本發(fā)明涉及無線式大數(shù)據(jù)加速度傳感器設(shè)計(jì)，屬于信息通信控制和電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，大量的土木工程建筑越來越接近設(shè)計(jì)年限，這可能會帶來結(jié)構(gòu)方面的安全問題。公(鐵)路橋梁、地下管道建筑和高層建筑等工程如果發(fā)生一級破壞將帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)的影響，更有甚者會帶來社會政治方面的惡劣影響，還可能帶來人身傷亡的嚴(yán)重后果，因此需要非常重視該問題。解決該問題至少需要考慮兩方面的因素：一是基于結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)評價(jià)結(jié)構(gòu)的性能，這需要大量的數(shù)據(jù)；二是在復(fù)雜環(huán)境條件下如何精確測得需要的動力響應(yīng)方面的數(shù)據(jù)，采用有線方式不僅可能由于電纜的損耗等帶來較大的數(shù)據(jù)誤差，甚至還可能無法測量，采用無線通訊方式可以解決。因此，發(fā)明一套完善的無線式大數(shù)據(jù)MEMS加速度傳感器相當(dāng)重要。本發(fā)明的主要目的是用于檢測重要的土木工程建筑的結(jié)構(gòu)性能及安全評價(jià)。當(dāng)然本設(shè)計(jì)也可以用于機(jī)械、汽車和航空等行業(yè)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為無線式大數(shù)據(jù)加速度MEMS傳感器設(shè)計(jì)，該傳感器是由加速度采集系統(tǒng)、無線通訊、大容量數(shù)據(jù)存儲、控制與處理系統(tǒng)、電源管理和程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)功能模塊構(gòu)成。利用三軸加速度傳感器分別采集結(jié)構(gòu)不同位置的三維輸入和輸出加速度值，然后分別通過無線節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)傳輸?shù)酱笕萘看鎯ζ髦胁⒂蓡纹瑱C(jī)進(jìn)行相應(yīng)得數(shù)據(jù)處理，最后通過程序設(shè)計(jì)得到結(jié)構(gòu)的動力性能，并根據(jù)有關(guān)的技術(shù)規(guī)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)。本項(xiàng)目的發(fā)明內(nèi)容包括：在三維加速度計(jì)中增加加速度輸入裝置用于提取輸入加速度，用于結(jié)構(gòu)動力性能分析；基于無線節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸加速度信號，用于代替有線傳輸方式；基于matlab軟件和結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，用于結(jié)構(gòu)動力性能分析與安全評價(jià)。

附圖說明

圖1系統(tǒng)框圖

圖2系統(tǒng)硬件方案圖

圖3程序設(shè)計(jì)流程圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明為無線式大數(shù)據(jù)加速度MEMS傳感器設(shè)計(jì)，該傳感器是由加速度采集系統(tǒng)、無線通訊、大容量數(shù)據(jù)存儲、控制與處理系統(tǒng)及電源管理等幾個(gè)功能模塊構(gòu)成。其中三軸加速度傳感器用于分別采集輸入加速度和輸出加速度矢量；無線通訊模塊用于傳輸加速度信號；由于結(jié)構(gòu)安全評價(jià)需要大量的數(shù)據(jù)，一般不能實(shí)時(shí)處理，需要借助存儲器儲存數(shù)據(jù)；控制與處理模塊負(fù)責(zé)將接收到的加速度數(shù)據(jù)根據(jù)使用功能進(jìn)行相應(yīng)的處理，為結(jié)構(gòu)安全評價(jià)程序分析提供有效的數(shù)據(jù)；程序設(shè)計(jì)是利用控制模塊得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)的動力性能，然后基于該動力性能分析不同荷載條件下的動力響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行評價(jià)；整個(gè)系統(tǒng)需要電力供給，因此增加一個(gè)電源管理模塊。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

在分析無線式大數(shù)據(jù)加速度傳感器的具體功能和要求后，設(shè)計(jì)的硬件方案如圖2所示。加速度采集模塊實(shí)際上基于ADXL335三軸加速度傳感器；無線通訊采用CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片；大數(shù)據(jù)存儲采用SD存儲卡；控制與處理模塊采用FPGA芯片；電源為鋰電池組。

結(jié)構(gòu)分析包括三個(gè)部分：結(jié)構(gòu)輸入、結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)輸出。任取三個(gè)中的兩個(gè)可以求得剩余的一個(gè)，因此，程序設(shè)計(jì)首先利用不同位置處的輸入和輸出加速度求得結(jié)構(gòu)的動力性能；然后根據(jù)不同的規(guī)范要求，采用相應(yīng)得荷載輸入方式得到結(jié)構(gòu)的輸出，利用該輸出用于評價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性。

具體設(shè)計(jì)

●加速度采集系統(tǒng)

加速度采集系統(tǒng)包括輸入加速度計(jì)和輸出輸出加速度計(jì)。輸出加速度計(jì)采用ADXL335傳感器。輸入加速度計(jì)在該傳感器基礎(chǔ)上增加彈簧、阻尼和電源等部件用于設(shè)計(jì)輸入。

ADXL335是美國模擬器件公司推出的一款帶有信號調(diào)理電路的高精度模擬三軸加速度傳感器。用戶可以根據(jù)應(yīng)用選擇合適的帶寬，X軸和Y軸的帶寬范圍為0.5Hz至1600Hz，Z軸的帶寬范圍為0.5Hz至550Hz。

●控制與處理系統(tǒng)

以現(xiàn)場可編程門陣列芯片(FPGA)作為控制核心，采用可編程片上系統(tǒng)技術(shù)(SOPC)將A/D采集控制、FIFO存儲器、存儲接口和數(shù)據(jù)壓縮編碼等硬件邏輯電路和微處理器集成到單一FPGA芯片上。

●大容量數(shù)據(jù)存儲

采用SD存儲卡，具有體積小、容量大、讀寫速度快和成本低等優(yōu)勢。

●無線通訊模塊

無線傳輸通信模塊采用2.4GHz頻段的CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片，通過串口與FPGA 交換數(shù)據(jù)和命令。

●電源管理

采用電池組通過降壓穩(wěn)壓電路為各個(gè)部件供電。由芯片CC2430管理整個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源，在沒有采集和數(shù)據(jù)處理任務(wù)時(shí)，CC2430通過控制MOS管開關(guān)電路關(guān)閉FPGA和數(shù)據(jù)采集電路的電源，僅保持無線網(wǎng)絡(luò)連接。

●程序設(shè)計(jì)流程圖

基于matlab軟件和結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理進(jìn)行進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析和安全評價(jià)程序設(shè)計(jì)，流程圖如圖3所示。