自校准三轴振动监测及环境监测采集系统的制作方法

文档序号:5933763
专利名称:自校准三轴振动监测及环境监测采集系统的制作方法
技术领域
本发明涉及振动监测及环境监测的采集系统,具体涉及一种满足多种应用场合的 具备自校准功能的三轴振动监测及多种环境参数监测的采集系统。背景技术
近年来,随着国家对基础设施建设的投入,大量重大基础设施,如桥梁,建筑物,隧 道等已在人们日常生活中扮演着非常重要的角色。但是,由于环境侵蚀,材料老化以及长期 的荷载作用,这些设施的健康状态同样引起人们的担忧。为了保障人民的生命财产安全,已 完成的这些基础设施急需采用有效的手段来判断其健康状态并及时做出反应。传统的单一 传感系统仅仅考虑采集相关结构特性参数,对结构物周围的环境并没有给予相应考虑,对 由于环境(温度等)变化引起的数据输出偏差并没有给予相应的处理,现有的三轴加速度 传感器系金属或半导体材料结构,传感器的材料和结构受环境温度的影响较大,相应的输 出也会有所偏离。现有的测量监测系统适用范围小,体积庞大,测量精度低,测量参数少,不 易于扩展,这些特性导致其不能满足现代重大基础设施的结构健康监测需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用范围广,测量精度高的满足振动监测及环境监测 方法及多功能采集系统,系统自带高精度三轴加速度传感器并且数据输出不随温度变化产 生漂移。系统留有可扩展模拟输入接口,方便将来应用于多种领域;除此之外,系统自带的 温度,湿度,光照度监测,不仅可以应用于结构物的环境监测,还可以广泛应用于其他领域 的环境监测。
本发明的目的是这样实现的自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,由振动 监测模块,温度补偿模块,环境监测模块以及信号调理模块组成;所述振动监测模块包括高 精度加速度传感器;所述温度补偿模块用来自校准振动监测模块的输出;所述环境监测模 块包括温度传感器,湿度传感器,光照度传感器;所述信号调理模块包括信号调理电路、抗 混叠滤波器、模数转换器和数字接口输出;振动监测模块连接信号调理模块,振动监测模块 采集振动信号,环境监测模块采集温度信号、湿度信号和光照度信号;传感器输出的振动信 号连接信号调理电路进行放大、并接抗混叠滤波、模数转换电路,最后通过数字接口输出, 在数字接口输出之前,振动信号根据输出的温度信号和温度补偿模块被相应的温度补偿; 温度信号,湿度信号,光照度信号会经过自身模块的放大,模数转换后通过数字接口输出。
加速度模块提供三个方向(三轴加速度传感器)的加速度测量。
因为振动监测模块中加速度传感器的敏感元件大多采用金属或半导体材料,其静 态特性与环境温度有着密切的联系。在大部分条件下,加速度传感器会由于工作环境温度 变化较大的原因影响其静态特性,其输出值也因此会产生较大偏差,因此这里除了配有振 动监测模块,还配置了温度补偿模块用来自校准系统的输出。环境监测模块不仅可以用于 结构物的环境监测,还可以扩展到其他领域的环境监测。振动模块和环境监测模块最终将经过信号调理模块输出。
本发明集成多种适用于基础设施结构健康监测及环境监测的传感器,其中加速度 传感器可用于采集设施的三维振动信号,分析设施的结构健康状态,其监测范围同时满足 低频和高频振动。环境监测可同时采集结构物环境温度,湿度,光照度等参数,另外还可满 足其他领域的环境监测。
振动模块提供三轴振动监测功能,输出信号为模拟信号。振动模块主要应用于桥 梁,隧道,建筑物等重大基础设施的结构健康监测。通过采集这些设施关键区域的振动信 号,分析其振动频率,继而可以判断其所处健康状态。
环境监测模块内部提供模数转换功能,输出信号为数字信号。环境监测包括温度, 湿度和光照度监测。环境监测不仅可以用作采集结构物周围的环境信息,还可以用于获取 其他领域的环境信息。
温度补偿模块是根据加速度传感器的输出变化量与引起该输出量变化的温度变 化量之比,来建立相应数学模型进行数据校准。温度的变化量获取由环境监测模块的温度 传感器提供,数据校准由处理器完成。
信号调理模块提供若干通道的模拟信号接入,信号会经过放大后,到达抗混叠滤 波器,最后经过高精度的模数转换器进行模数转换,数据最后通过数字接口输出。信号调理 模块还提供了可扩展模拟输入接口,方便将来各种场合的应用扩展。
自校准三轴振动监测及环境监测方法是
利用温度传感器校准加速度输出值,首先获取加速度传感器的输出变化量与引起 该输出量变化的温度变化量之比&。如果一次过程采集N个数据,首先设定一个基准值,其 中包括加速度基准值和温度基准值Ttl, 可以取这次采集过程中前M(如100)个加速度 数据的平均值,Ttl取这次采集过程中前M(如100)个温度数值的平均值。然后获得某个时 刻的加速度值%,同时获得该对应时刻的温度值Ti,那么加速度传感器的输出变化量与引 起该输出量变化的温度变化量之比st为
权利要求
1.自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,其特片是由振动监测模块,温度补偿模 块,环境监测模块以及信号调理模块组成;所述振动监测模块包括高精度加速度传感器; 所述温度补偿模块用来自校准振动监测模块的输出;所述环境监测模块包括温度传感器, 湿度传感器,光照度传感器;所述信号调理模块包括信号调理电路、抗混叠滤波器、模数转 换器和数字接口输出;振动监测模块连接信号调理模块,振动监测模块采集振动信号,环境 监测模块采集温度信号、湿度信号和光照度信号;传感器输出的振动信号连接信号调理电 路进行放大、并接抗混叠滤波、模数转换电路,最后通过数字接口输出,在数字接口输出之 前,振动信号根据输出的温度信号和温度补偿模块被相应的温度补偿;温度信号,湿度信 号,光照度信号会经过自身模块的放大,模数转换后通过数字接口输出。
2.根据权利要求1所述的自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,其特征是加速度 模块提供三个方向(三轴加速度传感器)的加速度测量。
3.根据权利要求1所述的自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,其特征是温度校 准三轴振动监测方法是利用温度传感器校准加速度输出值,首先获取加速度传感器的输出变化量与引起该输 出量变化的温度变化量之比&。如果一次过程采集N个数据,首先设定一个基准值,其中包 括加速度基准值和温度基准值Ttl, 可以取这次采集过程中前M(如100)个加速度数据 的平均值,Ttl取这次采集过程中前M(如100)个温度数值的平均值。然后获得某个时刻的 加速度值^,同时获得该对应时刻的温度值Ti,那么加速度传感器的输出变化量与引起该 输出量变化的温度变化量之比&为
4.根据权利要求1所述的自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,其特征是抗混叠 滤波器为可编程滤波器,可根据需求设定不同的采样频率和截止频率,满足不同应用场合。
5.根据权利要求1所述的自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,其特征是信号调 理电路可同时完成多通道的信号调理,并且提供可扩展输入接口。
全文摘要
自校准三轴振动监测及环境监测采集系统,由一组振动监测模块,温度补偿模块,环境监测模块以及信号调理模块组成;所述振动监测模块包括高精度加速度传感器;所述温度补偿模块用来自校准振动监测模块的输出;所述环境监测模块包括温度传感器,湿度传感器,光照度传感器;所述信号调理模块包括信号调理电路、抗混叠滤波器、模数转换器和数字接口输出;振动监测模块连接信号调理模块,振动监测模块采集振动信号,环境监测模块采集温度信号、湿度信号和光照度信号;传感器输出的振动信号连接信号调理电路进行放大模数转换电路,最后通过数字接口输出,并经温度补偿。本发明集成多种适用于基础设施结构健康监测及环境监测的传感器。
文档编号G01D3/028GK102032943SQ201010589368
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者丁华平, 刘云峰, 吉林, 沈庆宏, 阮静, 陈策, 陈红梅 申请人:南京大学, 常州赛杰电子信息有限公司, 江苏省长江公路大桥建设指挥部
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