一种便携式刚度数据测量和处理系统的制作方法

本实用新型涉及刚度检测技术领域，尤其是一种便携式刚度数据测量和处理系统。

背景技术：

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。刚度测量设备通常是通过测量材料或结构施加的力，以及测量施加力产生的形变也就是线性位移，经过计算得到相应的刚度参数。

在工程上，有些机械、桥梁、建筑物、飞行器或者舰船如果结构刚度不够，就会在某些条件下出现失稳，因此需要对材料或结构的刚度参数进行测量。刚度测量应用在建筑领域主要包括建筑结构的检修、检测、监测或加固工程等方面。很多机械设备也需要对部件的刚度参数进行测量，如压铸机、液压机、陶瓷机械、弹簧机械、木工机械、板材设备、印刷机械、机床设备、煤炭设备、吊装设备等等。

目前刚度测量设备主要有两种形式：

一种是数字仪表组成的刚度数据测量系统(如图1)。力和位移传感器将相应的非电量转换为电信号。信号接入数字仪表经过采集计算得到相应的刚度值并在数字面板上显示出来，显示的数值是当前的刚度的瞬时值。这种测量设备携带方便、价格便宜，适合现场刚度参数的测量，但是不具备存储保存和自动记录数据的功能，需要人工抄录。

另一种是台式计算机内部安装数据采集卡组成的计算机刚度数据采集系统(如图2)。力和位移传感器经过变送器变换成标准的电压或电流信号接入数据采集卡。计算机将采集的力和位移数据进行处理并计算出相应的刚度值，在屏幕上可以显示这些数据的瞬时值，也可以以曲线的形式绘制其变化的趋势。采集的数据可以以文件的形式保存下来，用于后期的分析和应用。这种方式的检测系统通常应用在专用的刚度检测设备上，或者是专用的实验设备上。主要缺点是价格较高、功能单一、现场测试携带不方便、需要AC220V电源。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决刚度数字测量仪表系统功能简单，不能对数据进行存储、记录和处理，需要人工抄录的问题，是为了解决计算机刚度数据采集系统价格较高、功能单一、现场测试携带和移动不方便、需要AC220V电源的问题。针对上述两种刚度测量方案所存在的缺陷，提供一种便携式刚度数据测量和处理系统。

本实用新型的技术方案是：一种便携式刚度数据测量和处理系统，本系统结构采用数据采集模块(下位机)-便携笔记本电脑(上位机)的方式，包括力传感器、位移传感器、数据采集模块和便携笔记本电脑，所述力传感器与数据采集模块连接，所述位移传感器与数据采集模块连接，所述数据采集模块与便携笔记本电脑通过USB连接；

所述数据采集模块包括变换电路1、变换电路2、微处理器、LCD显示单元、按键电路、串口USB转换电路和电源，所述力传感器的输出端与变换电路1连接，所述位移传感器的输出端与变换电路2连接，所述变换电路1和变换电路2分别连接微处理器，所述微处理器与LCD显示单元连接，所述按键电路的输出端与微处理器的输入端连接，所述串口USB转换电路与微处理器连接，所述电源通过USB接口与便携笔记本电脑连接，所述便携笔记本电脑还与串口USB转换电路连接。

进一步的，所述力传感器采用应变轮辐式力传感器，型号SIN-LCLY。

进一步的，所述位移传感器采用导电塑料电位器位移传感器，型号KTR-B系列。

进一步的，所述变换电路1采用单电源专用的集成仪用放大器AD623。

进一步的，所述变换电路2采用的是由单电源运放LM358组成的R-U变换电路。

进一步的，所述微处理器的型号是CC2530。

进一步的，所述串口USB转换电路采用的是RS232转USB控制芯片PL2303。

进一步的，所述数据采集模块的功能包括等待模式、参数设置模式和数据采集模式。

进一步的，所述便携笔记本电脑的应用软件由Lebview编制的。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、耗电量小、功能强等优点，适用于便携使用。

(2)本实用新型的数据采集模块方便与笔记本电脑连接，可实时将数据上传并实现数据的显示和记录，数据的存储和分析。

(3)本实用新型的数据采集模块采用了低功耗设计，整个部件供电采用的是笔记本电脑USB接口提供的电源，因此可以在没有AC220V电源的情况下使用。

附图说明

图1为数显仪表刚度采集系统的框图。

图2为计算机刚度数据采集系统的框图。

图3为本实用新型的系统示意图。

图4为本实用新型的数据测量和处理系统采集模块的框图。

图5为本实用新型的上位机程序流程图。

图6为本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图所示，一种便携式刚度数据测量和处理系统，包括力传感器、位移传感器、数据采集模块和便携笔记本电脑；

数据采集模块包括变换电路1、变换电路2、微处理器、LCD显示单元、按键电路、串口USB转换电路和电源，力传感器的输出端与变换电路1连接，位移传感器的输出端与变换电路2连接，变换电路1和变换电路2分别连接微处理器，微处理器与LCD显示单元连接，按键电路的输出端与微处理器的输入端连接，串口USB转换电路与微处理器连接，电源通过USB接口与便携笔记本电脑连接，便携笔记本电脑还与串口USB转换电路连接。

力传感器采用应变轮辐式力传感器，型号SIN-LCLY，量程可根据测量需要选择1T、5T、10T、20T、50T等。其他技术参数包括灵敏度2.0±0.05mV/V、精度0.1％、输出电阻750±5Ω、非线性度≤±0.03％FS。力传感器将力转变为电阻应变片电阻的变化。

位移传感器采用导电塑料电位器位移传感器，型号KTR-B系列，量程程可根据测量需要选择5mm、10mm、20mm、50mm、100mm等，线性精度误差≤±0.05％FS，重复性误差≤0.005mm，电位器电阻值有1K、2K、5K。位移传感器将位移转换成电位器电阻变化。

数据采集模块是数据采集系统的核心部件。力传感器应变片全桥电路输出经过模块内部信号变换电路1变换成标准的电压信号,变换电路1采用的是单电源专用的集成仪用放大器AD623；位移传感器输出的电阻信号经过变换电路2转换为标准的电压信号，变换电路2采用单电源运放LM358组成的R-U变换电路。

作为采集和控制的核心元件微处理器采用的是CC2530，作为ZigBee的专用控制芯片CC2530是一款8位高性能的低功耗微处理器。CC2530具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC，具有支持多种串行通信协议的强大USART，其内部集成了超低功耗的SRAM和非易失性程序存储器。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据。CC2530内部集成的12位ADC转换精度对于力和位移信号的采集精度满足系统要求。内部非易失性存储器可以存储系统设置参数。内部集成USART被配置为一个UART用于与上位机的串行口通信。UART异步串行通讯接口通过RS232转USB控制芯片PL2303转换成USB接口。数据采集模块通过USB线与便携式笔记本电脑相连，可将数据传输到上位机笔记本电脑。

LCD显示单元采用3.3V 1602LCD显示模块，具有较低的功耗和较强的字符显示功能，在没有背光时耗电电流仅为2.3mA。键盘用于功能键和参数设置。

由于数据模块采用的是低功耗设计，因此，模块供电由USB接口提供，简化了电源的设计。USB供电电压+5V，模块内部电源电路采用低压差线性变换电路，将+5V电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。由于整个数据采集模块采用了低功耗设计，整个部件供电采用的是笔记本电脑USB接口提供的电源，因此整个系统可以在没有AC220V电源的情况下使用。

数据采集模块按功能分三种工作模式①等待模式：处于等待状态不进行数据采集，也不进行数据处理和传输。开始上电和复位之后处于此状态，此时主要是用于调整位移传感器的位置，加力装置工作的状态。②参数设置模式：通过功能键进入参数设置界面(模式)，可以修改传感器的量程参数，保证与实际选用的传感器相一致，在退出此模式时保存相应的参数。③数据采集模式：通过功能键进入数据采集模式，首先进行力和位移的零点自动校准，然后进入数据采集状态，采集的位移和力经过计算得到瞬时的刚度。如果上位机进入通讯确定状态，数据即可连续上传到上位机。此时可以启动加力装置，连续测量位移、力和刚度的变化过程，并在LCD面板上显示出瞬时值。

上位机数据采集和数据处理界面应用软件是由Lebview编制的。包括数据采集子界面和数据处理子界面，可通过选项卡选择不同的界面。数据采集子界面主要包含，通信端口的选择，通信的确定与取消。在数据采集模块处于数据采集模式时，选择通信确定按钮，采集的数据即可实时上传。采集的力和位移参数用随时间变化以曲线形式显示出来，同时以数字形式显示瞬时值，力和位移用XY图的方式显示出关系曲线，刚度信号用数字形式显示瞬时值。力、位移和刚度可以选择用Excel文件形式保存起来。通过选项卡选择数据处理子界面，在此界面下可通过对话框调取不同的保存的力和位移的XY图并在同一坐标系内显示出来，用于比较和数据分析，如图5所示，上位机数据采集和数据处理流程图。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。