专利名称：自校准三轴振动监测及环境监测采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及振动监测及环境监测的采集装置，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装置。
二、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。
三、实用新型内容本实用新型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装置，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。本实用新型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装置，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、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。本实用新型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&为
N
■y ai ~a0_tr T1-T0
ιΟχ ——
τ N其中， 为第i个加速度数值，Ti为第i个温度数值，N为采集的加速度个数，
100
aO =Zai/100
100T0 =^T1ZlOO
1=1然后，根据得到的&校准加速度输出值实现温度的自动补偿。本实用新型的有益效果是1、系统带有多功能采集装置，包括三轴振动，温度，湿度，光照度，可同时应用于不同场合，包括重大基础设施的结构健康监测，环境监测等领域。2、信号调理器提供放大器，抗混叠滤波器，模数转换器等一系列信号处理功能，满足系统微小型，集成化功能。[0021]3、系统在系统编程实现多种采样率和截止频率，因此可以根据所监测对象的不同振动频率设置对应参数，满足不同场合的需求，扩展性高。4、系统可实现自校准功能，有效抑制振动信号的数据偏移，无需后台数据处理。5、系统应用场合极其广泛，可适应不同的有线，无线通信平台；另外系统还提供可扩展模拟输入接口，为以后的扩展应用提供方便。
图1是本实用新型的系统工作流程图；图2是本实用新型系统体系结构图图3是系统温度补偿流程图；图4是系统信号调理器体系结构五具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本实用新型做详细阐述，但本系统应用范围不限于此例。结合图1和图2，系统采集振动信号，温度信号，湿度信号，光照度信号；其中振动信号会通过信号调理器进行放大，抗混叠滤波，模数转换，最后通过数字接口(本例使用 SPI接口)输出，在输出之前，振动信号还会根据输出的温度信号来进行相应的温度补偿； 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(本例使用IIC接口)输出。系统的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，范围为-2g到+2g，测量精度可以达到0. 66V/g。系统不仅可以测量高频振动，对于像桥梁等结构物的低频振动，系统也可以很好的满足。信号调理器进行放大，抗混叠滤波，模数转换电路均是常规电路。结合图3，系统除了配置了三轴加速度传感器用来获取振动信号外，还配置了温度传感器。一方面，温度传感器可以用来获取监测区域的环境温度；另一方面，可以用来校准加速度传感器的输出值。因为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。在某些环境下，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，为了获得准确的测量值，必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。为了利用温度传感器校准加速度输出值，首先需要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&。假设一次过程采集N个数据，首先设定一个基准值，其中包括加速度和温度Ttl，a0可以取这次采集过程中前100个加速度数据的平均值，T0取这次采集过程中前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
N
■y ai ~a0_tT T1-T0
ιΟχ ——
τ N其中，a,为第i个加速度数值，Ti为第i个温度数值，N为采集的加速度个数，
5[0034]
权利要求1.自校准三轴振动监测及环境监测采集装置，其特征是由振动监测模块，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装置，其特征是加速度模块提供三个方向的加速度传感器。
专利摘要自校准三轴振动监测及环境监测采集装置，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。本实用新型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G01H17/00GK202002724SQ20102066088
公开日2011年10月5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