一种基于WiFi技术的拟静力实验装置数据采集系统的制作方法

本实用新型属于实验数据采集技术领域，特别涉及一种基于WiFi技术的拟静力实验装置数据采集系统。

背景技术：

地震是至今为止对人类生活环境造成最大危害的自然灾害之一，地震发生时会使大量的建筑物损坏甚至倒塌，给人民的生命和财产造成了严重的损失。建筑结构在遭遇强烈地震时，反复作用的惯性力使结构进入非弹性状态，产生不可恢复的损坏，因此提高建筑结构的抗震能力是减小地震损害的主要途径。

结构抗震实验的目地就是通过实验掌握建筑结构抗震性能，进而提高建筑结构抗震能力。在结构抗震实验中拟静力试验又称低周反复荷载试验，是指对结构或结构构件施加多次往复循环作用的静力试验，是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。拟静力试验采用的是一定的荷载控制或位移控制对试件进行低周反复循环的加载，使试件从开始受力到破坏的一种试验方法，由此获得结构或结构构件弹性和非弹性的荷载-变形特性。拟静力试验即低周反复荷载实验中，加载速率较低，但可以对足尺寸或接近足尺寸的结构施加较大的反复荷载，研究结构件在反复荷载作用下承载能力和变形能力。拟静力试验属于动载实验，反复荷载的次数一般不超过一百次，加载的周期每次2秒到每次300秒不等。拟静力试验对象主要包括钢筋混凝土的梁、柱、梁柱站点等基本试件，也包括单层或多层框架以及剪力墙试件，也包括砌体试件，还包括钢结构的不同连接方式的站点试件。在拟静力试验中，一种加载装置是一台或多台往复电液伺服作动器，用于作用在试件上产生往复连续变化的荷载；另一种加载装置是一台或多台液压千斤顶，通过滚轴作用在试件上产生固定的荷载，用于模拟试件实际受力情况。通常拟静力试验在试件各个测试位置布置传感器用于检测静态和动态参量。检测的参量包括往复作动器荷载、液压千斤顶固定的荷载、荷载作用下产生形变位移、荷载作用下产生应变。

拟静力试验一般被归入动载实验，因此计算机数据采集的数率比结构静力实验要高，采集的数据量要大。目前拟静力试验装置一般采用集中式数据采集和控制系统，由一台计算机完成数据采集、数据处理和伺服作动器控制，其中数据采集部分包括传感器、信号放大器、计算机采集卡及计算机等部分。通常试件测试点根据需要布置十几个到上百个应变传感器，布置几个到几十位移传感器，布置一个到几个往复荷载传感器，布置一个到几个固定的荷载传感器。应变传感器、位移传感器、荷载传感器接入到放大器变换成标准的电压信号，再接入到计算机内部安装的数据采集卡。计算机将应变、位移、荷载信号转换成数字量，并得到位移-荷载特性，采集的数据以文件的形式保存下来，用于以后的分析和应用。

现有集中式数据采集系统的主要缺点：

1、价格高、体积重量大，尤其是传感器信号放大器价格贵，体积和重量都比较大。

2、在拟静力试验装置试件上放置的各种传感器一般情况多达几十个甚至上百个，布线和接线都需耗费很多人力物力，并且测试点的变动更改也是非常繁琐。

3、信号有线传输会带来共模和差模干扰，影响到信号的传输质量和信号的采集精度。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中存在的对于拟静力实验数据采集点多且分散的特点，提供一种基于WiFi技术的拟静力实验装置数据采集系统，可实现实验对象各测试点的应变、位移、荷载等参数的采集、WiFi无线传输、存储和处理。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于WiFi技术的拟静力实验装置数据采集系统，包括多个数据采集站点、无线接入点、计算机；系统采用WiFi无线局域网结构；每个数据采集站点通过WiFi与无线接入点信号连接；无线接入点通过USB接入计算机，将接收的数据通过USB传输到计算机进行存储和处理；所述数据采集站点包括多个应变采集站点、多个位移采集站点、多个荷载采集站点，系统组成如图1。

作为优选，所述数据采集站点和无线接入点均采用低功耗设计，数据采集站点由电池供电，无线接入点由计算机通过USB接口提供的电源供电。

作为优选，WiFi无线局域网结构是由多个数据采集站点和一个无线接入点组成。

作为优选，所述应变采集站点由四个应变传感器、四路应变变换单元、LCD显示单元、按键单元、WiFi及数据采集控制单元、射频滤波及天线匹配单元、电源单元、电池组构成；

所述应变传感器的信号输出端分别与对应的应变变换单元的信号输入端连接；所述按键单元、应变变换单元的信号输出端均与WiFi及数据采集控制单元的信号输入端连接；所述LCD显示单元、射频滤波及天线匹配单元均与WiFi及数据采集控制单元信号连接；应变量数据采集站点组成如图2；

应变传感器将测试点的应变转化为电阻应变片电阻的变化，应变变换单元采用仪表放大器，将应变片全桥电路输出的差动信号变换成标准的电压信号，再由AD转换器变换成数字量；经过处理应变瞬时值可在LCD显示单元上显示，并可以通过WiFi传输到无线接入点；应变采集站点设有按键单元，通过按键设置传感器的量程参数。

作为优选，所述位移采集站点由四个位移传感器、四路位移变换单元、LCD显示单元、按键单元、WiFi及数据采集控制单元、射频滤波及天线匹配单元、电源单元、电池组构成；

所述位移传感器的信号输出端分别与对应的位移变换单元的信号输入端连接；所述按键单元、位移变换单元的信号输出端均与WiFi及数据采集控制单元的信号输入端连接；所述LCD显示单元、射频滤波及天线匹配单元均与WiFi及数据采集控制单元信号连接；位移数据采集站点组成如图3；

位移变换单元将位移传感器输出电阻变换成标准的电压信号，再由AD转换器变换成数字量；经过处理位移瞬时值可在LCD显示单元上显示，并可以通过WiFi传输到无线接入点；位移采集站点设计有按键单元，通过按键可以设置传感器的量程参数。

作为优选，所述荷载采集站点由四个力传感器、四路力变换单元、LCD显示单元、按键单元、WiFi及数据采集控制单元、射频滤波及天线匹配单元、电源单元、电池组构成；

所述荷载传感器的信号输出端分别与对应的荷载变换单元的信号输入端连接；所述按键单元、荷载变换单元的信号输出端均与WiFi及数据采集控制单元的信号输入端连接；所述LCD显示单元、射频滤波及天线匹配单元均与WiFi及数据采集控制单元信号连接；荷载数据采集站点组成如图4；

荷载变换单元采用仪表放大器，将荷载传感器电桥输出的差动信号变换成标准的电压信号，再由AD转换器变换成数字量；经过处理荷载瞬时值可在LCD显示单元上显示，并可以通过WiFi传输到无线接入点；荷载采集站点设计有按键单元，通过按键可以设置传感器的量程等参数。

作为优选，所述无线接入点由WiFi及控制单元、射频滤波及天线匹配单元、数据存储单元、USB-SPI接口单元、状态指示单元、电源单元构成；

所述WiFi及控制单元分别与数据存储单元、USB-SPI接口单元、射频滤波及天线匹配单元信号连接；所述WiFi及控制单元与状态指示单元的信号输入端连接；无线接入点组成如图5；

无线接入点可以通过WiFi接收各个站点采集的应变、位移和荷载数据并暂存到数据存储单元，这些数据再通过USB接口传输到计算机；状态指示单元指示当前的工作状态。

作为优选，所述应变采集站点设有的应变传感器变换单元采用的是单电源微功耗精密仪表放大器INA333作为变换电路；所述位移采集站点设有的位移传感器变换单元采用单电源运放LM358组成的阻抗变换电路；所述荷载采集站点设有的荷载传感器变换单元也采用的是INA333作为变换电路。

作为优选，所述应变采集站点、位移采集站点、荷载采集站点、无线接入点WiFi及数据采集控制单元采用的核心元件均为WiFi专用芯片CC3200。

作为优选，所述无线接入点的USB-SPI接口单元采用USB专用控制器FT4222H，将CC3200的四线制SPI接口转换成USB2.0接口用于与计算机连接。

作为优选，计算机接收无线接入点上传的应变、位移和荷载数据，这些数据在屏幕上显示出来，用于观测采集数据和实验结果，上传的数据以文件的形式保存用于处理。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1.由于采用WiFi无线局域网传输采集的数据，因此不需要现场布置信号线，大大的减少了工作强度和工作量，降低了人工和材料成本。

2.数据采集站点体积小、重量轻，采集点设置和更改简便易行。

3.由于采用WiFi无线局域网传输采集的数据，消除了采用传输线的共模和差模干扰，提高了信号的传输质量。

4.由于数据采集站点采用低功耗设计，因此由电池组供电，不需要AC220V电源。

5.采用WiFi无线局域网相比其他形式的无线局域网如Zigbee、蓝牙具有更高的传输速率，数据采集站点不需要大的缓存即可适用于较高速度的数据采集，并实现实时的数据无线传输。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成框图；

图2为本实用新型的应变量数据采集站点组成框图；

图3为本实用新型的位移数据采集站点组成框图；

图4为本实用新型的荷载数据采集站点组成框图；

图5为本实用新型的无线接入点组成框图；

图6为本实用新型的应变量数据采集站点电路图；

图7为本实用新型的位移数据采集站点电路图；

图8为本实用新型的荷载数据采集站点电路图；

图9为本实用新型的无线接入点电路图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作详细说明。

本实施例中，应变采集站点的应变传感器选用电阻式应变片，为了提高其稳定性、输出灵敏度和减小功耗，常选用高电阻应变片，如型号BF1K-3AA，电阻值(R)：1002±0.1Ω；灵敏系数：2.0±1％。应变片全桥电路输出的差动信号经过采集站点内部应变变换电路变换成标准的电压信号，这里采用的是单电源微功耗精密仪表放大器INA333作为变换电路，并加装了零点迁移电路。作为WiFi及数据采集控制单元核心元件采用的是CC3200。CC3200是业界第一款集数据处理、数据存储、嵌入式WIFI通信功能于一身的单片MCU。CC3200内部集成了两大内核，分别为用于用户开发的高性能ARM Cortex-M4处理器和用于WiFi通信的网络处理器CC3100。ARMCortex-M4处理器包含于CC3200内部的应用开发子系统中，其运行频率为80MHz，该子系统提供了多种多样的外设以供用户开发，比如I2S、SD/MMC、UART、SPI、I2C以及四通道的内置12位ADC等等，此外，该子系统还内嵌了容量大小为256KB的RAM和容量大小为64KB的ROM，RAM用于存放数据、代码，ROM用于存放外设驱动和外部串行F1ash中的引导加载程序。CC3100属于CC3200内部的WiFi网络处理子系统，也称作片上WiFi互联网。CC3200的电源管理子系统具有输入电压范围为2.1V～3.6V的宽范围电压，该子系统可启用低功耗模式，比如具有RTC的休眠模式，所需电流大约4μA。射频滤波及天线匹配单元采用DEA202450BT集成带通滤波器，中心频率：2.45GHz；带宽：72MHz。显示单元采用3.3V1602LCD显示电路，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。按键单元用于功能键和参数设置。由于数据采集站点采用的是低功耗设计，因此采用电池组供电。电池组采用IFR26650型3.2V磷酸铁锂电池，容量为3200mAH，两节串联放置在电池盒中，电池盒上有LED电池电量指示。数据采集站点内部电源电路采用低压差线性变换电路LM1117-3.3V，将电池组电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。应变采集站点电路图见图6。

本实施例中，位移采集站点位移检测采用导电朔料电位器自恢复位拉绳位移传感器，型号WPS-S，量程程可根据测量需要选择5mm～1000mm，线性精度误差：≤±0.05％～0.08％FS(精密型)；重复精度：0.01％FS～0.005％FS；电位器电阻值有5K、10K。位移传感器电位器输出经过分压转换为电压信号，经过由单电源运放LM358组成的阻抗变换电路加入到CC3200内部12位AD转换器。位移采集站点内部其它单元电路与应变采集站点相同。位移采集站点电路图见图7。

本实施例中，荷载采集站点荷载检测采用应变式力(拉力或压力)传感器，可以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、100T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。力变换单元将力传感器电桥输出差动信号变换成标准的电压信号，这里采用的是单电源微功耗精密仪表放大器INA333作为变换电路，并加装了零点迁移电路。荷载采集站点内部其它电路单元与应变采集站点相同，荷载采集站点电路图如图8。

本实施例中，无线接入点WiFi及控制单元核心元件采用的是CC3200。外部数据存储电路在这里主要用作数据缓存，采用的是1M×8位低功耗SRAM存储芯片SST25VF010。USB-SPI接口单元采用是USB专用控制器FT4222H，其作用是将CC3200的四线制SPI接口转换成USB2.0接口用于与计算机连接，支持全速操作，传输速率高达53.8MbPs。由于无线接入点采用的是低功耗设计，因此供电直接由USB接口提供，简化了电源的设计。USB供电电压为+5V，内部电源电路采用低压差线性变换电路LM1117-3.3V，将+5V电压变换成+3.3V电压供数字电路使用。状态指示电路指示当前的工作状态。射频滤波及天线匹配单元与其他站点相同，无线接入点电路图见图9。

本实施例中，计算机接收无线接入点上传的应变、位移和荷载数据，这些数据在屏幕上显示出来，用于观测采集数据和实验结果，上传的数据以文件的形式保存用于处理。

本实施例中，WiFi作为一种无线局域网用于数据采集传输时自身的技术及基于本系统主要表现以下几个方面优势：1、采用低功耗设计，数据采集站点采用电池供电，不需要AC220伏电源；2、WiFi作为一种无线局域网相比其他形式的无线局域网如Zigbee、蓝牙具有更高的传输速率，最高可以达到54Mbps，适合于较高速度的数据采集和数据无线传输；3、WiFi最主要的优势还在于采用数据无线传输方式，不需要布置信号线，可以不受布线条件的限制，因此各站点和测试点的布置和变动更改更加方便；不需要现场布置信号线大大的减少了工作强度、工作量和实验成本；4、由于采用数据无线传输方式，消除了传输线的共模和差模干扰，提高了信号的传输质量。

以上通过实施例对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的示例性实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。本实用新型的保护范围由权利要求书限定。凡利用本实用新型所述的技术方案，或本领域的技术人员在本实用新型技术方案的启发下，在本实用新型的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖保护范围之内。应当注意，为了清楚的进行表述，本实用新型的说明中省略了部分与本实用新型的保护范围无直接明显的关联但本领域技术人员已知的部件和处理的表述。