微处理单元模块、无线收发模块和电源采用上下结构分层布置于壳体中。

3、根据权利要求1或2所述的用于土木结构监测的无线应变传感器，其特征是：

无线收发模块的组成为：电阻R21、电容C23的一端与芯片U2即20脚的AT90S2313的脚1相连；电容C24、C25并联一端与地、另一端与电源相接；电容C21、C22一端并联接地另一端分别接10M的晶振Y21；U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接、10接地、20接电源；U2的脚1接CON9即9脚的板边连接器的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7；U2的脚6与芯片U3即CC1000脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接；电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31连接，再与与U3的脚3、脚4相连接；L33接U3的脚10、11；R31连接到U3的脚13；电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31；U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接；

前端处理模块组成为：电桥中应变片Rg、Rb与2个电阻共同构成电桥；电桥输出接芯片OP1即仪表放大器AD623的脚2和3，OP1脚1、8接电阻R0，脚7接电源并与去耦电容C0相连，脚4、5接地，脚6作为放大输出进入二阶butterworth电路；R1、R2、C1一端相连，芯片OP2即放大器LM358脚3与R2、C2相连，脚2与脚1直接相连，脚1还与C1一端相连，脚4接地，脚8接电源，脚5、6、7无连接。

微处理单元模块组成为：经前端处理模块放大后的信号由OP2的脚1接到微处理器U0即ATMEGA8脚28；R01、C01与U0脚1相连；C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03相连，与U0脚15、16相连R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路；U0脚4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未连接；U0脚3与无线收发模块的CON9脚6连接；U0脚13与无线收发模块的CON9脚9连接。