专利名称：一种低频无线加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低频无线加速度计，尤其涉及针对桥梁等大型结构的低频低振幅振动的测量，属于智能仪器仪表技术领域。
背景技术：
一般地说，低频振动是指振动频率在5 IOHz以下。由于其振动加速度值�。匀说闹惫鄹惺苡跋旖闲。蚨３１蝗嗣呛雎浴５牵谀承┝煊颍缍杂诖笮托�、大型工程结构，却不能忽视低频振动监测。对于这种低频振动的测量，各种不同型式和原理的传感器均可以使用，但是加速 度传感器因其高精度，宽频率范围等优势，而得到更为广泛的应用。目前，国内外大型结构都安装了用于振动特性测试的加速度传感节点，大多数测量装置包括了加速度计，电荷放大电路，信号传输线，数据采集卡，存储器等，但现有大型结构加速度测试装置均有以下不足(I)结构复杂，体积庞大，使用不便；(2)现有大型结构体加速度测试装置为有线传输，布线量复杂、安装、维护造价高，信号可靠性较低；(3)对低频低振幅振动的测量灵敏度较差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种能准确测试桥梁等大型结构体的低频振动加速度，并利用无线通信技术解决有线传感网络结构复杂等问题，实现对桥梁等大型结构体动态特性便捷准确监测的低频无线加速度计。本发明“低频无线加速度计”主要由无线加速度传感器节点和接收终端构成。其中，无线传感器节点包含加速度传感器模块、低通滤波电路�？椤⒉罘智缏纺？�、A/D转换电路�？椤⒋砥髂？�、无线发射�？榧巴獠康缭�、电源电路�？�、振动能量收集单元；接收终端包括无线接收�？榧吧衔换痉⒚髯钪绽蒙衔换圆杉萁写�。本发明“低频无线加速度计”各模块之间的连接关系及工作过程如下步骤一、将无线传感器节点置于结构体的待测点上，放置时根据结构体待测点的振动方向，保证传感器敏感方向与待测点振动方向一致。步骤二、加速度传感器根据所处环境振动加速度，输出不同的模拟电压信号。加速度传感器在环境加速度的作用下，其输出差分模拟量会发生变化。步骤三、步骤二输出的模拟电压信号输入到低通滤波电路模块。步骤四、低通滤波电路�？槎源衅魇涑龅牟罘帜Ｄ饬拷械屯瞬ǎ⒔瞬ê蟮男藕糯莞罘智缏纺？椋徊街栉�、经过差分驱动电路�？榈哪Ｄ庑藕沤階/D转换电路模块的输入端。A/D转换电路�？榻心Ｄ饬坎杉⒆�。A/D转换电路模块通过总线的方式与处理器�？橄嗔衅髂？槭涑龅哪Ｄ庑藕抛晃中藕牛⒁圆孤氲姆绞酱莞砥髂？�。步骤六、处理器模块通过总线的方式与A/D转换电路�？橄嗔刂艫/D转换电路�？槭菔涑銎德�。接收转换后的数字量后，按照无线传输�？榇涫莞袷剑绰闼璞曛疚唬暗ブ〈渥纸诟鍪萃ü诘姆绞酱莞尴叻⑸淠？椋惺荽洹２街杵�、无线发射�？榻邮帐莺蠼萃ü尴叩姆绞酱莞尴呓邮漳？�。步骤八、电源电路�？榈氖涑鑫铀俣却衅髂？�、低通滤波电路�？�、A/D转换电路�？�、处理器电路�？榧拔尴叻⑸淠？楣┑�。步骤九、振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储。当电源电路输出电压低于所设电压阈值时，单片机产生电池电压过低的信号，并通过无线传输，将信号传递给接收终端，提醒监测人员进行电池充电或更换，同时切换电路，启动振动能量收集单元，利用振动能量收集单元输出电压作为电源电路的输入，为系统进行供电，构成系统后备电源。
步骤十、无线接收模块接收步骤七无线发射�？榉⑸涞氖莺螅ü诜绞接肷衔换？橄嗔⑺透衔换？槭荩ü⑺凸ぷ髂Ｊ娇刂浦噶罡尴叻⑸淠？椋刂莆尴叻⑸淠？榈墓ぷ髂Ｊ剑ぷ髂Ｊ桨せ钅Ｊ健⑿菝吣Ｊ健⑸疃刃菝吣Ｊ�。步骤十一、上位机模块接收无线接收模块传递过来的数据，将接收的ASCLL码数据转换为10进制数据，并进行数字低通滤波，得到最终加速度测量值，进行显示，存储操作。有益效果由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和效果I.结构简单、成本低廉，适用于桥梁等大型结构的振动监测节点安装；2.可检测到低频低振幅振动加速度信号；3.利用对现场振动能量的收集，作为后备电源，更好地解决能量供给问题；4.可通过接收终端控制无线发射�？榈墓ぷ髂Ｊ剑氩煌菝咦刺档拖低彻摹�
图I为本发明所述的低频无线加速度计系统结构图；图2为系统加速度测试输出波形
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。利用本发明对标准振动台产生的低频振动加速度进行测试，测试步骤如下根据步骤一，将无线传感器节点置于标准振动台上，传感器敏感方向与待测点振动方向一致；根据步骤二，加速度传感器根据所处环境振动加速度，输出的不同的模拟差分电压信号，选择电容式加速度传感器作为核心敏感元件，其测量范围_2g 2g，测量带宽O 400HZ，不仅可以测量动态加速度，还可以测量静态加速度(即倾角测量)，并具有2000g额定耐冲压强度。模拟信号经过有源低通滤波电路以及差分驱动电路�？楹螅階/D转换电路�？椋荒Ｄ獾缪剐藕乓圆罘中问绞涑觯瓜低晨垢扇判阅芨浚岣吡讼低巢饬烤龋涑龅缪狗段�-4v 4v，分辨率为2000mv/g。
根据步骤三，滤波电路对步骤二中传感器输出差分模拟量进行有源低通滤波。根据步骤四，低通滤波电路�？槎源衅魇涑龅牟罘帜Ｄ饬拷械屯瞬ǎ⒔瞬ê蟮男藕糯莞罘智缏纺？椋桓菟獾恼穸德史段В瓒ǖ屯瞬ǖ缏返慕刂蛊德饰�15Hz。根据步骤五，串行A/D转换电路根据有源晶振频率，进行模拟量采集，并选择24位逐次逼近型A/D芯片完成系统信号转换。A/D转换电路�？榈闹餍酒狝D7767。经过步骤四中差分驱动电路�？榈牟罘帜Ｄ庑藕沤階/D转换电路�？榈氖淙攵�。A/D转换电路�？橥ü凶芟叩姆绞接氪砥髂？橄嗔衅鞯氖涑瞿Ｄ庑藕抛晃中藕牛⒁�24位补码的方式传递给处理器�？�。根据步骤六，选择处理器PIC18F4620，通过总线的方式与A/D芯片相连，控制A/D转换电路数据输出频率。判断A/D转换电路完成采样之后，通过数据总线读取A/D转换后的补码输出值。将补码格式的数据转换为原码格式，并通过串行接口方式按照无线传输�？樗瓒ǖ囊螅窗鹗急曛疚唬崾曛疚幻恐�35个字节的数据传输方式，传递给 无线发射�？�。根据步骤七，无线发射�？榻邮帐莺蠼胧荽莞尴呓邮漳？�。选择Zigbee无线传输协议作为系统数据传输媒介,利用Zigbee无线发射�？镴ennic5148实现数据的无线传送。根据步骤八、电源电路�？榈氖淙胛獠抗┑绲缭矗捎诒镜推滴尴呒铀俣燃坪牡缌康停梢岳蔑绯刈魑獠抗┑绲缭�。根据步骤九、振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储。当电源电路输出电压低于3. 6v时，单片机产生电池电压过低的信号，并通过无线传输，将信号传递给接收终端，提醒监测人员进行电池充电或更换，同时切换电路，启动振动能量收集单元，利用振动能量收集单元输出电压作为电源电路的输入，为系统进行供电，构成系统后备电源。根据步骤十，接收终端的无线接收�？椋鏩igbee无线接收模块Jennic5148,获得数据后，通过串行接口电路与上位机相连。同时，Zigbee无线接收�？榭刂莆尴呤辗⒛？椋蛊浣爰せ钅Ｊ剑菝吣Ｊ揭约吧疃刃菝吣Ｊ降炔煌墓ぷ髯刺档拖低衬芎�。根据步骤十一，上位机获得数据后，将其转换为十进制数据，并通过FIR滤波方式进行滤波，获得最终加速度测量值进行处理、显示及存储。调整标准振动台使其输出振动频率变化范围从O. 6Hz 5Hz，振幅半峰值为350 600 μ m所获得的加速度测试数据以及根据标准振动台所提供的振动参数计算获得的加速度值如表1，部分实测加速度输出波形如图2。表I为实测加速度值，实际测量值与计算加速度理论值基本保持线性关系，通过标定可得补偿系数为I. 1365，针对系统测量量程(4g)补偿后误差在O. 2%。以内。表I实测加速度值
权利要求
1.一种低频无线加速度计，其特征在于 包括加速度传感器�？椤⒌屯瞬ǖ缏纺？椤⒉罘智缏纺？�、A/D转换电路�？椤⒋砥髂？�、无线发射�？�、电源电路�？�、外部电源�？�、振动能量收集单元、无线接收模块、上位机； 加速度传感器输出不同的模拟电压信号，模拟电压信号输入到低通滤波电路�？椋� 低通滤波电路模块与差分驱动电路�？橄嗔瞬ê蟮男藕糯莞罘智缏纺？椋� 差分驱动电路�？榈哪Ｄ庑藕沤階/D转换电路�？榈氖淙攵耍� A/D转换电路�？橛氪砥髂？橄嗔衅髂？槭涑龅哪Ｄ庑藕抛晃中藕牛莞砥髂？椋� 处理器�？槎訟/D转换电路输出的数字信号将补码格式数据转换为原码，通过串口的方式传递给无线发射�？椋惺荽洌� 无线发射�？榻邮帐莺蠼萃ü尴叩姆绞酱莞尴呓邮漳？椋� 无线接收模块获得数据后，发送给上位机； 电源电路的输入为外部电源，电源电路向加速度传感器�？�、低通滤波电路模块、差分驱动电路�？椤/D转换电路模块、处理器模块、无线发射�？槭涑龅缒埽� 振动能量收集单元向电源电路�？槭淙肽芰浚� 能够进行低频振动测量。
2.如权利要求I所述的低频无线加速度计，振动能量收集单元对测试过程中的能量进行收集，将振动能量转换为电能，并存储，当供电电池电量过低时，启动振动能量收集单元，将收集到的振动能量输出，作为系统电源电路的输入，为系统进行短时供电，构成系统后备电源。
3.如权利要求I所述的低频无线加速度计，接收终端�？榭刂莆尴叻⑸淠？榈墓ぷ髂Ｊ剑氩煌菝咦刺�。
全文摘要
本发明涉及一种低频无线加速度计，尤其涉及针对桥梁等结构体的低频低振幅振动的测量，属于智能仪器仪表领域。包括加速度传感器�？�、低通滤波电路�？�、差分驱动电路�？�、A/D转换电路�？�、处理器�？�、无线发射�？�、电源电路�？椤⑼獠康缭茨？�、振动能量收集单元、无线接收�？�、上位机。本发明当系统外部供电电源过低时，振动能量收集单元收集所测的振动能量，作为后备电源，为系统供能。该低频无线加速度计集成度高，结构简单，便于携带及操作，特别适用于对大型结构体进行振动加速度的监测。
文档编号G01H11/06GK102798458SQ20121027047
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者高岩, 王涛, 刘建磊, 陈密, 胡强, 梁志广, 刘利, 李沁 申请人:北京铁科工程检测中心, 北京理工大学
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