一种同步采样的无线振弦采集系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种同步采样的无线振弦采集系统，包括主控端（1）、振弦传感器采集端（2）和振弦式传感器（3）。主控端（1）通过无线的方式与振弦传感器采集端（2）中所有采集节点进行组网以及数据的交互；振弦传感器采集端（2）中的各个采集节点，接收并响应来自主控端（1）发出的所有操作命令；振弦式传感器（3）感知桥梁、边坡等待测部位的微小形变，转变为电信号传输给振弦传感器采集端（2）进行采集。本实用新型专利技术采用无线的方式，实现了各节点同步采样的功能，检测效率得到了极大的提高，同时又确保了数据的准确可靠。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种振弦采集系统，属于岩土工程检测监测

技术介绍
在对岩土工程、道路交通设施、大型楼宇等的安全监测中，通常采用振弦式传感器等安全监测仪器监测应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断安全状况。振弦式传感器内部的钢弦的振动固有频率参量是最为关键的测量因子，目前测量钢弦的频率参量通常采用激振拾振的方法：采集终端首先向振弦式传感器发送单脉冲激励信号或扫频激励信号，向振弦式传感器馈入激励能量，使振弦式传感器内部的钢弦产生振动。撤销激励信号后，振弦式传感器的钢弦处于自由谐振状态，以特定的频率谐振，该谐振频率与振弦式传感器所测量的参量有特定的对应关系。采集终端再检测、处理振弦式传感器的谐振信号，得到其谐振频率，即钢弦的固有频率。振弦传感器监测采用激振方法一般分为高压拨弦激振和低压扫频激振两种，但这两种激振方式都存在较大局限性。高压拨弦激振方式是通过高频变压器产生高压激振脉冲使钢弦振动，激发时Vp-p>100V，被激励的钢弦通过感应线圈将振动转换成自由衰减振荡的正弦电压信号从传感器输出。低压扫频激振是根据传感器的固有频率选择合适的频率段，对传感器施加频率逐渐变大或变小的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时，钢弦能快速达到共振状态，共振状态下振幅最大，能产生较大的感应电动势，传感器输出的频率信号信噪比较高且便于测量。这两种激振方式的局限性分别表现为：高压拨弦方式激振，钢弦振动持续时间短，信号不易拾取，测量精度差，且高电压易使钢弦加速老化致使传感器失效；低压扫频激振方式虽然采用了低电压激励，保护了钢弦，但是扫频信号是从频率下限到频率上限的连续脉冲信号，为了保证激振效果，每个频率的脉冲都要持续若干个周期，激振时间太长。目前，国内用于桥梁、边坡等监测的振弦采集系统通常采用有线电缆连接的方式，布线繁琐，安装成本及维护成本高。因此，采用无线连接方式是未来监测发展的趋势。中国专利技术专利申请CN102426052A公开了一种振弦式数据采集系统及方法，该系统包括振弦式传感器、通道选择电路、激振电路、拾振电路、电源管理电路和处理器，还包括FPGA电路，处理器产生并发送初试激振频率控制字给FPGA电路，FPGA电路对该正弦模拟信号整形后控制激振电路产生脉冲信号去激振振弦式传感器，FPGA电路采样拾振电路的输出频率值并传递给处理器。可见，该方法仍需要3-5次才能够读出传感器的频率值，不利于检测效率的提高，另外，该系统中采用FPGA控制激励电路产生激励脉冲并采样拾振电路的输出频率值传输给处理器，系统复杂，成本较高，不便于集成与推广。尤其关键的一点是，该采集系统与传感器采用的是有线电缆连接的方式，该方式存在两个弊端，首先，布线费事费力，特别是针对环境恶劣的边坡和隧道监测时，表现尤为突出。另外，有线连接方式不能很好的解决振弦传感器激振后，微小感应电信号在远距离传输电缆中存在较大的衰减问题，给后级拾振电路设计与处理带来很大的困难，而且会较大程度的影响频率测量精度。中国专利技术专利申请CN101832752A公开了一种采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集系统，该系统包括计算机1、无线控制基站2和无线应变传感器网络10，采用了无线通信方式，但该专利并没有涉及到各个无线节点数据同步采集的问题。实际工程应用中，特别是针对大型桥梁或大坝的应力应变监测方案中，在某个测点处往往需要同时监测两种或两种以上物理量（比如位移、应力、应变等），才能够对该测点的变化趋势进行综合的评判，这就需要各个采集节点具备同步采样的功能，这样才能够获取同一时刻的位移、应力、应变等数据，对数据进行分析、处理过程中，才能够准确的描绘各物理量随时间变化的趋势图，为桥梁或大坝的健康诊断以及趋势预测、预警提供精准的数据支撑。因此，各无线节点同步采集是本技术的关键部分。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中提到的技术问题，本技术提供一种同步采样的无线振弦采集系统，该系统将主控端和振弦传感器采集端实现分离，采用无线方式进行数据交互，结合无线模块的中断信号IRQ和GPS模块提供的1PPS秒脉冲信号，分别连接到微控制器的外部中断线0和外部中断线1上，利用微控制器具备的嵌套向量中断控制器，通过软件设计主控端与振弦传感器采集端的交互流程，从而实现同步采样的功能。本技术所采取的技术方案是：一种同步采样的无线振弦采集系统，包括主控端、振弦传感器采集端、振弦式传感器。其中，振弦传感器采集端由N（N≥32）个振弦传感器采集子节点组成；主控端作为整个采集系统的核心控制单元，通过无线的方式与振弦传感器采集端中所有采集节点进行组网以及数据的交互；振弦传感器采集端中的各个采集节点，接收并响应来自主控端发出的所有操作命令，将采集到的振弦式传感器的数据通过无线的方式发送给主控端；振弦式传感器感知桥梁、边坡等待测部位的微小形变，转变为电信号传输给振弦传感器采集端进行采集；主控端接收来自振弦传感器采集端中的各个采集节点的数据后，一方面进行本地存储，另一方面实时的上传到YL-TMS在线监测系统平台，实现数据的远程监控。优选的，主控端包括第一微控制器、第一无线模块、上传模块、第一电源电路、第一存储模块、第一GPS模块；第一微处理器与第一无线模块通过SPI接口相连；第一微处理器与上传模块相连；第一微处理器与第一存储模块、第一GPS模块依次相连；第一电源电路为主控端中所有模块提供电源。优选的，振弦传感器采集端包括第二微控制器、第二无线模块、激励电路、第二电源电路、第二存储模块、第二GPS模块、信号调理电路；第二微处理器与第二无线模块通过SPI接口相连；第二微控制器与激励电路相连，控制激励电路输出扫频信号去激励振弦式传感器，振弦式传感器被激励后，产生感应输出信号，经过信号调理电路进行放大、滤波、整形后，提供给第二微控制器进行捕获计数，从而计算出振弦式传感器的共振频率，最终换算出振弦传感器的形变物理量；第二电源电路为振弦传感器采集端中所有模块提供电源。优选的，第二微控制器通过捕获信号调理电路输出的频率信号，反馈控制激励电路扫频信号的范围，从而自动调节传感器使其到达共振状态，确保振弦式传感器的检测精度。优选的，振弦式传感器为振弦式裂缝计或振弦式渗压计。优选的，第一微控制器、第二微控制器为STM32F103VET6。优选的，第一无线模块、第二无线模块为EL1663B_PA_1W。优选的，第一GPS模块、第二GPS模块为UARTGPSNEO-6M模块。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：1、该系统小巧轻便，便于集成与大规模的推广应用，另外，采用无线的方式解决了传统有线振弦采集系统布线困难、微小感应电信号在远距离传输电缆中存在较大的衰减等问题。2、实现了各无线节点同步采样的功能，能够获取同一时刻的位移、应力、应变等数据，便于准确的描绘各物理量随时间变化的趋势图，为桥梁或大坝的健康诊断以及趋势预测、预警提供精准的数据支撑。附图说明图1为本技术的其中一个实施例的一种同步采样的无线振弦采集系统的整体示意图；图2为图1所示系统中主控端1的结构框图；图3为图1所示系统中振弦传感器采集端2的结构框图；图4为图1-3所示系统中主控端1和振弦传感器采集端2中的微控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步采样的无线振弦采集系统，其特征在于：包括主控端（1）、振弦传感器采集端（2）、振弦传感器（3）；所述主控端（1）作为整个采集系统的核心控制单元，通过无线的方式与振弦传感器采集端（2）中所有采集子节点进行组网以及数据的交互；所述振弦传感器采集端（2）中的各个采集节点，接收并响应主控端（1）发出的所有操作命令，将采集到的振弦式传感器（3）的数据通过无线的方式发送给主控端（1）；所述振弦式传感器（3）感知桥梁、边坡待测部位的微小形变，转变为电信号传输给振弦传感器采集端（2）进行采集。

【技术特征摘要】
1.一种同步采样的无线振弦采集系统，其特征在于：包括主控端（1）、振弦传感器采集端（2）、振弦传感器（3）；所述主控端（1）作为整个采集系统的核心控制单元，通过无线的方式与振弦传感器采集端（2）中所有采集子节点进行组网以及数据的交互；所述振弦传感器采集端（2）中的各个采集节点，接收并响应主控端（1）发出的所有操作命令，将采集到的振弦式传感器（3）的数据通过无线的方式发送给主控端（1）；所述振弦式传感器（3）感知桥梁、边坡待测部位的微小形变，转变为电信号传输给振弦传感器采集端（2）进行采集。2.根据权利要求1所述的同步采样的无线振弦采集系统，其特征在于：所述主控端（1）包括第一微控制器（101）、第一无线模块（102）、上传模块（103）、第一电源电路（104）、第一存储模块（105）、第一GPS模块（106）；所述第一微控制器（101）与第一无线模块（102）通过SPI接口相连；所述第一微控制器（101）与上传模块（103）相连；所述第一微控制器（101）与第一存储模块（105）、第一GPS模块（106）依次相连；所述第一电源电路（104）为主控端（1）中所有模块提供电源。3.根据权利要求1所述的同步采样的无线振弦采集系统，其特征在于：所述振弦传感器采集端（2）包括第二微控制器（201）、第二无线模块（202）、激励电路（203）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张喻，高峻，徐炜，白博宇，
申请(专利权)人：上海岩联工程技术有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31