专利名称：一种用数字信号为接口的无线加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种适于应用土木工程结构监测的传感器。具体地说是一种利用已有的基于MEMS技术所构成的无线加速度传感器。
背景技术：
传统的土木工程结构是一种被动结构，其性能及使用状态在很大程度上存在着不可预知性。信息学概念的引入，为结构状态信息的获取提供了一个崭新的途径，而结构状态信息是利用各类传感器提取。美国从20世纪80年代中后期开始在多座桥梁上布设传感器，用以验证设计假定、监测施工质量和服役安全状态，如佛罗里达州的Sunshine SkywayBridge桥上安装了500多个传感器。英国80年代后期开始研制和安装传感器设备。1999年，我国香港的青马大桥以及内陆的虎门桥和江阴长江大桥也都装设了传感装置。上述涉及到的传感装置均是输出模拟信号、有线传输，再利用A/D采集卡到PC机上，这种采集信号的方式可靠性不高、易受外界干扰。利用数字接口采集结构状态信息稳定性好、可靠性高；采集数据可以在微处理器进行预处理、无线传输，减少了PC机上处理数据的工作量，从而提高了计算机处理数据的效率。
基于数字接口的传感器芯片是一种集成化的芯片，其内部具有调制解调电路，利用该电路将采集到的信号转换成脉冲占空比信号，且占空比信号大小与结构状态的信息成一定的比例关系，从而反映出结构的实际变化情况。此类传感器芯片采用MEMS技术进行加工，在芯片上构成一个测量系统。以美国ADI公司的ADXL202E为例ADXL202E以多晶硅为表面的微电机传感器和信号控制环路来执行操作进行开环加速双轴测量的，其采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的。固定极板利用方波的每π个相位控制，在加速度作用下改变可变电容的平衡，使输出方波的振幅与加速度成正比。相位解调技术用来提取信息，判断加速方向。对每根轴而言，输出环路直接以模拟信号形式或者将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号输出。其脉宽占空比的数字信号输出如下 其中 是实际测量的占空比，U0g是0加速度的占空比，U1g是g加速度的占空比，按照上述公式就可以计算实际的加速度值。该传感器目前在惯性导航、地震监测装置和交通安全系统中有所应用，但均是利用其输出的模拟信号进行采集的。
目前，各种结构健康监测的数据采集主要采用的是传统“有线”传感器来实现，尽管这种采集方式具有采集信号准确、抗扰性好、产品系列化的特点，但是利用“有线”传感器组成的监测网络布线量大、维护费用高、可靠性差，甚至在一些结构中无法实现布线。随着传感技术、无线通信技术以及Mems技术的的发展，无线传感技术已开始向土木结构监测渗透并成为这方面研究的热点。
发明内容本发明的目的在于提供一种用于结构健康监测、实时准确，结构紧凑用于数字信号为接口的无线加速度传感装置。
本实用新型的目的是这样实现的它包括无线收发�？�、微处理器单元ATMEGA8和ADXL202，整个电路由无线收发电路板和微处理器及加速度传感器构成的电路板组成，2个电路板通过板边连接并共用一个电源。
本发明的具体电路可以是1、无线收发模块的组成为电阻R21、电容C21、C22、4M的晶振Y20与U2(NRF401)脚1、20连接构成晶振电路；C24和R22串联再与C23并联后连接到U2脚3、4相连组成U2的环路滤波器；电感L21与U2脚5、6连接构成压控振荡电路；C25、C28与U2脚13连接，C27与U2脚8连接，C26与U2脚2连接，共同组成U2的供电滤波电路；R23与U2脚相接构成发射功率设置电路；天线以及C29连接到U2脚15、16构成天线回路；U2的脚3、7、14、17接地，2、8、13接电源；U2的脚9接CON7(即7脚的板边连接器)的脚4、脚10接CON7脚3、脚12接CON7的脚2、脚18接CON7的脚6、脚19接CON7的脚7；C30、C31连接到CON7的电源和地，构成电源滤波电路；微处理器及加速度传感器的组成为U1(即加速度传感器ADXL202)脚8接由R11、C13构成的滤波电路；U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11；U1的脚5接U0(指微处理器ATMEGA8)的脚5、U1的脚4接U0的脚4；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路，C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连；R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路；U0脚6、11、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接；U0脚13与无线收发�？榈腃ON7脚6连接，U0脚14与无线收发�？榈腃ON7脚7相连；U0脚12与CON7脚2相连；U0脚7接电源、脚8和22接地；电源采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
2、无线收发�？榈淖槌晌缱鑂21、电容C23的一端与芯片U2(即20脚的AT90S2313)的脚1相连构成上电复位电路；电容C24、C25并联一端与地、另一端与电源相接构成滤波电路；电容C21、C22一端并联接地、另一端分别接10M的晶振Y21构成U2的晶振电路；U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接，10接地、20接电源；U2的脚1接CON9(即9脚的板边连接器)的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7；U2的脚6与芯片U3(即CC1000)脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接；电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31连接构成接收发射部分，该部分与U3的脚3、脚4相连接；L33接U3的脚10、11，构成压控振荡电路；R31连接到U3的脚13；电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31构成晶振电路；U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接；C34、C35、C36、C37、C38是常见的电源滤波电路。
微处理器及加速度传感器的组成为U1(即加速度传感器ADXL202)脚8接由R11、C13构成的滤波电路；U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11；U1的脚5接U0(指微处理器ATMEGA8)的脚5、U1的脚4接U0的脚4；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路；C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连；R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路；U0脚6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接；U0脚3与无线收发�？榈腃ON9脚6连接；U0脚2与无线收发�？榈腃ON9脚7连接；U0脚13与无线收发模块的CON9脚9连接；电源采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
本发明的优点在于1、选用基于MEMS技术并带有数字信号输出的传感器芯片。2、选用各种电子元件设计ADXL202E应用电路。3、选用微处理器，其IO口与ADXL202E的数字输出相接，其异步串行口与无线通信�？橄嗔�。4、集成ADXL202E电路、能量�？�、微处理器和无线�？橛谝惶澹纬晌尴呒铀俣却衅�。5、微处理单元模块、无线�？榇笮∫恢�。6、根据结构采样特点，构造校正算法和采样算法。7、程序实现。其中装置中嵌入的校正算法，是指在无线加速度传感器在上电初始化后，在微处理器内部嵌入一段程序，来对传感器在未受外界环境荷载下对其输出进行采集和滤波，计算出结果作为0加速度时候的参考值U0g；采样算法，指传感器对所监测对象的变化进行信号采集，并按照公式将采集的信号进行处理，计算出实际的测量值。
尽管将无线传感器应用于土木结构监测还处于初步研究阶段，本发明将ADXL202E加速度传感器、微处理器、无线收发�？橐约澳芰磕？榧晌惶澹钩捎糜谕聊竟こ探峁谷旨嗖獾奈尴呒铀俣却衅鳎诘阋子诎沧安鸪�、节约布设导线的费用和节省安装时间等特点决定了无线加速度传感器具有广阔的前景和实用价值。
图1是本发明的原理结构示意图；图2是本发明的一种实施方案的电路结构示意图；图3是本发明的另一种实施方案的电路结构示意图。
(五)具体实施选用基于MEMS技术的ADXL202E为传感器，针对土木工程结构信号以低频为主的特点，设计其指标为T2＝130/125＝1.04ms、带宽50Hz设计。选用具备低功耗、大存储量、小引脚封装等特点的ATMEGA8L作微处理器。设计微处理单元�？椋捎�2层PCB板。PCB板上主要是晶振电路、ADXL202E应用电路以及滤波电路。无线收发�？橐龅亩俗佑胛⒋淼ピ？槎俗恿�。能量�？椴捎檬谐⊥ㄓ玫娘绯鼗蛘咂胀ǖ绯兀涫涑龅缪乖�3-5V之间。将ADXL202E应用电路、微处理单元�？�、无线�？�、能量�？榧捎谝惶澹晌尴呒铀俣却衅�。
具体电路可以是结合图2，以NRF401为核心的无线收发�？�、微处理器单元ATMEGA8和ADXL202共同组成的无线加速度传感器。整个电路由无线收发电路板和微处理器及加速度传感器构成的电路板组成，2个电路板通过板边连接器CON7连接起来。具体电连接情况如下对于无线收发�？椋缱鑂21、电容C21、C22、4M的晶振Y20与U2(NRF401，下同)脚1、20连接构成晶振电路。C24和R22串联再与C23并联后连接到U2脚3、4相连组成U2的环路滤波器，实现滤波作用。电感L21与U2脚5、6连接构成压控振荡电路，产生U2的振荡频率。C25、C28与U2脚13连接，C27与U2脚8连接，C26与U2脚2连接，共同组成U2的供电滤波电路。R23与U2脚相接构成发射功率设置电路，来设定发射功率。天线(LOOPANTENA)以及C29连接到U2脚15、16构成天线回路。U2的脚3、7、14、17接地(即GND，下同)，2、8、13接电源(即Vcc，下同)。U2的脚9接CON7(即7脚的板边连接器，下同)的脚4、脚10接CON7脚3、脚12接CON7的脚2、脚18接CON7的脚6、脚19接CON7的脚7，接到CON7主要是为了和微处理器及加速度传感器构成的电路板相连接，共同完成数据的无线收发。C30、C31连接到CON7的电源和地，构成电源滤波电路。对于微处理器及加速度传感器构成的电路板，U1(即加速度传感器ADXL202，下同)脚8接由R11、C13构成的滤波电路。U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11共同来设置采集信号的带宽。U1的脚5接U0(指微处理器ATMEGA8)的脚5、U1的脚4接U0的脚4共同将采集的加速度信号以数字信号的形式输入给U0。R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路，C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路，控制U0的处理速度。发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连，并由U0内部嵌入的程序来根据实际情况控制D01、D02的亮灭。R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路，这主要是为扩展采集模拟信号而准备的。U0脚6、11、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接，可以根据实际要求灵活配置。U0脚13与无线收发�？榈腃ON7脚6连接，U0脚14与无线收发�？榈腃ON7脚7相连，共同控制信号的无线收发。当U0脚13按照程序输出为高电平且U0脚14按照程序输出为高电平，U0脚3与无线收发�？榈腃ON7脚4连接可以完成将采集的加速度信号传给U2，以无线的形式发射出去。当U0脚13按照程序输出为高电平且U0脚14按照程序输出为低电平，U0脚2与无线收发�？榈腃ON7脚3连接可以将U2接收的数据传到U0，完成数据无线接收。U0脚12与CON7脚2相连，控制无线通信通道的选择，高电平通信频道为434.33MHz，低电平通信频道为433.92MHz。U0脚7接电源、脚8和22接地。电源通常采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
2、结合图3，是以CC1000为核心的无线收发�？�、微处理器单元ATMEGA8和ADXL202共同组成的无线加速度传感器。整个电路由无线收发电路板和微处理器及加速度传感器构成的电路板组成，2个电路板通过板边连接器CON9连接起来。具体电连接情况如下对于无线收发�？椋缱鑂21、电容C23的一端与芯片U2(即20脚的AT90S2313)的脚1相连构成上电复位电路，使整个电路能够更好的初始化。电容C24、C25并联一端与地(即GND，下同)、另一端与电源(即Vcc，下同)相接构成滤波电路，起到对电源滤波。电容C21、C22一端并联接地、另一端分别接10M的晶振Y21构成U2的晶振电路，使U2具有10MIPS的处理速度。U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接(可根据实际情况灵活使用)、10接地、20接电源。U2的脚1接CON9(即9脚的板边连接器，下同)的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7，接到CON9主要是为了和微处理器及加速度传感器构成的电路板相连接。U2的脚6与芯片U3(即CC1000，下同)脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接，这些脚的相连利用嵌入在U2内的程序就可以将数据以无线形式发送出去，也可以无线的形式接收数据。电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31按图中连接构成接收发射部分，该部分与U3的脚3、脚4相连接，U3通过这部分电路发射和接收数据。L33接U3的脚10、11，构成压控振荡电路，产生U3的振荡频率。R31连接到U3的脚13，协助U3完成数据无线收发。电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31构成晶振电路，完成对收发速率的设置。U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接。C34、C35、C36、C37、C38是常见的电源滤波电路，不必赘述；对于微处理器及加速度传感器构成的电路板，U1(即加速度传感器ADXL202，下同)脚8接由R11、C13构成的滤波电路。U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11共同来设置采集信号的带宽。U1的脚5接U0(指微处理器ATMEGA8，下同)的脚5、U1的脚4接U0的脚4共同将采集的加速度信号以数字信号的形式输入给U0。R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路，C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路，控制U0的处理速度。发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连，并由U0内部嵌入的程序来根据实际情况控制D01、D02的亮灭。R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路，这主要是为扩展采集模拟信号而准备的。U0脚6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接，可以根据实际要求灵活配置。U0脚3与无线收发�？榈腃ON9脚6连接，完成将采集的加速度信号传给U2，再由U2控制U3以无线的形式发射出去。U0脚2与无线收发�？榈腃ON9脚7连接，将U3接收的数据经U2处理后，传到U0，完成数据无线接收。U0脚13与无线收发�？榈腃ON9脚9连接，来控制无线收发�？樵诓徽９ぷ鞯那榭鱿赂次灰员阒匦抡９ぷ�。此外，电源通常采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
权利要求
1.一种用数字信号为接口的无线加速度传感器，其特征是它包括无线收发�？�、微处理器单元ATMEGA8和ADXL202，整个电路由无线收发电路板和微处理器及加速度传感器构成的电路板组成，2个电路板通过板边连接并共用一个电源。
2.根据权利要求1所述的一种用数字信号为接口的无线加速度传感器，其特征是无线收发�？榈淖槌晌缱鑂21、电容C21、C22、4M的晶振Y20与U2脚1、20连接构成晶振电路；C24和R22串联再与C23并联后连接到U2脚3、4相连组成U2的环路滤波器；电感L21与U2脚5、6连接构成压控振荡电路；C25、C28与U2脚13连接，C27与U2脚8连接，C26与U2脚2连接，共同组成U2的供电滤波电路；R23与U2脚相接构成发射功率设置电路；天线以及C29连接到U2脚15、16构成天线回路；U2的脚3、7、14、17接地，2、8、13接电源；U2的脚9接7脚的板边连接器CON7的脚4、脚10接CON7脚3、脚12接CON7的脚2、脚18接CON7的脚6、脚19接CON7的脚7；C30、C31连接到CON7的电源和地，构成电源滤波电路；微处理器及加速度传感器的组成为U1加速度传感器U1的脚8接由R11、C13构成的滤波电路；U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11；U1的脚5接微处理器U0的脚5、U1的脚4接U0的脚4；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路，C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连；R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路；U0脚6、11、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接；U0脚13与无线收发�？榈腃ON7脚6连接，U0脚14与无线收发模块的CON7脚7相连；U0脚12与CON7脚2相连；U0脚7接电源、脚8和22接地；电源采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
3.根据权利要求1、2所述的一种用数字信号为接口的无线加速度传感器，其特征是无线收发�？榈淖槌晌缱鑂21、电容C23的一端与20脚的芯片U2的脚1相连构成上电复位电路；电容C24、C25并联一端与地、另一端与电源相接构成滤波电路；电容C21、C22一端并联接地、另一端分别接10M的晶振Y21构成U2的晶振电路；U2的脚7、8、9、15、16、17、18、19无连接，10接地、20接电源；U2的脚1接CON9(即9脚的板边连接器)的脚9、脚2接CON9脚6、脚3接CON9的脚7；U2的脚6与芯片U3脚24连接、脚11与U3脚27连接、脚12与U3脚26连接、脚13与U3脚25连接、脚14与U3脚23连接；电感L31、L32、电容C31、C32、C33、天线E31连接构成接收发射部分，该部分与U3的脚3、脚4相连接；L33接U3的脚10、11，构成压控振荡电路；R31连接到U3的脚13；电容C39、C40与连接到U3的脚17、18的14.7456M晶振Y31构成晶振电路；U3的脚1、5、9、15、21接电源，脚2、6、7、8、14、16、19、20、22接地，脚12、28无连接；C34、C35、C36、C37、C38是常见的电源滤波电路；微处理器及加速度传感器的组成为加速度传感器U1脚8接由R11、C13构成的滤波电路；U1的脚6接电容C12、脚7接电容C11；U1的脚5接微处理器U0的脚5、U1的脚4接U0的脚4；R01、C01与U0脚1相连构成上电复位电路；C02、C03和U0脚9、10相连接的晶振Y00构成晶振电路；发光二极管D01、D02以及电阻R02、R03组成信号显示电路，与U0脚15、16相连；R04、R05、C04、C05与U0脚20、21构成模拟采集辅助电路；U0脚6、11、12、14、17、18、19、23、24、25、26、27、28未连接；U0脚3与无线收发�？榈腃ON9脚6连接；U0脚2与无线收发�？榈腃ON9脚7连接；U0脚13与无线收发�？榈腃ON9脚9连接；电源采用2节普通1.5V电池或者采用锂电池构成。
全文摘要
本发明提供的是一种用数字信号为接口的无线加速度传感器。它包括无线收发�？�、微处理器单元ATMEGA8和ADXL202，整个电路由无线收发电路板和微处理器及加速度传感器构成的电路板组成，2个电路板通过板边连接并共用一个电源。具有稳定性好、可靠性高、实时性强等优点，克服了采集模拟信号可靠性不高和抗扰性差的困难，可实际采集需要，设计成子程序嵌入到程序中的任意位置。对具有数字接口的传感器信号采集具有很强的通用性。利用无线传输加速度信号，传感器节点易于安装拆除，节约布设导线费用和节省安装时间。
文档编号G01P15/00GK1680816SQ200410013659
公开日2005年10月12日 申请日期2004年4月6日 优先权日2004年4月6日
发明者欧进萍, 喻言, 李宏伟 申请人:欧进萍, 喻言, 李宏伟
专业数控铣床产品供应商
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