一种小型化远距离无线应变测试仪的制作方法

1.本实用新型属于应变无线测试技术领域，具体涉及一种小型化远距离无线应变测试仪。


背景技术：

2.电阻应变片是常用的应力应变测量传感器，它可以将结构上应变变化转换为电阻变化，通过电子电路测量电阻的变化即可计算出结构的应力变化。在对一些大型结构如桥梁、起重机、工程机械、游乐设备进行应力测试时，传统的应力应变测试仪器需要进行长距离、复杂的布线，现场安装不便，并且常常因为长距离的走线导致应变片的模拟小信号收到干扰，影响数据读取。
3.与传统的应力应变测量技术相比，无线测量技术可以大大简化现场布线，使用灵活、方便，并且无线数字化数据传输大大降低了由于长电缆带来的信号干扰。但是现有的无线测试设备(cn 214308694 u一种应力无线应变测试仪、cn105547139 a一种基于wifi的无线应变测量系统)一般采用wifi、蓝牙、zigbee等标准通讯协议，传输距离近、设备体积大、功耗高、待机时间短，不方便野外测试。
4.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种小型化远距离无线应变测试仪，针对现有传统应力应变测试仪器和现有无线应力应变测试仪存在的布线不便、无线传输距离近、功耗高、体积大、待机时间不长的上述问题，提出了一种小型化远距离的无线应变测试仪。
6.为达到以上目的，本实用新型提供一种小型化远距离无线应变测试仪，包括模拟调理模块、ad采集模块、cpu模块、无线通讯模块和供电模块，其中：
7.所述模拟调理模块的输入端连接应变片或者应变式传感器并且所述模拟调理模块的输出端与所述ad采集模块的输入端电性连接(用于实现模拟信号的ad数据采集)，所述ad采集模块的输出端与所述cpu模块的输入端电性连接(通过spi接口)，所述cpu模块和所述无线通讯模块电性连接(通过spi接口连接，用于实现无线数据收发)；
8.所述供电模块分别与所述模拟调理模块、所述ad采集模块、所述cpu模块和所述无线通讯模块电性连接(供电模块用于实现电池的充放电管理，并给其它上述模块供电)。
9.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述模拟调理模块包括组桥电路、拨码开关、仪表放大器u5、da芯片u9、电压跟随器u8和调频率滤波器，其中：
10.所述组桥电路和所述拨码开关电性连接(组桥电路和拨码开关实现全桥电路、四分之一桥电路和半桥电路的切换)；
11.所述调频率滤波电路包括模拟开关u6和电容网络，所述模拟开关u6和所述电容网络电性连接(所述可调频率滤波器使用模拟开关和电容网络实现不同截止频率的二阶低通滤波器)。
12.所述da芯片u9输出端通过所述电压跟随器u8与所述仪表放大器u5的ref端电性连接并且所述da芯片u9的输入端与所述cpu模块的控制端电性连接(通过iic接口以实现应变平衡功能)。
13.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，小型化远距离无线应变测试仪还包括存储模块和usb模块，所述存储模块和所述usb模块分别与所述cpu模块电性连接。
14.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述cpu模块包括处理器芯片u1，所述ad采集模块包括ad转换器u7，其中：
15.所述处理器芯片u1通过iic接口与所述da芯片u9电性连接，所述仪表放大器u5的输出端与所述模拟开关u6的输入端电性连接并且所述模拟开关u6的输出端有与所述ad转换器u7的输入端电性连接，所述ad转换器u7的输出端通过spi接口与所述处理器芯片u1的输入端电性连接。
16.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述存储模块包括存储芯片u2，所述供电模块包括充电芯片u4和电源芯片u3，其中：
17.所述存储芯片u2通过spi接口与所述处理器芯片u1电性连接，所述usb模块(usb接口)与所述充电芯片u4电性连接并且所述充电芯片u4连接电池的输入端，所述电源芯片u3连接电池的输出端。
18.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述da芯片u9的2管脚与所述电压跟随器u8的正极输入端电性连接，所述电压跟随器u8的输出端和负极输入端电性连接并且所述电压跟随器u8的输出端与所述仪表放大器u5的5管脚(ref)电性连接；
19.所述仪表放大器u5的6管脚依次通过电阻r3和电阻r4与运放器ua的正极输入端电性连接，所述电阻r3和所述电阻r4的共接端与所述模拟开关u6的8管脚电性连接并且所述运放器ua的正极输入端与所述模拟开关u6的9管脚电性连接，所述运放器ua的输出端通过电容c10与所述模拟开关u6的4管脚电性连接，所述模拟开关u6的5管脚通过电容c11与所述运放器ua的输出端电性连接，所述模拟开关u6的6管脚通过电容c13与所述运放器ua的输出端电性连接，所述模拟开关u6的7管脚通过电容c15与所述运放器ua的输出端电性连接；
20.所述运放器ua的输出端还与所述ad转换器u7的3管脚电性连接。
21.本实用新型的有益效果在于：
22.1、可无线远程传输，空旷下传输距离500米以上。采用大功率无线射频模块，可以提高无线传输距离，非常适合野外测试领域的应用场合。
23.2、体积小。一种小型化远距离无线应变测试仪体积为68mm
×
53mm
×
29mm，重量小于200g，满足多数结构应力测试的使用场合。
24.3、功耗低，可远程休眠唤醒。通过周期信号采集和关闭模拟电源等低功耗控制策略，可以大大延长无线传感器的工作时间。一种小型化、远距离无线应变测试仪没有开关按钮，可通过无线指令远程开关、采集，更适合野外远距离测试。
25.4、同步数据采集。采用多个a/d采集芯片同步采集，并使用无线指令实现同步采集，保证了多通道数据采集的同步性。
26.6、可兼容静态、动态应变采集。采用多个a/d采集芯片同步采集，最高采样率可以达到5khz，可以兼容静态、动态应变采集等应用。
附图说明
27.图1是本实用新型的一种小型化远距离无线应变测试仪的结构示意图。
28.图2是本实用新型的一种小型化远距离无线应变测试仪的芯片连接图。
29.图3是本实用新型的一种小型化远距离无线应变测试仪的模拟调理模块和ad采集模块电路图。
具体实施方式
30.以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
31.本实用新型公开了一种小型化远距离无线应变测试仪，下面结合优选实施例，对实用新型的具体实施例作进一步描述。
32.在本实用新型的实施例中，本领域技术人员注意，本实用新型涉及的应变片、应变式传感器和电池等可被视为现有技术。
33.优选实施例。
34.本实用新型公开了一种小型化远距离无线应变测试仪，包括模拟调理模块、ad采集模块、cpu模块、无线通讯模块和供电模块，其中：
35.所述模拟调理模块的输入端连接应变片或者应变式传感器并且所述模拟调理模块的输出端与所述ad采集模块的输入端电性连接(用于实现模拟信号的ad数据采集)，所述ad采集模块的输出端与所述cpu模块的输入端电性连接(通过spi接口)，所述cpu模块和所述无线通讯模块电性连接(通过spi接口连接，用于实现无线数据收发)；
36.所述供电模块分别与所述模拟调理模块、所述ad采集模块、所述cpu模块和所述无线通讯模块电性连接(供电模块用于实现电池的充放电管理，并给其它上述模块供电)。
37.具体的是，所述模拟调理模块包括组桥电路、拨码开关、仪表放大器u5、da芯片u9、电压跟随器u8和调频率滤波器，其中：
38.所述组桥电路和所述拨码开关电性连接(组桥电路和拨码开关实现全桥电路、四分之一桥电路和半桥电路的切换)；
39.所述调频率滤波电路包括模拟开关u6和电容网络，所述模拟开关u6和所述电容网络电性连接(所述可调频率滤波器使用模拟开关和电容网络实现不同截止频率的二阶低通滤波器)。
40.所述da芯片u9输出端通过所述电压跟随器u8与所述仪表放大器u5的ref端电性连接并且所述da芯片u9的输入端与所述cpu模块的控制端电性连接(通过iic接口以实现应变平衡功能)。
41.更具体的是，小型化远距离无线应变测试仪还包括存储模块和usb模块，所述存储模块和所述usb模块分别与所述cpu模块电性连接。
42.进一步的是，所述cpu模块包括处理器芯片u1，所述ad采集模块包括ad转换器u7，其中：
43.所述处理器芯片u1通过iic接口与所述da芯片u9电性连接，所述仪表放大器u5的
输出端与所述模拟开关u6的输入端电性连接并且所述模拟开关u6的输出端有与所述ad转换器u7的输入端电性连接，所述ad转换器u7的输出端通过spi接口与所述处理器芯片u1的输入端电性连接。
44.更进一步的是，所述存储模块包括存储芯片u2，所述供电模块包括充电芯片u4和电源芯片u3，其中：
45.所述存储芯片u2通过spi接口与所述处理器芯片u1电性连接，所述usb模块(usb接口)与所述充电芯片u4电性连接并且所述充电芯片u4连接电池的输入端，所述电源芯片u3连接电池的输出端。
46.优选地，所述da芯片u9的2管脚与所述电压跟随器u8的正极输入端电性连接，所述电压跟随器u8的输出端和负极输入端电性连接并且所述电压跟随器u8的输出端与所述仪表放大器u5的5管脚(ref)电性连接；
47.所述仪表放大器u5的6管脚依次通过电阻r3和电阻r4与运放器ua的正极输入端电性连接，所述电阻r3和所述电阻r4的共接端与所述模拟开关u6的8管脚电性连接并且所述运放器ua的正极输入端与所述模拟开关u6的9管脚电性连接，所述运放器ua的输出端通过电容c10与所述模拟开关u6的4管脚电性连接，所述模拟开关u6的5管脚通过电容c11与所述运放器ua的输出端电性连接，所述模拟开关u6的6管脚通过电容c13与所述运放器ua的输出端电性连接，所述模拟开关u6的7管脚通过电容c15与所述运放器ua的输出端电性连接；
48.所述运放器ua的输出端还与所述ad转换器u7的3管脚电性连接。
49.优选地，本实用新型的原理为：
50.包括模拟调理模块、ad采集模块、cpu模块、存储模块、无线通讯模块、usb模块和供电模块。所述模拟调理模块前端接应变片或应变式传感器；模拟调理模块与ad采集模块相连接，实现模拟信号的ad数据采集；ad采集模块通过spi接口与cpu模块相连接，cpu模块与存储模块、无线通讯模块之间通过spi接口连接，实现数据存储和无线数据收发；usb模块与cpu模块相连，供电模块实现电池充放电管理，并给其它上述模块供电。
51.值得一提的是，所述模拟调理模块包括组桥电路、拨码开关、仪表放大器、da芯片、电压跟随器、可调频率滤波器。其中组桥电路和拨码开关实现全桥电路、四分之一桥电路和半桥电路的切换，仪表放大器实现电桥模拟小信号的放大，da芯片的输出通过电压跟随器之后接入至仪表放大器的ref端，并使用cpu模块的iic接口控制da，实现应变平衡功能，所述的可调频率滤波器使用模拟开关和电容网络实现不同截止频率的二阶低通滤波器；
52.所述的ad采集模块与模拟调理模块连接，并使用高精度基准电源作为ad采集的电压基准。所述的ad采集模块与模拟调理模块可以具有多个通道，每个通道可以具有独立的模拟调理模块和ad采集模块，也可以共用一路ad采集模块使用模拟开关的方式切换不同的模拟调理通道。ad采集模块使用spi接口和cpu模块连接，在使用多个ad采集模块并行采集的情况下，使用菊花链的spi方式与cpu模块相连。采用多个ad采集模块同步采集，可以保证多通道数据采集的同步性。
53.cpu模块是无线应变测试仪的核心控制单元，采用低功耗处理器。cpu模块控制模拟调理模块实现应变平衡，控制ad采集模块实现数据采集，控制存储模块实现数据存储与读取，控制无线通讯模块实现数据的无线收发，通过usb模块实现存储数据的下载，控制供电模块实现低功耗的操作。处理器运行无线协议栈，控制无线通信模块与远程的无线网关
通信，接收无线网关的指令并将采集的数据发送至无线网关，在数据采集过程中，根据实际需要，可以实现周期信号采集，即每休眠一段时间后采集t秒的数据，可以进一步降低系统功耗。
54.所述的存储模块使用spi接口的nand falsh存储器，体积小、容易集成，存储模块实现数据存储功能。
55.所述的无线通讯模块采用433mhz或915mhz或2.4ghz的ism频段，可以支持高速的数据收发，同时可以保证传输距离。
56.所述的usb模块使用5芯micro usb接口，使用cpu的内部的usb单元，并使用usb接口保护芯片。usb模块实现数据下载、充电、复位功能。需要说明的是，一般的micro usb仅使用1、2、3、5芯，信号分别为vdd、d-、d 、gnd，使用micro usb接口的第4芯作为复位信号，并使用专用的复位线实现复位功能，这样，无线应变测试仪无需外部开关。
57.所述的供电模块实现电池充电和低功耗管理功能。当用户接入usb电源时，充电芯片即可自动为电池充电，当电池充满电后，充电芯片会自动停止充电。cpu模块中的处理器的io管脚控制电源芯片的使能，可以切断模拟调理模块、ad采集模块的电源，当用户控制系统休眠时或用户没有操作10分钟后系统自动休眠，以节省功耗；
58.所述处理器芯片u1通过iic接口控制da芯片u9，运算放大器u8实现电压跟随器功能，u8的输出接入至仪表放大器u5的ref管脚，通过嵌入式程序实现程控应变平衡。一般应变测量电路的放大倍数较大，用户贴应变片时会有较大的不确定性，电桥经过放大后，可能会超过ad的输入范围，应变平衡的目的是将u5的输出调整在正常ad采集的范围以内。u5的输出数据通过模拟开关u6和电阻电容网络组成的二阶低通滤波器进行滤波，滤波器的截止频率可通过u6切换电容的方式进行调整。u6的输出数据接入ad转换器u7进行采集，处理器芯片u1与u7之间通过spi方式连接。
59.更具体的是，所述处理器芯片u1和存储芯片u2之间通过spi接口连接。处理器内部的嵌入式软件通过spi方式读写存储芯片的页实现存储数据的管理。
60.更为具体的是，所述usb接口与充电芯片u4连接，充电芯片u4与电池连接，电源芯片u3将电池的电压转化为系统电源，供其它模块使用。处理器芯片u1可控制u3将除了u1部分的其他模块的电源关闭，用以节省功耗，同时u1处于低功耗休眠模式下运行。u1在休眠模式下，通过每间隔t2时间周期性的唤醒t3时间，如果在醒来的t3时间内，收到来自无线网关的唤醒指令，u1就处在待机模式，否则继续进入休眠模式。
61.值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的应变片、应变式传感器和电池等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
62.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。