專利名稱：自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測的采集系統(tǒng)，具體涉及一種滿足多種應(yīng)用場合的 具備自校準功能的三軸振動監(jiān)測及多種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的采集系統(tǒng)。背景技術(shù)：
近年來，隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，大量重大基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁，建筑物，隧 道等已在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜浅Ｖ匾慕巧?。但是，由于環(huán)境侵蝕，材料老化以及長期 的荷載作用，這些設(shè)施的健康狀態(tài)同樣引起人們的擔(dān)憂。為了保障人民的生命財產(chǎn)安全，已 完成的這些基礎(chǔ)設(shè)施急需采用有效的手段來判斷其健康狀態(tài)并及時做出反應(yīng)。傳統(tǒng)的單一 傳感系統(tǒng)僅僅考慮采集相關(guān)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，對結(jié)構(gòu)物周圍的環(huán)境并沒有給予相應(yīng)考慮，對 由于環(huán)境(溫度等)變化引起的數(shù)據(jù)輸出偏差并沒有給予相應(yīng)的處理，現(xiàn)有的三軸加速度 傳感器系金屬或半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，傳感器的材料和結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫度的影響較大，相應(yīng)的輸 出也會有所偏離?，F(xiàn)有的測量監(jiān)測系統(tǒng)適用范圍小，體積龐大，測量精度低，測量參數(shù)少，不 易于擴展，這些特性導(dǎo)致其不能滿足現(xiàn)代重大基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用范圍廣，測量精度高的滿足振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測 方法及多功能采集系統(tǒng)，系統(tǒng)自帶高精度三軸加速度傳感器并且數(shù)據(jù)輸出不隨溫度變化產(chǎn) 生漂移。系統(tǒng)留有可擴展模擬輸入接口，方便將來應(yīng)用于多種領(lǐng)域；除此之外，系統(tǒng)自帶的 溫度，濕度，光照度監(jiān)測，不僅可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物的環(huán)境監(jiān)測，還可以廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域 的環(huán)境監(jiān)測。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，由振動 監(jiān)測模塊，溫度補償模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號調(diào)理模塊組成；所述振動監(jiān)測模塊包括高 精度加速度傳感器；所述溫度補償模塊用來自校準振動監(jiān)測模塊的輸出；所述環(huán)境監(jiān)測模 塊包括溫度傳感器，濕度傳感器，光照度傳感器；所述信號調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路、抗 混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口輸出；振動監(jiān)測模塊連接信號調(diào)理模塊，振動監(jiān)測模塊 采集振動信號，環(huán)境監(jiān)測模塊采集溫度信號、濕度信號和光照度信號；傳感器輸出的振動信 號連接信號調(diào)理電路進行放大、并接抗混疊濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后通過數(shù)字接口輸出， 在數(shù)字接口輸出之前，振動信號根據(jù)輸出的溫度信號和溫度補償模塊被相應(yīng)的溫度補償； 溫度信號，濕度信號，光照度信號會經(jīng)過自身模塊的放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過數(shù)字接口輸出。
加速度模塊提供三個方向(三軸加速度傳感器)的加速度測量。
因為振動監(jiān)測模塊中加速度傳感器的敏感元件大多采用金屬或半導(dǎo)體材料，其靜 態(tài)特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系。在大部分條件下，加速度傳感器會由于工作環(huán)境溫度 變化較大的原因影響其靜態(tài)特性，其輸出值也因此會產(chǎn)生較大偏差，因此這里除了配有振 動監(jiān)測模塊，還配置了溫度補償模塊用來自校準系統(tǒng)的輸出。環(huán)境監(jiān)測模塊不僅可以用于 結(jié)構(gòu)物的環(huán)境監(jiān)測，還可以擴展到其他領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測。振動模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊最終將經(jīng)過信號調(diào)理模塊輸出。
本發(fā)明集成多種適用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測的傳感器，其中加速度 傳感器可用于采集設(shè)施的三維振動信號，分析設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，其監(jiān)測范圍同時滿足 低頻和高頻振動。環(huán)境監(jiān)測可同時采集結(jié)構(gòu)物環(huán)境溫度，濕度，光照度等參數(shù)，另外還可滿 足其他領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測。
振動模塊提供三軸振動監(jiān)測功能，輸出信號為模擬信號。振動模塊主要應(yīng)用于橋 梁，隧道，建筑物等重大基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。通過采集這些設(shè)施關(guān)鍵區(qū)域的振動信 號，分析其振動頻率，繼而可以判斷其所處健康狀態(tài)。
環(huán)境監(jiān)測模塊內(nèi)部提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，輸出信號為數(shù)字信號。環(huán)境監(jiān)測包括溫度， 濕度和光照度監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測不僅可以用作采集結(jié)構(gòu)物周圍的環(huán)境信息，還可以用于獲取 其他領(lǐng)域的環(huán)境信息。
溫度補償模塊是根據(jù)加速度傳感器的輸出變化量與引起該輸出量變化的溫度變 化量之比，來建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型進行數(shù)據(jù)校準。溫度的變化量獲取由環(huán)境監(jiān)測模塊的溫度 傳感器提供，數(shù)據(jù)校準由處理器完成。
信號調(diào)理模塊提供若干通道的模擬信號接入，信號會經(jīng)過放大后，到達抗混疊濾 波器，最后經(jīng)過高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)最后通過數(shù)字接口輸出。信號調(diào)理 模塊還提供了可擴展模擬輸入接口，方便將來各種場合的應(yīng)用擴展。
自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測方法是
利用溫度傳感器校準加速度輸出值，首先獲取加速度傳感器的輸出變化量與引起 該輸出量變化的溫度變化量之比&。如果一次過程采集N個數(shù)據(jù)，首先設(shè)定一個基準值，其 中包括加速度基準值和溫度基準值Ttl, 可以取這次采集過程中前M(如100)個加速度 數(shù)據(jù)的平均值，Ttl取這次采集過程中前M(如100)個溫度數(shù)值的平均值。然后獲得某個時 刻的加速度值％，同時獲得該對應(yīng)時刻的溫度值Ti,那么加速度傳感器的輸出變化量與引 起該輸出量變化的溫度變化量之比st為
權(quán)利要求
1.自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，其特片是由振動監(jiān)測模塊，溫度補償模 塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號調(diào)理模塊組成；所述振動監(jiān)測模塊包括高精度加速度傳感器； 所述溫度補償模塊用來自校準振動監(jiān)測模塊的輸出；所述環(huán)境監(jiān)測模塊包括溫度傳感器， 濕度傳感器，光照度傳感器；所述信號調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn) 換器和數(shù)字接口輸出；振動監(jiān)測模塊連接信號調(diào)理模塊，振動監(jiān)測模塊采集振動信號，環(huán)境 監(jiān)測模塊采集溫度信號、濕度信號和光照度信號；傳感器輸出的振動信號連接信號調(diào)理電 路進行放大、并接抗混疊濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后通過數(shù)字接口輸出，在數(shù)字接口輸出之 前，振動信號根據(jù)輸出的溫度信號和溫度補償模塊被相應(yīng)的溫度補償；溫度信號，濕度信 號，光照度信號會經(jīng)過自身模塊的放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過數(shù)字接口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，其特征是加速度 模塊提供三個方向(三軸加速度傳感器)的加速度測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，其特征是溫度校 準三軸振動監(jiān)測方法是利用溫度傳感器校準加速度輸出值，首先獲取加速度傳感器的輸出變化量與引起該輸 出量變化的溫度變化量之比&。如果一次過程采集N個數(shù)據(jù)，首先設(shè)定一個基準值，其中包 括加速度基準值和溫度基準值Ttl, 可以取這次采集過程中前M(如100)個加速度數(shù)據(jù) 的平均值，Ttl取這次采集過程中前M(如100)個溫度數(shù)值的平均值。然后獲得某個時刻的 加速度值^，同時獲得該對應(yīng)時刻的溫度值Ti,那么加速度傳感器的輸出變化量與引起該 輸出量變化的溫度變化量之比&為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，其特征是抗混疊 濾波器為可編程濾波器，可根據(jù)需求設(shè)定不同的采樣頻率和截止頻率，滿足不同應(yīng)用場合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，其特征是信號調(diào) 理電路可同時完成多通道的信號調(diào)理，并且提供可擴展輸入接口。
全文摘要
自校準三軸振動監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)，由一組振動監(jiān)測模塊，溫度補償模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號調(diào)理模塊組成；所述振動監(jiān)測模塊包括高精度加速度傳感器；所述溫度補償模塊用來自校準振動監(jiān)測模塊的輸出；所述環(huán)境監(jiān)測模塊包括溫度傳感器，濕度傳感器，光照度傳感器；所述信號調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口輸出；振動監(jiān)測模塊連接信號調(diào)理模塊，振動監(jiān)測模塊采集振動信號，環(huán)境監(jiān)測模塊采集溫度信號、濕度信號和光照度信號；傳感器輸出的振動信號連接信號調(diào)理電路進行放大模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后通過數(shù)字接口輸出，并經(jīng)溫度補償。本發(fā)明集成多種適用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測的傳感器。
文檔編號G01D3/028GK102032943SQ201010589368
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者丁華平, 劉云峰, 吉林, 沈慶宏, 阮靜, 陳策, 陳紅梅 申請人:南京大學(xué), 常州賽杰電子信息有限公司, 江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部