一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器的制作方法

1.本实用新型属于加速度传感器技术领域，具体涉及一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器。


背景技术：

2.加速度传感器一般是用来测量加速度或振动的传感器，在航空航天、汽车、船舶、桥梁、高铁等领域得到了大量应用。现有的加速度传感器一般是基于压电式、压阻式、电感式、电容式的原理，随着mems技术的发展，压阻式和电容式加速度传感器均可以采用mems技术进行生产、加工，使得传感器的体积、功耗、成本得到了大大降低。在对一些大型结构如桥梁、起重机、工程机械、游乐设备进行加速度测试时，传统的有线加速度传感器和测试仪器之间需要进行长距离、复杂的布线，现场安装不便，并且常常因为长距离的走线导致模拟小信号收到干扰，影响数据读取。
3.与传统的传感器相比，无线传感器可以大大简化现场布线，使用灵活、方便，并且无线数字化数据传输大大降低了由于长电缆带来的信号干扰。但是现有的无线传感器一般采用wifi、蓝牙、zigbee等标准通讯协议，传输距离近、设备体积大、功耗高、待机时间短，不方便野外测试。
4.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器，其用于解决现有传统加速度传感器和传统测试仪器存在的布线不便、无线传输距离近、功耗高、体积大、待机时间不长的上述问题。
6.为达到以上目的，本实用新型提供一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器，用于采集加速度信息，包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体固定连接，所述上壳体和所述下壳体包围形成的容纳腔中设有天线、电池、无线模块、数字板和模拟板，其中：
7.所述天线安装于所述上壳体(紧贴于上壳体的内壁)，所述无线模块和所述电池分别与所述数字板电性连接；
8.所述模拟板包括模拟信号调理电路并且所述模拟信号调理电路包括加速度传感器、阻抗匹配电路、高通旁通选择电路、低通滤波电路、放大电路和ad 采集电路，所述加速度传感器的输出端与所述阻抗匹配电路的输入端电性连接并且所述阻抗匹配电路的输出端与所述高通旁通选择电路的输入端电性连接，所述高通旁通选择电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端电性连接并且所述低通滤波电路的输出端与所述放大电路的输入端电性连接，所述放大电路的输出端与所述ad采集电路的输入端电性连接(ad采集电路的输出端将采集信号传输到数字板)。
9.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述数字板包括处理器 (cpu)、存
储电路、电源电路、usb电路和充电电路，所述处理器分别与所述存储电路、所述电源电路、所述usb电路和所述无线模块电性连接，所述充电电路与所述电池电性连接。
10.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述阻抗匹配电路包括运放器u1a，所述运放器u1a的正极输入端与所述加速度传感器的输出端电性连接并且所述运放器u1a的输出端依次通过电阻r4和电阻r8接地，所述运放器u1a 的负极输入端与所述电阻r4和所述电阻r8的共接端电性连接。
11.本实用新型的有益效果在于：
12.1、可无线远程传输，空旷下传输距离500米以上。采用大功率无线射频模块，可以提高无线传输距离，传输距离优于现在常用的wifi、蓝牙、zigbee等主流无线测试技术，非常适合野外测试领域的应用场合。
13.2、体积小。一种小型化、远距离无线加速度传感器体积为 35mm
×
32mm
×
29mm，重量小于60g，满足大多数大型结构加速度测试的使用场合。
14.3、功耗低，可远程休眠唤醒。通过周期信号采集和关闭模拟电源等低功耗控制策略，可以大大延长无线传感器的工作时间。一种小型化、远距离无线应变测试仪没有开关按钮，可通过无线指令远程开关、采集，更适合野外远距离测试。
15.4、同步数据采集。采用多个a/d采集芯片同步采集，并使用无线指令实现同步采集，保证了多通道数据采集的同步性，最高采样率可以达到5khz。
附图说明
16.图1是本实用新型的一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器的结构示意图。
17.图2是本实用新型的一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器的模拟板的示意图。
18.图3是本实用新型的一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器的模拟信号调理电路图。
19.图4是本实用新型的一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器的数字板的示意图。
20.附图标记包括：1、下壳体；2、上壳体；3、天线；4、电池；5、无线模块；6、数字板；7、模拟板。
具体实施方式
21.以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
22.本实用新型公开了一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器，下面结合优选实施例，对实用新型的具体实施例作进一步描述。
23.在本实用新型的实施例中，本领域技术人员注意，本实用新型涉及的上壳体和下壳体等可被视为现有技术。
24.优选实施例。
25.本实用新型公开了一种具有小型化和远距离传输功能的无线加速度传感器，用于采集加速度信息，包括上壳体2和下壳体1，所述上壳体2和所述下壳体1 固定连接，所述上壳体2和所述下壳体1包围形成的容纳腔中设有天线3、电池 4、无线模块5、数字板6和模拟板7，其中：
26.所述天线3安装于所述上壳体2(紧贴于上壳体的内壁)，所述无线模块5 和所述电池4分别与所述数字板6电性连接；
27.所述模拟板7包括模拟信号调理电路并且所述模拟信号调理电路包括加速度传感器、阻抗匹配电路、高通旁通选择电路、低通滤波电路、放大电路和ad 采集电路，所述加速度传感器的输出端与所述阻抗匹配电路的输入端电性连接并且所述阻抗匹配电路的输出端与所述高通旁通选择电路的输入端电性连接，所述高通旁通选择电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端电性连接并且所述低通滤波电路的输出端与所述放大电路的输入端电性连接，所述放大电路的输出端与所述ad采集电路的输入端电性连接(ad采集电路的输出端将采集信号传输到数字板)。
28.具体的是，所述数字板6包括处理器(cpu)、存储电路、电源电路、usb 电路和充电电路，所述处理器分别与所述存储电路、所述电源电路、所述usb 电路和所述无线模块电性连接，所述充电电路与所述电池电性连接。
29.更具体的是，所述阻抗匹配电路包括运放器u1a，所述运放器u1a的正极输入端与所述加速度传感器的输出端电性连接并且所述运放器u1a的输出端依次通过电阻r4和电阻r8接地，所述运放器u1a的负极输入端与所述电阻r4 和所述电阻r8的共接端电性连接。
30.优选地，所述下壳体1采用金属结构，具有较强的刚度，可较好地进行加速度信号传递。所述的上壳体2是透波材料，所述的天线3紧贴上壳体2的内壁，以减少上壳体2对无线信号的衰减。
31.在所述的下壳体1、上壳体2内部(容纳腔)，从下之上依次为：模拟板7、数字板6、电池4、天线3，其中，所述的无线模块5安装于数字板6的侧面。
32.所述模拟板7和下壳体1之间通过螺钉刚性连接，模拟板7上安装有(mems) 加速度传感器，可以较好地传递加速度信号，以减少加速度信号的失真。
33.所述的模拟板包括三轴mems加速度传感器、阻抗匹配电路、高通/旁通选择电路、低通滤波电路、放大电路、ad采集电路。
34.某一轴(本实时例为x轴)模拟信号调理电路见图3。
35.mems加速度传感器输出信号接入至阻抗匹配电路，阻抗匹配电路由运算放大器u1a、电阻r4、电阻r8组成，实现阻抗匹配和信号放大。阻抗匹配电路后面接高通/旁通选择电路，高通/旁通选择电路由模拟开关u2、电容c3、电阻r5组成，cpu控制u2的1脚实现高通和旁通的选择，电容c3和电阻r5组成一阶高通电路。通过高通电路，可以滤除低频振动成分。低通滤波电路由开关电容式5阶巴特沃兹低通滤波器u3实现，用于滤除高频分量，防止后ad采样混叠，低通滤波频率由8脚的时钟频率控制，8脚的时钟由cpu给出。低通滤波电路后接放大电路u1b和r6、r7，用于调节输出的信号范围至ad有效范围以内。r2、r4组成一阶抗混滤波器，放大电路后接ad采集电路，实现ad 数据采集。
36.对于三轴mems加速度传感器而言，所述的阻抗匹配电路、高通/旁通选择电路、低
通滤波电路、放大电路、ad采集电路均需要三路。ad采集模块使用 spi接口和数字板连接，在使用多个ad采集电路并行采集的情况下，使用菊花链的spi方式与cpu模块相连。采用多个ad采集模块同步采集，可以保证多通道数据采集的同步性。
37.如图4所示，数字板还包括cpu、存储电路、usb电路、电源电路、充电电路。
38.cpu是小型化、远距离无线加速度传感器的核心控制单元(例如stm32系列)，采用低功耗处理器。cpu控制ad采集模块实现数据采集，控制存储模块实现数据存储与读取，控制无线通讯模块实现数据的无线收发，通过usb模块实现存储数据的下载，控制供电模块实现低功耗的操作。处理器运行无线协议栈，控制无线通信模块与远程的无线网关通信，接收无线网关的指令并将采集的数据发送至无线网关，在数据采集过程中，根据实际需要，可以实现周期信号采集，即每休眠一段时间后采集t秒的数据，可以进一步降低系统功耗。
39.所述的存储电路使用两片spi接口的nand falsh存储器，每片1gb，共 2gb，体积小、容易集成，存储模块实现数据存储功能。更具体的是，所述cpu 和存储电路之间通过spi接口连接。处理器内部的嵌入式软件通过spi方式读写存储芯片的页实现存储数据的管理。
40.所述的usb电路使用5芯micro usb接口，使用cpu的内部的usb单元，并使用usb接口保护芯片。usb模块实现数据下载、充电、复位功能。需要说明的是，一般的micro usb仅使用1、2、3、5芯，信号分别为vdd、d-、d+、 gnd，使用micro usb接口的第4芯作为复位信号，并使用专用的复位线实现复位功能，这样，小型化、远距离无线加速度传感器无需外部开关，可以远程唤醒、休眠、控制采集。
41.所述的电源电路实现无线传感器供电和低功耗管理功能。cpu中的处理器的io管脚控制电源电路的使能，可以切断模拟板电源，当用户控制系统休眠时或用户没有操作10分钟后系统自动休眠，以节省功耗；
42.所述的充电电路实现电池充电功能，当用户接入usb电源时，充电芯片即可自动为电池充电，当电池充满电后，充电芯片会自动停止充电。
43.所述的无线模块采用433mhz或915mhz或2.4ghz的ism频段，可以支持高速的数据收发，同时可以保证传输距离。
44.需要说明的是，对于本发明小型化、远距离无线加速度传感器而言，所述的模拟板为采集mems加速度信号的模拟板，对于需要采集陀螺仪、倾角等应用而言，只需要将mems加速度传感器更换为mems陀螺仪芯片、mems倾角芯片，即可实现不同信号的无线采集。因此，对于本实用新型专利的变种，应该也在保护范围以内。
45.值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的上壳体和下壳体等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
46.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。