专利名称：一种自组无线局域网的大量程位移计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种位移计，具体为一种自组无线局域网的大量程位移计。
背景技术：
位移计主要应用与土木类工程的监测，例如高速公路边坡以及自然灾害边坡等其他岩土工程监测，传统的位移计传感器一般于大应变有较大的非线性，传感器前端是实测电压值，人工的话还得依据标定曲线才能得出被测物理量，速度慢且容易疲乏更容易出错，传感器前端都是模拟信号非数字信号，不能远程传输，传感器只有人工编号，不能智能的与产品共存，不便于数据的整理及分类，容易混淆，产品组网不方便，施工现场或者野外不论是组总线式或者星型都需要通信电缆，现场会更加混乱。
发明内容本实用新型所解决的技术问题在于提供一种自组无线局域网的大量程位移计，其结构简单，使用方便，从而解决上述背景技术中的问题。本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现一种自组无线局域网的大量程位移计，包括用于采集位移信号的信号采集单元、用于输送该位移信号的无线传输单元以及用于处理所述位移信号的监控主机，所述信号采集单元的输出端连接所述无线传输单元的输入端，所述无线传输单元的输出端和控制端均连接所述监控主机；其特征在于所述无线传输单元包括Zigbee模块，该Zigbee模块采用CC2420微处理器。作为一种改进，所述信号采集单元包括前端的红外线光栅传感器和连接于所述红外线光栅传感器输出端的信号转换模块，所述信号转换模块连接所述CCM20微处理器。本实用新型中，红外线光栅传感器是光栅挡通转换成脉冲的频率式传感器。红外线光栅传感器由发收红外线元件、光栅机械部分、采集电路和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。它将带光栅的轮盘安装在带有发条的轮轴上，钢丝绳索整齐的绕在轮轴上，而将红外发射和接收的配对二极管固定在光栅转动的地方，随着绳索拉动光栅阻挡红外线从两二极管透过从而在接收端的二极管端将可以得到脉冲信号，且在转盘上有识别方向，从而识别是累加脉冲还是减掉脉冲。当绳索拉伸时，脉冲信号为正，累加。当绳索在发条的弹力下回收，脉冲数为负，从而形成脉冲数量与绳索拉伸长度成一定关系(不是线性关系)。红外线光栅传感器采集到脉冲可以根据标定表采用分段线性插值发计算出伸缩量，同时处理芯片把温度误差以及绕线误差都尽可能的消除。由于采用了以上结构，本实用新型具有以下有益效果本实用新型采用Zigbee模块，将成熟的Zigbee技术应用于自组无线局域网的大量程位移计中，安装方便，组网简单，稳定可靠且能实现远程传输。
[0010]图1为本实用新型组成结构示意图；图2为红外线光栅传感器的结构示意图；图3为信号采集单元电路中半桥结构示意图；图4为信号采集单元中应变片的粘贴方式示意图；图5为信号采集单元电路中电压变化与应变片形变量在一定的范围内是线性变化示意图；图6为信号采集单元的电路原理图；图7为CCM20微处理器内部芯片结构示意图；图8为CCM20微处理器原理示意图；图9为CCM20微处理器收发数据状态示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。参见图1，一种自组无线局域网的大量程位移计，包括用于采集位移信号的信号采集单元1、用于输送该位移信号的无线传输单元2以及用于处理所述位移信号的监控主机3，所述信号采集单元1的输出端连接所述无线传输单元2的输入端，所述无线传输单元2的输出端和控制端均连接所述监控主机3 ；其特征在于所述无线传输单元2包括Zigbee模块，该Zigbee模块采用CCM20微处理器；所述信号采集单元1包括前端的红外线光栅传感器11和连接于所述红外线光栅传感器11输出端的信号转换模块12，所述信号转换模块12串口连接所述CCM20微处理器。 参见图2，红外线光栅传感器11，该光栅传感器将带光栅4的轮盘5安装在带有发条的轮轴6上，绳索7整齐的绕在轮轴6上，而将红外发射二极管8和配对的红外接收二极管9固定在光栅4转动的地方，随着绳索7拉动光栅4阻挡红外线从两二极管透过从而在接收端的二极管端将可以得到脉冲信号，且在转盘5上有识别方向，从而识别是累加脉冲还是减掉脉冲。当绳索7拉伸时，脉冲信号为正，累加。当绳索7在发条的弹力下回收，脉冲数为负，从而形成脉冲数量与绳索拉伸长度成一定关系(不是线性关系)。信号转换模块12采集到脉冲可以根据标定表采用分段线性插值发计算出伸缩量，同时处理芯片把温度误差以及绕线误差都尽可能的消除，并予以传输。计算方法为光栅之间间隙假如为χ毫米，线轴的半径为r，转盘的半径为R，在理想情况可以估算可精确绳索拉升值为xr/R。而实际情况为，绳索无论材料如何，因为长度长，且有一定受力，所以受温度影响大，且绕线的线轴随着绳索的累加而导致r在变化，因此本实施例中，所述信号采集单元设置了电阻应变片，将电阻应变片用特殊胶水粘贴在传感器的钢铁表面，将电阻应变片牢固地粘贴在钢铁某一测点处，随着钢铁发生变形，应变片电阻值也产生相应变化。测量该电阻值的改变量，可得测点处沿应变片方向的线应变值。由于测点的应变量一般较小(以10-6量级计)，引起应变片相应电阻的变化量也很小，通常采用桥式电路来测量，即将应变片或应变片与标准电阻接成桥式电路，它将应变片的电阻信号转化为电压信号。如图3所示，信号采集单元电路中半桥结构，其中R1、R2为应变片，而R3、R4为标准电阻。 当电桥的四个桥臂的电阻值满足这一关系时，电桥平衡，即B、D间没有电压。当其中某一电阻发生变化时，电桥失去平衡，从而B、D间有电压UBD。根据UBD的大小可以计算相应的电阻变化量以及相应的线应变大小。电压的变化UBD大小与钢材的形变量有一定的线性关系。信号采集单元中应变片的粘贴方式参见图4，主要是考虑补偿片和应变片，当应变片因受力关系而发生形变导致Rl和R2变化，R3和R4变化很小，导致出现UBD发生变化，而电压的变化与应变片的形变量在一定的范围内是线性变化的，其线性变化示意图参见图5。如图6所示，应变片采集的电压接入到电路中，双极性信号加到单电源模数转换器AD623上，而输入单源电压，AD623可以去除共模电压并且对输入有用信号放大100倍。信号再通过ADO的模数转换，通过IIC通信协议与单片机通信将应变电压输入单片机，温度计也通过单片机的一个I/O输入。当单片机采集到应变电压，单片机可以存储芯片上读取标定表，从而计算出形变量。在应变片上的的IN-输入端有接入一个电子电位器，调整其电阻，从而达到调整电桥平衡的效果，保证初始读取电压为零，调零作用。温度计芯片主要提供温度，对监测点上多一个分析的数据。通过监控主机与信号采集单元通信，把标定表给存储在模块的存储芯片呢，每次读取到电压UBD模块的MCU再根据标定计算出钢铁的微应变。从而可以测量出钢材所受的力，或者是所受的压强或者直接测微应变。CC2420微处理器内部芯片结构如图7所示，天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩、最终恢复出传输的正确数据。射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入1 字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802. 15. 4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2. 4GHz，并经放大后送到天线发射出去。CCM20只需要极少的外围元器件，其典型应用电路如图所示。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16 MHz晶振时其电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。CCM20微处理器可以通过4线SPI总线(SI、S0、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式栏并实现读/写缓存数据栏读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。注意在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。CCM20片内有33个16比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读/写周期中，SI总线上共有M比特数据，分别为1比特RAM /寄存器选择位(0 寄存器，1 RAM)，1比特读/写控制位(0 写，1:读)，6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计栏通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。图8表示出了 CCM20微处理器原理，，图9表示出了 CCM20微处理器收发数据状态，如两图所示，IEEE802. 15. 4规范中规定使用DSSS调制方式，CCM20微处理器先将要传输的数据流进行变换，每个字节被分组为两个符号，每个符号包括4个比特LSB优先传输。每个被分组的符号用32码片的伪随机序列表示，共有16个不同的32码片伪随机序列。经过DSSS扩频变换后，码片速率达到2Mchip/s，此码片序列再经过O-QPSK调制，每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流通过I/Q通道交替传输，两通道延时为半个码片周期。CCM20微处理器为IEEE802. 15. 4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为，同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的1 字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.一种自组无线局域网的大量程位移计，包括用于采集位移信号的信号采集单元、用于输送该位移信号的无线传输单元以及用于处理所述位移信号的监控主机，所述信号采集单元的输出端连接所述无线传输单元的输入端，所述无线传输单元的输出端和控制端均连接所述监控主机；其特征在于所述无线传输单元包括Zigbee模块，该Zigbee模块采用 CC2420微处理器。
2.根据权利要求1所述的一种自组无线局域网的大量程位移计，其特征在于所述信号采集单元包括前端的红外线光栅传感器和连接于所述红外线光栅传感器输出端的信号转换模块，所述信号转换模块连接所述CCM20微处理器。
专利摘要一种自组无线局域网的大量程位移计，包括用于采集位移信号的信号采集单元、用于输送该位移信号的无线传输单元以及用于处理所述位移信号的监控主机，所述信号采集单元的输出端连接所述无线传输单元的输入端，所述无线传输单元的输出端和控制端均连接所述监控主机；所述无线传输单元包括Zigbee模块，该Zigbee模块采用CC2420微处理器。本实用新型采用Zigbee模块，将成熟的Zigbee技术应用于自组无线局域网的大量程位移计中，安装方便，组网简单，稳定可靠且能实现远程传输。
文档编号G01B11/02GK202329562SQ20112051464
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者张伟, 彭炎华, 彭盛华, 李恩民 申请人:广州市吉华岩土检测有限公司