本發(fā)明涉及一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)行業(yè)。

背景技術(shù)：

振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào)，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。振弦傳感器已經(jīng)廣泛用于工程、科研的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。振弦采集儀是用于采集振弦傳感器的儀器設(shè)備，主要由激振電路、信號(hào)采集電路、溫度采集電路、數(shù)據(jù)處理等部分組成。通常采集儀通過(guò)掃頻的激勵(lì)方法激勵(lì)振弦傳感器，激振后，采集電路采集感應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算得出信號(hào)的頻率。

振弦采集儀采集振弦傳感器時(shí)，需要先發(fā)送高壓激勵(lì)信號(hào)至振弦傳感器線圈，當(dāng)鋼弦起振后，采集電路拾取線圈感應(yīng)信號(hào)，計(jì)算傳感器頻率和信號(hào)幅值，從而完成一次振弦傳感器采集。振弦傳感器正常時(shí)，振弦采集儀發(fā)送的高壓信號(hào)經(jīng)過(guò)線圈，然后回到振弦采集儀，形成一個(gè)完整激勵(lì)回路。但是當(dāng)振弦傳感器異常時(shí)，此時(shí)振弦采集儀向振弦傳感器發(fā)送高壓激勵(lì)信號(hào)，可能會(huì)損壞振弦傳感器和振弦采集儀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述的問(wèn)題，本發(fā)明專利提供了一種帶有診斷振弦傳感器功能的振弦采集儀，采集振弦傳感器時(shí)，可以在發(fā)送激勵(lì)信號(hào)前，先診斷振弦傳感器狀態(tài)，然后在進(jìn)行采集，避免發(fā)送的高壓信號(hào)對(duì)振弦傳感器和振弦采集儀產(chǎn)生損壞。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，它包括振弦傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集電路、STM32單片機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路、RTC時(shí)鐘電路、激勵(lì)電路、RS485通信模塊和振弦傳感器診斷電路；

信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)采集電路連接，信號(hào)采集電路與STM32單片機(jī)系統(tǒng)的IO口連接，STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)引腳控制激勵(lì)電路，并連接存儲(chǔ)電路，并通過(guò)I2C總線連接RTC時(shí)鐘電路；

RS485通信模塊與STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口控制器連接。

振弦傳感器診斷電路由光耦繼電器、信號(hào)繼電器、DC5V電源和電阻Ⅰ組成；

所述光耦繼電器控制診斷振弦傳感器時(shí)將DC5V電源連接到信號(hào)調(diào)理電路。

采集振弦傳感器時(shí)，STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)繼電器接入振弦傳感器，同時(shí)STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制光耦繼電器導(dǎo)通，導(dǎo)通后，DC5V電源可以經(jīng)過(guò)電阻Ⅰ連接到振弦傳感器，如果振弦傳感器異常，則DC5V電源經(jīng)過(guò)電阻Ⅱ和電阻Ⅲ形成回路，如果正常，DC5V電源則經(jīng)過(guò)電阻Ⅰ和振弦傳感器形成回路；

STM32單片機(jī)系統(tǒng)讀取電阻Ⅱ和電阻Ⅲ之間的電壓值，根據(jù)電壓值的不同，則可以判斷振弦傳感器的狀態(tài)。

采集的振弦傳感器的線圈電阻在180Ω~200Ω之間。

激勵(lì)電路由高壓模塊組成，高壓模塊由STM32單片機(jī)控制，可以輸出30V高壓，STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)IO引腳控制高壓模塊發(fā)送，當(dāng)要采集時(shí)，單片機(jī)控制高壓輸出，激勵(lì)振弦傳感器。STM32單片機(jī)系統(tǒng)可以選擇兩種不同的激勵(lì)方式，分別為共振激勵(lì)與多脈沖激勵(lì)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)幅值信號(hào)比較弱的傳感器，可以選擇采用共振激勵(lì)的方式激勵(lì)，使傳感器產(chǎn)生共振，可以使傳感器線圈感應(yīng)較大的信號(hào)，便于采集。

信號(hào)調(diào)理電路由濾波電路和放大電路組成。傳感器采集時(shí)，振弦傳感器信號(hào)非常微弱，經(jīng)過(guò)濾波電路和放大電路后，首先將現(xiàn)場(chǎng)部分干擾信號(hào)濾除，然后將振弦傳感器感應(yīng)信號(hào)放大，使采集的信號(hào)滿足信號(hào)采集電路的輸入要求。信號(hào)采集電路采用16位獨(dú)立ADC，將傳感器輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

STM32單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)處理，單片機(jī)內(nèi)置TTF算法，將信號(hào)采集電路輸入的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域。FFT計(jì)算完成后，得出振弦傳感器的頻率值與信號(hào)幅值。同時(shí)，STM32單片機(jī)控制外圍電路，采集振弦傳感器溫度，采集完成后，一次數(shù)據(jù)采集完成。

RS485通信模塊與STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口控制器連接，振弦采集儀采集完成之后，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊，通過(guò)485總線上面的無(wú)線數(shù)傳設(shè)備DTU，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)存儲(chǔ)展示。

存儲(chǔ)電路采用32M存儲(chǔ)芯片組成，STM32單片機(jī)內(nèi)置小型文件系統(tǒng)，用于管理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)系統(tǒng)與存儲(chǔ)電路通過(guò)IO口引腳連接。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，STM32單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)采集RTC時(shí)鐘的時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊時(shí)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)電路中，保證數(shù)據(jù)的可靠性。存儲(chǔ)電路采用循環(huán)存儲(chǔ)方式，可以保存大量采集數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)原理：一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，主要由STM32單片機(jī)系統(tǒng)、激勵(lì)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集電路、存儲(chǔ)電路、電源電路、通信電路、RTC時(shí)鐘電路以及振弦傳感器診斷電路組成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)是使用STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)體積小，功耗低，工作在低功耗的情況下，工作電流只有50uA左右，單片機(jī)內(nèi)置資源多，方便單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)各部分邏輯電路的控制。激勵(lì)電路采用30V高壓模塊，通過(guò)晶體管控制通斷，使其可以在采集振弦傳感器前對(duì)傳感器線圈激勵(lì)。信號(hào)調(diào)理電路包括濾波電路與放大電路，濾波電路可以使300Hz到5000Hz的信號(hào)正常通過(guò)。放大電路的作用是將微弱的振弦傳感器信號(hào)放大到信號(hào)采集電路可以識(shí)別的信號(hào)。存儲(chǔ)電路可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，避免數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。通信電路由RS485組成，通過(guò)RS485芯片，可以將多通道振弦采集儀連接到現(xiàn)場(chǎng)485總線。RTC時(shí)鐘電路與STM32單片機(jī)系統(tǒng)連接，為振弦傳感器采集提供采集時(shí)間，電源管理電路由外部DC12V電源提供系統(tǒng)工作電源，并經(jīng)過(guò)電源管理模塊處理后，為系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供電源管理。振弦傳感器診斷電路由DC5V電源、光耦繼電器、信號(hào)繼電器和若干阻容器件組成。當(dāng)采集振弦傳感器時(shí)，STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制振弦傳感器診斷電路對(duì)振弦傳感器進(jìn)行診斷，如果判斷振弦傳感器正常，則進(jìn)行發(fā)送激勵(lì)信號(hào)操作，否則將停止采集。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明解決了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)行業(yè)振弦采集儀采集時(shí)，振弦傳感器出現(xiàn)異常，可自動(dòng)診斷振弦傳感器狀態(tài)，根據(jù)振弦傳感器診斷的結(jié)果進(jìn)行操作，避免了振弦采集儀發(fā)送激勵(lì)信號(hào)對(duì)振弦采集儀和振弦傳感器的損壞，提高了振弦采集儀的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明內(nèi)部電氣連接示意圖；

圖2振弦傳感器診斷電路示意圖。

具體實(shí)施方式

一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，包括振弦傳感器1，信號(hào)調(diào)理電路2，信號(hào)采集電路3，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4，存儲(chǔ)電路6，RTC時(shí)鐘電路7、激勵(lì)電路9，RS485通信模塊8和振弦傳感器診斷電路5組成。

激勵(lì)電路9由高壓模塊組成，高壓模塊由STM32單片機(jī)控制，可以輸出30V高壓，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4通過(guò)IO引腳控制高壓模塊發(fā)送，當(dāng)要采集時(shí)，單片機(jī)控制高壓輸出，激勵(lì)振弦傳感器1。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4可以選擇兩種不同的激勵(lì)方式，分別為共振激勵(lì)與多脈沖激勵(lì)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)幅值信號(hào)比較弱的傳感器，可以選擇采用共振激勵(lì)的方式激勵(lì)，使傳感器產(chǎn)生共振，可以使傳感器線圈感應(yīng)較大的信號(hào)，便于采集。

信號(hào)調(diào)理電路2由濾波電路和放大電路組成，傳感器采集時(shí)，振弦傳感器1信號(hào)非常微弱，經(jīng)過(guò)濾波電路和放大電路后，首先將現(xiàn)場(chǎng)部分干擾信號(hào)濾除，然后將振弦傳感器1感應(yīng)信號(hào)放大，使采集的信號(hào)滿足信號(hào)采集電路3的輸入要求。信號(hào)采集電路3采用16位獨(dú)立ADC，將傳感器輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

STM32單片機(jī)系統(tǒng)4對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)處理，單片機(jī)內(nèi)置TTF算法，將信號(hào)采集電路3輸入的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域。FFT計(jì)算完成后，得出振弦傳感器1的頻率值與信號(hào)幅值。同時(shí)，STM32單片機(jī)4控制外圍電路，采集振弦傳感器溫度，采集完成后，一次數(shù)據(jù)采集完成。

RS485通信模塊8與STM32單片機(jī)系統(tǒng)4通過(guò)串口控制器連接，振弦采集儀采集完成之后，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊8，通過(guò)485總線上面的無(wú)線數(shù)傳設(shè)備DTU，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)存儲(chǔ)展示。

存儲(chǔ)電路6采用32M存儲(chǔ)芯片組成，STM32單片機(jī)內(nèi)置小型文件系統(tǒng)，用于管理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4與存儲(chǔ)電路6通過(guò)IO口引腳連接。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，STM32單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)采集RTC時(shí)鐘7的時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊8時(shí)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)電路6中，保證數(shù)據(jù)的可靠性。存儲(chǔ)電路6采用循環(huán)存儲(chǔ)方式，可以保存大量采集數(shù)據(jù)。

振弦傳感器診斷電路5由光耦繼電器10、信號(hào)繼電器13、DC5V電源11和電阻Ⅰ12組成。采集振弦傳感器1時(shí)，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4控制信號(hào)繼電器13接入振弦傳感器1，同時(shí)STM32單片機(jī)系統(tǒng)4控制光耦繼電器10導(dǎo)通，導(dǎo)通后，DC5V電源11可以經(jīng)過(guò)電阻Ⅰ12連接到振弦傳感器，如果振弦傳感器1異常，則DC5V電源11經(jīng)過(guò)電阻Ⅱ14和電阻Ⅲ15形成回路，如果正常，DC5V電源則經(jīng)過(guò)電阻Ⅰ12和振弦傳感器1形成回路。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4讀取電阻Ⅱ14和電阻Ⅲ15之間的電壓值，根據(jù)電壓值的不同，則可以判斷振弦傳感器1的狀態(tài)。