专利名称：基于感应原理的混凝土内部温度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于温度检测技术领域，涉及一种温度检测装置，特别涉及一种应用于公路、桥梁、铁路等建设工程中无外接电触点且无电源的混凝土内部的温度检测。
背景技术：
在铺设铁路混凝土的浇筑过程中，混凝土内部的温度变化对混凝土浇筑件的质量影响很大，若不加以控制则会严重影响混凝土的浇筑质量及寿命，而目前对于其内部温度检测存在以下三个主要问题(1)无法对数据采集设备进行直接供电，由此带来对数据采集设备功耗的限制；(2)数据采集设备也不能从内部直接引出信号检测线，使得数据传输的可靠性受到影响；(3)混凝土浇注体内部结构、材料对供电、数据通信都会产生严重干扰等。针对以上主要问题，国内外采用了很多种检测方法第一类最为原始的是测量孔测温。该方法操作简单，成本低，但仅能测混凝土表面温度，干扰较大且损坏了混凝土表面完整性，因而该方法对于检测较大体积混凝土内部温度不适合。
第二类目前混凝土内部温度检测普遍采用的是从“有测温，必有埋管”出发。基于该方法的有热电偶测温、热敏电阻测温、光纤测温等。热电偶测温的基本原理是热电效应。利用塞贝克效应，根据热电势与温度函数关系制成电偶分度表，通过查表测得混凝土内部温度。参见[李小珑著《热敏传感器性能及综合设计实验的研究》]。热敏电阻测温是根据阻值和温度的关系，通过检测电阻阻值来确定内部温度；还有就是光纤测温，它利用光与温度的关系变相检测内部测温。非常明显的是以上种种方法均属于有线测温，存在一个共同的缺点，就是都需要从混凝土内部引线(或电源线或信号线)至表面，破坏了混凝土的表面完整性。参考文献[李继军、柴建业著《高层住宅楼冬期施工混凝土质量控制》.《陕西建筑》2003年第12期]、[《大体积混凝土施工工法》.《天津建设科技》1997年第03期]。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于感应原理的混凝土内部温度检测装置，该装置利用感应供电及信号传输，解决了现有混凝土内部温度检测对混凝土完整性的破坏和检测装置供电的问题。
本发明所采用的技术方案是，本发明的检测装置利用感应供电及信号传输，其最大特点是(1)将检测装置分为两部分，埋设于混凝土内部的部分与混凝土外部部分无任何接触，保证了混凝土的无缝性；(2)内部检测装置无需电池供电，因而可长期稳定工作且操作简便，另外没有电池也减少了腐蚀性物质对混凝土和钢筋的损坏。
另外，该装置的抗干扰性强、装置工作环境稳定、操作简便、检测精度较高(±0.5℃)、检测范围大(-40℃～+125℃)、响应速度快、结构简单、易于维护与调试。
图1是本发明检测装置的原理结构框图；图2是本发明提供的一种内部装置的实例电路图
图3是本发明提供的一种外部装置的实例电路图。
图1中，1.温度传感器，2.第二CPU，3.调制电路，4.第二线圈，5.第一线圈，6.模拟处理电路，7.第一CPU，8.通讯接口，9.振荡和功率放大电路。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明基于感应原理的混凝土内部温度检测装置包括内部装置和外部装置两个部分，外部装置就是混凝土外部的装置，包括第一线圈5、模拟处理电路6、第一CPU 7和通讯接口8，主要用来接收内部装置的数据并将数据解码后与PC通信以及为内部装置提供能量；内部装置就是浇筑在混凝土内部的部分，包括温度传感器1、第二CPU 2、调制电路3、第二线圈4，主要用来接收并处理混凝土内部的温度信息，并将该信息编码为外部装置能够识别的信号通过第二线圈4发射出去。
其中，温度传感器1，用于检测其周围的温度，并将温度信号转换成为数字信号，工耗低，工作电压范围宽，工作电流低于70微安，有休眠功能，以便进一步降低功耗。温度传感器1将检测到的代表温度的数字信号通过I2C总线传给第二CPU 2即微功耗单片机。传送信号的方法是单片机通过总线给温度传感器1发送读命令，温度传感器1将已经转换好的温度数字信息以串行的方式发送给单片机，单片机将此串行信息转换为字节形式并存储与微功耗单片机的寄存器内。
第二CPU 2即微功耗单片机，用于接收温度传感器1传送的温度信号将信号进行编码，加上前导字符和校验以及结束字符，控制三极管(MOS管或者双极性晶体管)进行负载调制。微功耗单片机以串行方式给温度传感器1发送读命令，温度传感器1将温度的数字信息输出驱动总线，单片机接收数字信号，并存储于内部寄存器中，加上通讯前导字符，后面加上校验和和结束字符，通过单片机的一个管脚(或者一个PIN)控制三极管(MOS管或者双极性晶体管)进行调制，与外部装置进行通讯。微功耗单片机的时钟来源于感应线圈，感应线圈感应得到的强信号一方面通过整流、滤波和稳压后作为单片机的电源，另一方面通过电容C15和电阻R12从线圈取得交变的信号给单片机作为时钟信号，降低成本。
调制电路3，用于对微功耗单片机编码的信号进行负载调制，从而将温度信息传送给外部装置。单片机将一帧通讯数据转换为串行，用数字信号的高低电平控制外部三极管的通断，从而使第二线圈4在谐振和非谐振之间以单片机的控制变化，这种变化引起外部线圈内电流的变化，即感应。
第二线圈4，首先该线圈接收外部装置中的第一线圈5的强信号，与电容谐振后得到最强的信号，通过桥式整流后得到较高的电压，通过稳压后给单片机供电。其次线圈中的感应的中频信号未单片机提供时钟。最后单片机控制调制电路3，引起线圈谐振变化，给外部装置的第一线圈5感应信号，将信息传递给外部装置。
内部装置中第二CPU 2超低功耗；温度传感器1内部将模拟信号转换为数字信号而且功耗低；整个内部装置的功耗低于400微瓦，便于增大第一线圈5和第二线圈4的距离。
外部装置包括第一线圈5，首先产生较强的电磁场用于传递电能给第二线圈4，为内部装置持续供电，产生较强的电磁场需要模拟处理电路6的驱动；其次感应第二线圈4的电压、电流变化，接收第二线圈4中的调制信号，并将该变化信号送入模拟处理电路6。
振荡和功率放大电路9，组成供电电路，用于产生交流信号，并经功率放大电路放大，激励第一线圈5，输出射频信号。
模拟处理电路6包括驱动、幅度解调、放大和比较四个部分。驱动电路由振荡器和分频器产生交变的信号，通过三极管放大之后驱动线圈和电容的谐振回路，谐振产生的电磁波向第二线圈4传递能量，第二线圈4上变化的信号感应到第一线圈5上，第一线圈5叠加较弱的调幅信号，这一信号先经过幅度解调后，取其交流(变化)部分，进行放大，在进行比较得到数字信号，单片机即第一CPU 7将此数字信号读取，并进行识别。
第一CPU 7，用于接收模拟处理电路6处理得到的数字编码信号，并对这些信号进行解码，和校验，确保接收到的数据正确，将此数据转换成字符形式，并存储在寄存器中，等待通讯请求。
通讯接口8，它的作用是隔离和电平转换，用于接收PC机发送的请求命令和第一CPU 7发送信息给PC机。隔离提高通讯的抗干扰能力，485的电平转换芯片将5V的数字电平转换为RS485电平，便于多个测点联网，即一个PC机可以同时记录多个测点的温度(多机通讯)。
整个装置内外数据交换及内部装置的供电全部由第一线圈5和第二线圈4的相互感应来完成，选择第一线圈5的铜丝直径在0.08～0.56mm，匝数在10～70匝之间，整个线圈直径在30～150mm之间；第二线圈4的铜丝直径及线圈直径范围与第一线圈5相同，其匝数在60～270匝之间。根据不同检测需求，使内部检测装置距离混凝土表面在10～100mm之间。温度传感器1、第二CPU 2及调制电路3的电源均由第二线圈4提供，其数据交换过程为温度传感器1的数据经第二CPU 2调制后将信息传给第二线圈4，同时第一线圈5感应获得第二线圈4的信号，并经第一CPU 7解调后直接与通讯接口8相连接，再传给外部PC机。
其中根据检测范围、精度、实时性等特点选择合适的温度传感器；由于数据不能直接传输，可根据系统性、标准性、实用性、扩充性和效率性等选择合适的数据编码方式；从实时性、功耗、稳定性等角度选择合适的CPU即数据处理单片机，另外，可采用RS485总线进行多点检测，这样便可方便清晰的检测到路基或桥梁各点的混凝土内部温度。
实施例根据电路所需电压及内外装置的距离，可选择第一线圈5的铜丝直径为0.40mm，匝数为50匝，线圈直径为120mm；第二线圈4的铜丝直径为0.40mm，匝数为80匝，线圈直径为1200mm；根据电路实时处理能力及功耗，第二CPU 2采用型号PIC12C508/509，第一CPU 7采用型号STC12C5052，根据所要求的检测精度、功耗选择I2C总线温度传感器TMP275。
各部件及电路的详细连接如图2、图3所示。
图2中，调制电路3的电路连接关系感应线圈(天线)L2和电容C11构成并联谐振回路，谐振频率与图3中的射频发射线圈L2和C13的串联谐振频率相等。图2中的谐振线圈中感应得到交流信号，这一信号一方面通过D6、D7、D8和D9构成的桥式整流电路，得到直流电源，再经过D10和R8串联以及电容C18和C20的滤波，得到较稳定的直流电压，R9与C19、C21和稳压管D1的并联电路相串联，使电源电压更加稳定，这一电源的标号为VCC，这一稳定电源加到微功耗单片机的电源脚(PIN1)、温度传感器的电源脚(PIN8)、R10和R11的一端，分别为温度传感器的SDA(PIN1)和SCL(PIN2)提供上拉。另一方面感应线圈感应得到的信号经过R12和C15串联电路降压限流后送入U3(微功耗单片机)的O1(PIN2)，为单片机提供时钟信号。温度传感器的A0(PIN7)、A1(PIN6)、A2(PIN5)管脚连接到0V(地)，使温度传感器的I2C总线的地址为0，以便通讯读取温度信息。微功耗单片机的GPIO2(PIN5)通过电阻R13和电阻R7的串联分压后加到MOS管的门极，控制它的导通和关断(调制)，电阻R6与三极管的源极相连，起限流的作用，C14并联在桥式整流的输出处，起滤波作用。
图3中，模拟处理电路6的电路连接关系晶振CR1、C11、C12以及R22、R23与U4的TH1(PIN11)和/THO(PIN10)连接构成振荡器，振荡器的输出经过U4的分频后由Q5(PIN5)输出经过R17控制Q4和Q6，对信号进行功率放大；放大的信号经过L2和C13构成的谐振电路将强信号发射出去，另一方面内部装置的负载调制信号传递给L2和C13构成的谐振电路，对谐振电压进行控制，电容C13上的调幅信号经过R18与检波二极管和电容C14构成的解调电路相连接，幅度解调出的信号经过C15的隔直后取得信号的变化加到放大电路U6A的同相输入(PIN3)，其中R25与二极管的阳极和地相连接，起释放C14中电荷的作用，C16、R28与U6A的同相输入(PIN3)(解调信号的变化)和地连接，其中C16抑制信号中的高频部分，起抗干扰的作用，R28起释放C16中电荷的作用。R29与U6A的反相输入和输出相连接，与R27一起构成负反馈电路，这两个电阻的大小确定了放大电路的放大倍数，U6A放大器对解调出的信号进行放大，经过电容C17隔直后得到幅度比较大的信号；信号经过R30和R33的串联分压后加至U6B的同相输入(PIN5)，R21的两个管脚分别与U6B的同相输入(PIN5)和输出(PIN7)连接，构成正反馈；R31和R32串联分压与U6B的反相输入(PIN2)连接，给U6B提供比较电压，R21、U6B、R30、R33、R31和R32构成迟滞比较器，比较器输出(PIN7)信号连接至51单片机的P1.2(PIN6)。单片机的P1口(PIN12...19)作为地址设置，给从站编号；P3.3(PIN 7)通过R16连接至三极管Q3的基极，控制三极管的导通和关断，驱动蜂鸣器，作为声音提示；P3.4(PIN8)、P3.5(PIN9)分别通过R3和R2连接至发光二极管D1、D3，作为光提示。R1和D2串联显示电源是否正常。51单片机RXD(PIN2)、TXD(PIN3)以及P3.7(PIN11)与RS485模块如图相连，RS485模块的A、B即为通讯接口，它与其它从机以及主机并在一块，进行主从方式通讯。
从两个角度来分析其工作流程，能量传递第一线圈5中的电流一旦发生变化，第二线圈4即可感应到第一线圈5的变化且在第二线圈4中产生电流，经整流滤波稳压获得稳定的电压作为内部装置的电源。
信息传递温度传感器1检测其周围温度，将其温度信号传给第二CPU2，第二CPU2接收该信号并将其编码，编码后的数据调制控制第二线圈4，从而引起第二线圈4的电压电流变化。与此同时第一线圈5也感应到第二线圈4的变化，将其变化经解码等处理后即可得到温度信息。将该温度信息通过总线传给PC并绘出温度变化的曲线，因此工作人员便可直观的观察到各检测点的温度及其变化情况。
权利要求
1.一种基于感应原理的混凝土内部温度检测装置，其特征在于，包括埋设于混凝土内部的内部装置和混凝土外部的外部装置，内部装置通过温度传感器测量混凝土的内部温度，并把温度信息传送出来，外部装置发送射频信号给内部装置提供能量，并接收内部装置传出的温度信息，多个外部装置联成现场总线网，将各点的温度信息传送到主站，所述的内部装置包括温度传感器(1)，用于检测其周围的温度，并将检测到的温度信息转换为数字信号，通过I2C总线传给第二CPU(2)，用于接收所述温度传感器(1)传送的温度信息，并对该信号进行编码，组成一帧数据流，控制CPU的端口电平输出该数据流到调制电路(3)，用于对上述编码后的信号进行负载调制，即对第二线圈(4)的负载进行改变，这种改变将数据编码传送到外部装置，第二线圈(4)，接收外部装置的射频信号，给内部装置提供电源；受负载调制的影响，引起电压、电流变化，将编码信号传送出去；所述的外部装置包括第一线圈(5)，用于发送射频信号给内部装置，为内部提供能量；用于感应第二线圈(4)的信号，并将该信号送入模拟处理电路(6)；振荡和功率放大电路(9)，用于产生交流信号，并经功率放大电路放大，激励第一线圈(5)，输出射频信号；模拟处理电路(6)，用于将上述第二线圈(4)感应到第一线圈(5)上的信号进行幅度解调，并将解调后的信号进行放大，并取其变化，在将这一变化的信号二值化为数字信号，将数字信号送入第一CPU(7)，接收模拟处理电路(6)输出的数字编码信号，并对该信号进行解码和校验，确保接收到的数据正确；并将其进行解码处理得到温度信息，将该温度信息进行再次编码，形成一帧数据，存储于CPU内的寄存器中，等待通讯请求；通讯接口(8)，隔离和电平转换，用于接收PC机发送的请求命令和第一CPU(7)发送信息给PC机，隔离提高通讯的抗干扰能力。
2.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述模拟处理电路(6)包括驱动电路、幅度解调电路、放大电路和比较电路四部分。
3.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一线圈(5)的铜丝直径为0.08～0.56mm，匝数为10～70匝，整个线圈直径为30～150mm。
4.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第二线圈(4)的铜丝直径为0.08～0.56mm，匝数为60～270匝。
5.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述整个内部装置的功耗低于400微瓦。
6.按照权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述外部装置通过通讯接口(8)现场组网，便于记录各个测点的温度。
全文摘要
本发明公开的一种基于感应原理的混凝土内部温度检测装置，包括埋设于混凝土内部的装置和混凝土外部的装置，内部装置包括温度传感器、第二CPU、调制电路和第二线圈，用来接收并处理混凝土内部的温度信息，并将该信息编码为外部装置能够识别的信号发射出去，外部装置包括第一线圈、振荡功率放大电路、模拟处理电路、第一CPU和通讯接口，用来接收内部装置的数据并将数据解码后与PC通信以及为内部装置提供能量。本发明的检测装置保证了混凝土的无缝性，不需要为检测装置提供外部电源，具有抗干扰性强、检测精度高、检测范围大的特点。
文档编号G08C19/16GK101025854SQ20071001740
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者宋念龙, 李琦, 谢国, 沈红彬 申请人:西安理工大学