專利名稱：自校準(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測的采集裝置，具體涉及一種滿足多種應(yīng)用場合的具備自校準(zhǔn)功能的三軸振動(dòng)監(jiān)測及多種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的采集裝置。
二、背景技術(shù)近年來，隨著國家對(duì)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(cái)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(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)物周圍的環(huán)境并沒有給予相應(yīng)考慮，對(duì)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(huì)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(kuò)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。
三、實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用范圍廣，測量精度高的滿足振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測方法及多功能采集裝置，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(kuò)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。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的自校準(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集裝置，由一組振動(dòng)監(jiān)測模塊，溫度補(bǔ)償模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號(hào)調(diào)理模塊組成；所述振動(dòng)監(jiān)測模塊包括高精度加速度傳感器；所述溫度補(bǔ)償模塊用來自校準(zhǔn)振動(dòng)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(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)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(dòng)監(jiān)測模塊連接信號(hào)調(diào)理模塊，振動(dòng)監(jiān)測模塊采集振動(dòng)信號(hào)，環(huán)境監(jiān)測模塊采集溫度信號(hào)、濕度信號(hào)和光照度信號(hào)；傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)連接信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)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(dòng)信號(hào)根據(jù)輸出的溫度信號(hào)和溫度補(bǔ)償模塊被相應(yīng)的溫度補(bǔ)償；溫度信號(hào)，濕度信號(hào)，光照度信號(hào)會(huì)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(gè)方向(三軸加速度傳感器)的加速度測量。因?yàn)檎駝?dòng)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(huì)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(huì)產(chǎn)生較大偏差，因此這里除了配有振動(dòng)監(jiān)測模塊，還配置了溫度補(bǔ)償模塊用來自校準(zhǔn)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(kuò)展到其他領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測。振動(dòng)模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊最終將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊輸出。本實(shí)用新型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(dòng)信號(hào)，分析設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，其監(jiān)測范圍同時(shí)滿足低頻和高頻振動(dòng)。環(huán)境監(jiān)測可同時(shí)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(dòng)模塊提供三軸振動(dòng)監(jiān)測功能，輸出信號(hào)為模擬信號(hào)。振動(dòng)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(dòng)信號(hào)，分析其振動(dòng)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(hào)為數(shù)字信號(hào)。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(bǔ)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(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。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(zhǔn)由處理器完成。信號(hào)調(diào)理模塊提供若干通道的模擬信號(hào)接入，信號(hào)會(huì)經(jīng)過放大后，到達(dá)抗混疊濾波器，最后經(jīng)過高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)最后通過數(shù)字接口輸出。信號(hào)調(diào)理模塊還提供了可擴(kuò)展模擬輸入接口，方便將來各種場合的應(yīng)用擴(kuò)展。自校準(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測方法是利用溫度傳感器校準(zhǔn)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(gè)數(shù)據(jù)，首先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)值，其中包括加速度基準(zhǔn)值和溫度基準(zhǔn)值Ttl, 可以取這次采集過程中前M(如100)個(gè)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(gè)溫度數(shù)值的平均值。然后獲得某個(gè)時(shí)刻的加速度值％，同時(shí)獲得該對(duì)應(yīng)時(shí)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
N
■y ai ~a0_tr T1-T0
ιΟχ ——
τ N其中， 為第i個(gè)加速度數(shù)值，Ti為第i個(gè)溫度數(shù)值，N為采集的加速度個(gè)數(shù)，
100
aO =Zai/100
100T0 =^T1ZlOO
1=1然后，根據(jù)得到的&校準(zhǔn)加速度輸出值實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。本實(shí)用新型的有益效果是1、系統(tǒng)帶有多功能采集裝置，包括三軸振動(dòng)，溫度，濕度，光照度，可同時(shí)應(yīng)用于不同場合，包括重大基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。2、信號(hào)調(diào)理器提供放大器，抗混疊濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器等一系列信號(hào)處理功能，滿足系統(tǒng)微小型，集成化功能。[0021]3、系統(tǒng)在系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)多種采樣率和截止頻率，因此可以根據(jù)所監(jiān)測對(duì)象的不同振動(dòng)頻率設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)，滿足不同場合的需求，擴(kuò)展性高。4、系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能，有效抑制振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)偏移，無需后臺(tái)數(shù)據(jù)處理。5、系統(tǒng)應(yīng)用場合極其廣泛，可適應(yīng)不同的有線，無線通信平臺(tái)；另外系統(tǒng)還提供可擴(kuò)展模擬輸入接口，為以后的擴(kuò)展應(yīng)用提供方便。

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)工作流程圖；圖2是本實(shí)用新型系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖圖3是系統(tǒng)溫度補(bǔ)償流程圖；圖4是系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理器體系結(jié)構(gòu)五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)闡述，但本系統(tǒng)應(yīng)用范圍不限于此例。結(jié)合圖1和圖2，系統(tǒng)采集振動(dòng)信號(hào)，溫度信號(hào)，濕度信號(hào)，光照度信號(hào)；其中振動(dòng)信號(hào)會(huì)通過信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行放大，抗混疊濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過數(shù)字接口(本例使用 SPI接口)輸出，在輸出之前，振動(dòng)信號(hào)還會(huì)根據(jù)輸出的溫度信號(hào)來進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償； 溫度信號(hào)，濕度信號(hào)，光照度信號(hào)會(huì)經(jīng)過自身模塊的放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過數(shù)字接口(本例使用IIC接口)輸出。系統(tǒng)的加速度模塊提供三個(gè)方向(三軸加速度傳感器)的加速度測量，范圍為-2g到+2g，測量精度可以達(dá)到0. 66V/g。系統(tǒng)不僅可以測量高頻振動(dòng)，對(duì)于像橋梁等結(jié)構(gòu)物的低頻振動(dòng)，系統(tǒng)也可以很好的滿足。信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行放大，抗混疊濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路均是常規(guī)電路。結(jié)合圖3，系統(tǒng)除了配置了三軸加速度傳感器用來獲取振動(dòng)信號(hào)外，還配置了溫度傳感器。一方面，溫度傳感器可以用來獲取監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境溫度；另一方面，可以用來校準(zhǔn)加速度傳感器的輸出值。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞯拿舾性蠖嗖捎媒饘倩虬雽?dǎo)體材料，其靜態(tài)特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系。在某些環(huán)境下，加速度傳感器會(huì)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(huì)產(chǎn)生較大偏差。因此，為了獲得準(zhǔn)確的測量值，必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來的影響，即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為了利用溫度傳感器校準(zhǔn)加速度輸出值，首先需要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&。假設(shè)一次過程采集N個(gè)數(shù)據(jù)，首先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)值，其中包括加速度和溫度Ttl，a0可以取這次采集過程中前100個(gè)加速度數(shù)據(jù)的平均值，T0取這次采集過程中前100個(gè)溫度數(shù)值的平均值。然后獲得某個(gè)時(shí)刻的加速度值^， 同時(shí)獲得該對(duì)應(yīng)時(shí)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
N
■y ai ~a0_tT T1-T0
ιΟχ ——
τ N其中，a,為第i個(gè)加速度數(shù)值，Ti為第i個(gè)溫度數(shù)值，N為采集的加速度個(gè)數(shù)，
5[0034]
權(quán)利要求1.自校準(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集裝置，其特征是由振動(dòng)監(jiān)測模塊，溫度補(bǔ)償模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號(hào)調(diào)理模塊組成；所述振動(dòng)監(jiān)測模塊包括高精度加速度傳感器； 所述溫度補(bǔ)償模塊用來自校準(zhǔn)振動(dòng)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(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)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(dòng)監(jiān)測模塊連接信號(hào)調(diào)理模塊，振動(dòng)監(jiān)測模塊采集振動(dòng)信號(hào)，環(huán)境監(jiān)測模塊采集溫度信號(hào)、濕度信號(hào)和光照度信號(hào)；傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)連接信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)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(dòng)信號(hào)根據(jù)輸出的溫度信號(hào)和溫度補(bǔ)償模塊被相應(yīng)的溫度補(bǔ)償；溫度信號(hào)，濕度信號(hào)，光照度信號(hào)會(huì)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(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集裝置，其特征是加速度模塊提供三個(gè)方向的加速度傳感器。
專利摘要自校準(zhǔn)三軸振動(dòng)監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測采集裝置，由一組振動(dòng)監(jiān)測模塊，溫度補(bǔ)償模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊以及信號(hào)調(diào)理模塊組成；所述振動(dòng)監(jiān)測模塊包括高精度加速度傳感器；所述溫度補(bǔ)償模塊用來自校準(zhǔn)振動(dòng)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(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)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(dòng)監(jiān)測模塊連接信號(hào)調(diào)理模塊，振動(dòng)監(jiān)測模塊采集振動(dòng)信號(hào)，環(huán)境監(jiān)測模塊采集溫度信號(hào)、濕度信號(hào)和光照度信號(hào)；傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)連接信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)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(bǔ)償。本實(shí)用新型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(hào)G01H17/00GK202002724SQ20102066088
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)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(qǐng)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