本實(shí)用新型屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)。

背景技術(shù)：

目前，MEMS傳感器是一種新型的微機(jī)械器件，極大促進(jìn)傳感器的微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)功能化發(fā)展。其種類繁多，在物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域都有顯著發(fā)展，有運(yùn)動(dòng)式、支承式、控制式檢測質(zhì)量的MEMS傳感器。制造技術(shù)的日益精進(jìn)使MEMS傳感器的參數(shù)指標(biāo)和性能不斷提高，與多種學(xué)科的價(jià)差融合又使傳感器不斷推陳出新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。

MEMS加速度計(jì)用于測量載體的加速度，并提供相關(guān)的速度和位移信息。MEMS加速度計(jì)的主要性能指標(biāo)包括測量范圍、分辨率、剛度因數(shù)穩(wěn)定性、軸向交叉效應(yīng)、噪聲、零偏穩(wěn)定性等。該傳感器具有尺寸小、重量輕和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)高精度的微型傳感器，應(yīng)用于穩(wěn)定性較高的領(lǐng)域。另外，長電纜在傳輸理論中線路阻抗的變化受頻率信號(hào)幅值影響而變化，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的工程布設(shè)存在一定難題，接線繁瑣、復(fù)雜，后期維護(hù)耗費(fèi)大量時(shí)間、成本。

現(xiàn)提出利用高精度的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，該設(shè)備具有長期的穩(wěn)定可靠性、抗干擾能力強(qiáng)，采集接口簡單等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用測量于橋梁、邊坡等工程中。因此，一種具有穩(wěn)定可靠、抗振動(dòng)和沖擊、小型應(yīng)用的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)亟待提出，能廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、邊坡等技術(shù)要求高的惡劣環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出了一種性能優(yōu)越、安裝簡便的用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，該應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)可接入不 同阻值的應(yīng)變片，監(jiān)測更全面準(zhǔn)確，兼容性好，體積小，易布置，易拆裝，功耗低，可靠性高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，包括時(shí)鐘電路、MCU微處理器和MEMS電路，所述MEMS電路的輸出端電性連接有濾波電路，所述濾波電路的輸出端電性連接有AD轉(zhuǎn)換電路，所述AD轉(zhuǎn)換電路和時(shí)鐘電路的輸出端與MCU微處理器的輸入端電性連接，且AD轉(zhuǎn)換電路與MCU微處理器連接，用于加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供MCU微處理器分析,所述MCU微處理器的信號(hào)連接端信號(hào)連接有GPRS無線模塊，所述MEMS電路、MCU微處理器和GPRS無線模塊的電源輸入端均電性連接于電源管理電路,所述GPRS無線模塊(7)輸出的信號(hào)與外置的監(jiān)測平臺(tái)輸入的信號(hào)連接,且其GPRS無線模塊采用基于TCP/IP模式組建的無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，其載波頻段帶寬大，射頻信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸速率高，能實(shí)現(xiàn)透傳傳輸，所述GPRS無線模塊輸出的信號(hào)與外置的監(jiān)測平臺(tái)輸入的信號(hào)連接，所述應(yīng)變采集節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)通過GPRS無線模塊建立TCP服務(wù)器，等待連接后上位機(jī)發(fā)送控制指令，MEMS采集到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測平臺(tái)。

優(yōu)選的，所述MCU微處理器包括：MSP430F5438微處理芯片、時(shí)鐘電路模塊、GPRS無線模塊電路，且MSP430F5438微處理芯片分別與時(shí)鐘電路模塊和GPRS無線模塊電路電性連接,用于傳輸處理過的加速度信號(hào)，MEMS采用LIS344ALH芯片作為自振元件，在軸向上的靜態(tài)靈敏度達(dá)到0.66mV/g，精度在+1％，可承受±2g的加速度信號(hào)沖擊，工作采樣頻率帶寬1-500Hz，零偏穩(wěn)定性僅為0.5°/h，每軸加速度響應(yīng)3000g/0.5ms，能夠滿足高分率的實(shí)用場合。

優(yōu)選的，所述MEMS電路采用壓電效應(yīng)的加速度計(jì)和LIS344ALH芯片作為自振元件，且MEMS電路內(nèi)置了調(diào)理電路，其MEMS利用振梁的力頻特性，檢測諧振頻率變化，且MEMS內(nèi)置了調(diào)理電路，輸出端直接與濾波電路連接，用 于濾除加速度的諧波分量，獲得最佳的品質(zhì)因數(shù)和截止頻率。

優(yōu)選的，所述電源管理電路為TLC2154的單供電電源，且電源管理電路的電壓輸出端設(shè)有低壓差線性穩(wěn)壓器芯片，電源管理電路電壓采用低壓差線性穩(wěn)壓器芯片實(shí)現(xiàn)±15V到±12V的轉(zhuǎn)變和12V到4V的轉(zhuǎn)變，以便對(duì)不同供電電壓的電路進(jìn)行供電，提高電路電壓的穩(wěn)定性；該TLC2154的單供電電源能夠避免抗電磁干擾，得到高阻抗源、低噪聲的穩(wěn)定性，采用TLC2154單電源供電的高精度運(yùn)放，與電阻電容構(gòu)成濾波電路。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：該用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，通過GPRS無線的通訊方法解決了傳統(tǒng)有線方式接線復(fù)雜、布線繁瑣、信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸誤差大、后期維護(hù)不變等缺點(diǎn)，同時(shí)MEMS電路采用壓電效應(yīng)的加速度計(jì)，運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)置的質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，使支撐的剛體發(fā)生應(yīng)變，最終加速度變成電壓輸出給濾波電路，用于測量X、Y、Z三軸加速度的電壓信號(hào)，再與AD轉(zhuǎn)換電路相連，形成有效的數(shù)字信號(hào)經(jīng)微處理器分析，適合在長期監(jiān)測或檢測中使用，其中MEMS采用LIS344ALH芯片作為自振元件，在軸向上的靜態(tài)靈敏度達(dá)到0.66mV/g，精度在+1％，可承受±2g的加速度信號(hào)沖擊，工作采樣頻率帶寬1-500Hz，零偏穩(wěn)定性僅為0.5°/h，每軸加速度響應(yīng)3000g/0.5ms，能夠滿足高分辨率的實(shí)用場合，電源管理電路輸出端的低壓差線性穩(wěn)壓器芯片實(shí)現(xiàn)±15V到±12V的轉(zhuǎn)變和12V到4V的轉(zhuǎn)變，以便對(duì)不同供電電壓的電路進(jìn)行供電，提高電路電壓的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)整體電路圖；

圖2為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)中MEMS濾波電路圖；

圖3為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集 節(jié)點(diǎn)中AD轉(zhuǎn)換電路圖；

圖4為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)中電源管理電路圖；

圖5為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)中GPRS無線電路圖；

圖6為本實(shí)用新型一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)中微處理器與時(shí)鐘電路圖。

圖中：1電源管理電路、2MEMS電路、3濾波電、4AD轉(zhuǎn)換電路、5MUC微處理器、6時(shí)鐘電路、7GPRS無線電路。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型提供了如圖1所示的一種用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，包括：電源管理電路1、MEMS電路2、濾波電路3、AD轉(zhuǎn)換電路4、MUC微處理器5、時(shí)鐘電路6、GPRS無線電路7。

如圖2所示，本實(shí)用新型選擇LIS344ALH傳感器為核心MEMS電路2，對(duì)三軸坐姿的加速度計(jì)零偏，靜態(tài)漂移和標(biāo)定因數(shù)進(jìn)行采集，其內(nèi)部已安置調(diào)理電路，輸出直接是放大過的電壓信號(hào)。再通過TLC2254濾波電路3去除諧波分量，使輸出的靈敏度系數(shù)更準(zhǔn)確。

如圖3所示，AD轉(zhuǎn)換電路4采用ADS1248芯片做16位的AD轉(zhuǎn)換，采用總線式結(jié)構(gòu)與MCU微處理器5連接，并用MAX4051只做3路選擇，同時(shí)傳輸3路的加速度信號(hào)，分別是X、Y、Z三軸。

如圖4所示，電源管理電路1先采用DC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)，將鋰電池升壓至±15V，再采用線性三端穩(wěn)壓器LM7805、LM7905和MP2303組成，實(shí)現(xiàn)±12V到±5V、12V到4V的轉(zhuǎn)變，以滿足不同電路對(duì)供電電壓的需求，保證供電電壓持續(xù)穩(wěn)定。

如圖5所示，GPRS無線電路7采用SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)透傳傳輸通訊，GPRS網(wǎng)絡(luò)通過注冊(cè)建立TCP服務(wù)器，輸入端監(jiān)聽端口號(hào)，啟動(dòng)連接到路由器外網(wǎng)TCP/IP地址和端口，等待客戶端連接，客戶端連接服務(wù)器端之后，將接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器端。無線GPRS傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊過程是將上位機(jī)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)給節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令，節(jié)點(diǎn)收到控制命令后開始數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳到上位機(jī)，最后把采集的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)轉(zhuǎn)換處理分析。

如圖6所示，MCU微處理器5采用MSP430F5438處理芯片，時(shí)鐘電路6頻率為16MHz，通過對(duì)芯片進(jìn)行程序編寫和燒錄，控制整個(gè)應(yīng)變信號(hào)的采集和處理。

該用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的MEMS傳感器GPRS采集節(jié)點(diǎn)，工作時(shí)，MEMS電路2通過自身微機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生加速度經(jīng)內(nèi)置放大轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由外圍的濾波電路3處理，單片機(jī)處理后對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行GPRS無線通訊，服務(wù)器端接收到GPRS無線模塊7通過一個(gè)串口轉(zhuǎn)發(fā)來的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終呈現(xiàn)在監(jiān)測平臺(tái)上。MEMS電路2加速度信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在機(jī)械振動(dòng)測量與檢測方面有很大的貢獻(xiàn)。它可以減少布線，降低監(jiān)測系統(tǒng)部署成本，增加監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，為監(jiān)測設(shè)備的故障點(diǎn)判定提供依據(jù)。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，凡在本實(shí)用新型的精神 和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。