專利名稱：用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種用于土木工程結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的裝置，具體地說是一種利用傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及MEMS技術(shù)所集成的無線應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施使用期均長達(dá)幾十年甚至上百年。在其服役過程中，受到環(huán)境載荷作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減、甚至導(dǎo)致突發(fā)事故。應(yīng)用監(jiān)測以及健康診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)已成為土木工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，這為土木工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行提供了充分保證。而利用各類傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的特征信息進(jìn)行采集是進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測及健康診斷的前提和保證。同時(shí)，對(duì)于土木工程中在役的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，對(duì)其的局部應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)測，可以更有效判斷結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)和保證結(jié)構(gòu)安全。
隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，傳統(tǒng)的“有線”傳感器存在的一系列不足在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中已凸顯出來，并將制約該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。由于無線傳感技術(shù)具有節(jié)省網(wǎng)絡(luò)布線，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測開辟了一個(gè)嶄新的方向，并為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了動(dòng)力。
電阻應(yīng)變絲或片是結(jié)構(gòu)表面局部應(yīng)變測量最常用的傳感元件，可以埋置入結(jié)構(gòu)中，與基底材料膠合，性能較穩(wěn)定，可以組成各種形狀和面積的陣列，防電磁干擾，耐久性較好。而且電阻應(yīng)變絲直徑很小，僅3-10微米，不影響埋置材料的性能。此外，應(yīng)變片價(jià)格低廉，容易購買。應(yīng)變片采集原理結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變后，被埋入其內(nèi)部的應(yīng)變片感知，引起應(yīng)變片電阻變化，該電阻變化通過如圖3電橋電路(以下均以1/4橋?yàn)槔?，圖中Rg相當(dāng)于應(yīng)變片電阻)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過放大后備采集。通常，放大后的信號(hào)采集方式如下，一種直接接到應(yīng)變采集儀讀取出來；一種直接接到與計(jì)算機(jī)相連的工控板卡上。但這些方式或者由于應(yīng)變采集儀體積較大、或者受布線長度的影響，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來了不便。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠?qū)ν聊竟こ探Y(jié)構(gòu)局部應(yīng)變進(jìn)行采集、信號(hào)預(yù)處理、無線傳輸，并且實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理模塊和無線收發(fā)模塊集成的土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括埋入被測結(jié)構(gòu)中并引出兩根導(dǎo)線的電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片引出的導(dǎo)線連接前端處理模塊，前端處理模塊通過端子與由微處理器、晶振電路、A/D調(diào)制電路以及濾波電路連接組成的微處理單元模塊連接，微處理單元模塊的UART口與無線收發(fā)模塊相連，前端處理模塊、微處理單元模塊與無線收發(fā)模塊設(shè)置于同一殼體內(nèi)并共用一個(gè)電源。
本實(shí)用新型還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、連接電阻應(yīng)變片和微處理單元的前端處理模塊，可以將結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)放大到適合采樣的正負(fù)5V直流電壓。
2、前端處理模塊、微處理單元模塊、無線收發(fā)模塊和電源采用上下結(jié)構(gòu)分層布置于殼體中。
3、無線收發(fā)模塊的組成為電阻R21、電容C23的一端與芯片U2(即20腳的AT90S2313)的腳1相連構(gòu)成上電復(fù)位電路；電容C24、C25并聯(lián)一端與地、另一端與電源相接構(gòu)成濾波電路；電容C21、C22一端并聯(lián)接地另一端分別接10M的晶振Y21構(gòu)成U2的晶振電路；U2的腳7、8、9、15、16、17、18、19無連接、10接地、20接電源；U2的腳1接CON9(即9腳的板邊連接器)的腳9、腳2接CON9腳6、腳3接CON9的腳7；U2的腳6與芯片U3(即CC1000)腳24連接、腳11與U3腳27連接、腳12與U3腳26連接、腳13與U3腳25連接、腳14與U3腳23連接；電感L31、L32、電容C31、C32、C33、天線E31連接構(gòu)成接收發(fā)射部分，該部分與U3的腳3、腳4相連接；L33接U3的腳10、11，構(gòu)成壓控振蕩電路；R31連接到U3的腳13；電容C39、C40與連接到U3的腳17、18的14.7456M晶振Y31構(gòu)成晶振電路；U3的腳1、5、9、15、21接電源，腳2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，腳12、28無連接；前端處理模塊組成為電橋(均以1/4電橋?yàn)槔?中Rg表示應(yīng)變片，Rb是與Rg同規(guī)格的應(yīng)變片，用于溫度補(bǔ)償用，它們與2個(gè)120Ω電阻共同構(gòu)成電橋；電橋輸出接芯片OP1(儀表放大器AD623，下同)腳2和3，OP1腳1、8接電阻R0來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的增益調(diào)節(jié)，腳7接電源并與去耦電容C0相連，腳4、5接地，腳6作為放大輸出進(jìn)入二階butterworth電路；二階butterworth電路主要實(shí)現(xiàn)低通濾波作用，R1、R2、C1一端相連，芯片OP2(放大器LM358)腳3與R2、C2相連，腳2與腳1直接相連構(gòu)成射隨器，腳1還與C1一端相連，腳4接地，腳8接電源，腳5、6、7無連接。
微處理單元模塊組成為經(jīng)前端處理模塊放大后的信號(hào)由OP2的腳1接到微處理器U0(ATMEGA8)腳28；R01、C01與U0腳1相連構(gòu)成上電復(fù)位電路；C02、C03和U0腳9、10相連接的晶振Y00構(gòu)成晶振電路；發(fā)光二極管D01、D02以及電阻R02、R03組成信號(hào)顯示電路，與U0腳15、16相連R04、R05、C04、C05與U0腳20、21構(gòu)成模擬采集輔助電路，；U0腳4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未連接；U0腳3與無線收發(fā)模塊的CON9腳6連接；U0腳13與無線收發(fā)模塊的CON9腳9連接，來控制無線收發(fā)模塊在不正常工作的情況下復(fù)位以便重新正常工作。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于將電阻應(yīng)變片的前端處理電路、微處理單元模塊、無線收發(fā)模塊以及能量模塊集成為一體，構(gòu)成土木工程結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器。無線應(yīng)變傳感器解決了利用電阻應(yīng)變片測試結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變、對(duì)應(yīng)變信號(hào)預(yù)處理以及信號(hào)的無線傳輸問題，盡管將無線傳感器應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測還處于初步研究階段，但傳感器節(jié)點(diǎn)易于安裝拆除、節(jié)約布設(shè)導(dǎo)線的費(fèi)用和節(jié)省安裝時(shí)間等特點(diǎn)決定了無線應(yīng)變傳感器具有廣闊的前景和實(shí)用價(jià)值。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的一種實(shí)施方案的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是電阻應(yīng)變片1/4電橋電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
(五)具體實(shí)施選用在埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電阻應(yīng)變片為傳感器，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)信號(hào)以低頻為主、應(yīng)變幅值較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)前端處理電路指標(biāo)為，儀表放大器放大倍數(shù)為200、500選擇，butterworth電路低通濾波截止頻率為25Hz，前端處理電路作成一個(gè)PCB板；選用具備低功耗、大存儲(chǔ)量、小引腳封裝等特點(diǎn)的ATMEGA8L作微處理器。設(shè)計(jì)微處理單元模塊采用2層PCB板，PCB板上主要是晶振電路、A/D采集濾波電路以及發(fā)光二極管電路；無線收發(fā)模塊引出的端子與微處理單元模塊端子連接。能量模塊采用市場通用的鋰電池或者普通電池，其輸出電壓在3-5V之間。將上述各單元模塊集成于一體，構(gòu)成無線應(yīng)變傳感器。
以下結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)地描述如圖1所示無線應(yīng)變傳感器的組成包括電阻應(yīng)變片及其前端處理電路1，由微處理器、晶振電路、A/D調(diào)制電路以及濾波電路組成的微處理單元模塊2，以及無線收發(fā)模塊3。電阻應(yīng)變片埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，前端處理電路、微處理單元模塊與無線收發(fā)模塊設(shè)置于同一殼體內(nèi)并共用一個(gè)電源4，微處理器的UART口與無線通信模塊相連電阻應(yīng)變片連接有可輸入前端處理單元模塊的導(dǎo)線。前端處理單元模塊、微處理單元模塊、無線收發(fā)模塊和電源采用上下結(jié)構(gòu)分層布置于殼體中。
同時(shí)結(jié)合圖2，CC1000為核心的無線收發(fā)模塊以及微處理器單元ATMEGA8和電阻應(yīng)變片前端處理電路共同組成的無線應(yīng)變傳感器。整個(gè)電路由無線收發(fā)電路板、微處理器電路板以及前端處理電路板組成，無線收發(fā)電路板、微處理器電路板2個(gè)電路板通過板邊連接器CON9連接起來，電阻應(yīng)變片的前端處理電路通過CON2與微處理電路相連。具體電連接情況如下對(duì)于無線收發(fā)模塊，電阻R21、電容C23的一端與芯片U2(即20腳的AT90S2313)的腳1相連構(gòu)成上電復(fù)位電路；電容C24、C25并聯(lián)一端與地、另一端與電源相接構(gòu)成濾波電路；電容C21、C22一端并聯(lián)接地另一端分別接10M的晶振Y21構(gòu)成U2的晶振電路；U2的腳7、8、9、15、16、17、18、19無連接、10接地、20接電源；U2的腳1接CON9(即9腳的板邊連接器)的腳9、腳2接CON9腳6、腳3接CON9的腳7；U2的腳6與芯片U3(即CC1000)腳24連接、腳11與U3腳27連接、腳12與U3腳26連接、腳13與U3腳25連接、腳14與U3腳23連接；電感L31、L32、電容C31、C32、C33、天線E31連接構(gòu)成接收發(fā)射部分，該部分與U3的腳3、腳4相連接；L33接U3的腳10、11，構(gòu)成壓控振蕩電路；R31連接到U3的腳13；電容C39、C40與連接到U3的腳17、18的14.7456M晶振Y31構(gòu)成晶振電路；U3的腳1、5、9、15、21接電源，腳2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，腳12、28無連接。對(duì)于前端處理模塊，電橋(均以1/4電橋?yàn)槔?中Rg表示應(yīng)變片，Rb是與Rg同規(guī)格的應(yīng)變片，用于溫度補(bǔ)償用，它們與2個(gè)120Ω電阻共同構(gòu)成電橋；電橋輸出接芯片OP1(儀表放大器AD623，下同)腳2和3，OP1腳1、8接電阻R0來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的增益調(diào)節(jié)，腳7接電源并與去耦電容C0相連，腳4、5接地，腳6作為放大輸出進(jìn)入二階butterworth電路；二階butterworth電路主要實(shí)現(xiàn)低通濾波作用，R1、R2、C1一端相連，芯片OP2(放大器LM358)腳3與R2、C2相連，腳2與腳1直接相連構(gòu)成射隨器，腳1還與C1一端相連，腳4接地，腳8接電源，腳5、6、7無連接。對(duì)于微處理單元模塊，經(jīng)前端處理模塊放大后的信號(hào)由OP2的腳1接到微處理器U0(ATMEGA8)腳28；R01、C01與U0腳1相連構(gòu)成上電復(fù)位電路；C02、C03和U0腳9、10相連接的晶振Y00構(gòu)成晶振電路；發(fā)光二極管D01、D02以及電阻R02、R03組成信號(hào)顯示電路，與U0腳15、16相連R04、R05、C04、C05與U0腳20、21構(gòu)成模擬采集輔助電路，；U0腳4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未連接；U0腳3與無線收發(fā)模塊的CON9腳6連接；U0腳13與無線收發(fā)模塊的CON9腳9連接，來控制無線收發(fā)模塊在不正常工作的情況下復(fù)位以便重新正常工作。
無線應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)采集處理程序嵌入在微處理單元中，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的信號(hào)采集和預(yù)處理，同時(shí)也對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。具體程序流程為上電后，利用所設(shè)計(jì)的程序?qū)Ω鞣N參數(shù)進(jìn)行初始化，然后控制ATMEGA8一直處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，一旦接收到事先設(shè)定好的數(shù)據(jù)，ATMEGA8依據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、采集傳感器數(shù)據(jù)等。
權(quán)利要求1.一種用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器，它包括埋入被測結(jié)構(gòu)中并引出兩根導(dǎo)線的電阻應(yīng)變片，其特征是電阻應(yīng)變片引出的導(dǎo)線連接前端處理模塊，前端處理模塊通過端子與由微處理器、晶振電路、A/D調(diào)制電路以及濾波電路連接組成的微處理單元模塊連接，微處理單元模塊的UART口與無線收發(fā)模塊相連，前端處理模塊、微處理單元模塊與無線收發(fā)模塊設(shè)置于同一殼體內(nèi)并共用一個(gè)電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器，其特征是前端處理模塊、微處理單元模塊、無線收發(fā)模塊和電源采用上下結(jié)構(gòu)分層布置于殼體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器，其特征是無線收發(fā)模塊的組成為電阻R21、電容C23的一端與芯片U2即20腳的AT90S2313的腳1相連；電容C24、C25并聯(lián)一端與地、另一端與電源相接；電容C21、C22一端并聯(lián)接地另一端分別接10M的晶振Y21；U2的腳7、8、9、15、16、17、18、19無連接、10接地、20接電源；U2的腳1接CON9即9腳的板邊連接器的腳9、腳2接CON9腳6、腳3接CON9的腳7；U2的腳6與芯片U3即CC1000腳24連接、腳11與U3腳27連接、腳12與U3腳26連接、腳13與U3腳25連接、腳14與U3腳23連接；電感L31、L32、電容C31、C32、C33、天線E31連接，再與與U3的腳3、腳4相連接；L33接U3的腳10、11；R31連接到U3的腳13；電容C39、C40與連接到U3的腳17、18的14.7456M晶振Y31；U3的腳1、5、9、15、21接電源，腳2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，腳12、28無連接；前端處理模塊組成為電橋中應(yīng)變片Rg、Rb與2個(gè)電阻共同構(gòu)成電橋；電橋輸出接芯片OP1即儀表放大器AD623的腳2和3，OP1腳1、8接電阻R0，腳7接電源并與去耦電容C0相連，腳4、5接地，腳6作為放大輸出進(jìn)入二階butterworth電路；R1、R2、C1一端相連，芯片OP2即放大器LM358腳3與R2、C2相連，腳2與腳1直接相連，腳1還與C1一端相連，腳4接地，腳8接電源，腳5、6、7無連接。微處理單元模塊組成為經(jīng)前端處理模塊放大后的信號(hào)由OP2的腳1接到微處理器U0即ATMEGA8腳28；R01、C01與U0腳1相連；C02、C03和U0腳9、10相連接的晶振Y00構(gòu)成晶振電路；發(fā)光二極管D01、D02以及電阻R02、R03相連，與U0腳15、16相連R04、R05、C04、C05與U0腳20、21構(gòu)成模擬采集輔助電路；U0腳4、5、6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27未連接；U0腳3與無線收發(fā)模塊的CON9腳6連接；U0腳13與無線收發(fā)模塊的CON9腳9連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供的是一種用于土木結(jié)構(gòu)監(jiān)測的無線應(yīng)變傳感器。它包括埋入被測結(jié)構(gòu)中并引出兩根導(dǎo)線的電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片引出的導(dǎo)線連接前端處理模塊，前端處理模塊通過端子與由微處理器、晶振電路、A/D調(diào)制電路以及濾波電路連接組成的微處理單元模塊連接，微處理單元模塊的UART口與無線收發(fā)模塊相連，前端處理模塊、微處理單元模塊與無線收發(fā)模塊設(shè)置于同一殼體內(nèi)并共用一個(gè)電源。本無線應(yīng)變傳感器解決了利用電阻應(yīng)變片測試結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變、對(duì)應(yīng)變信號(hào)預(yù)處理以及信號(hào)的無線傳輸問題。
文檔編號(hào)G01B7/16GK2729836SQ20042006344
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者歐進(jìn)萍, 喻言 申請(qǐng)人:歐進(jìn)萍, 喻言