一种带有振弦传感器诊断的振弦采集仪的制作方法

本发明涉及一种带有振弦传感器诊断的振弦采集仪，应用于结构安全健康监测行业。

背景技术：

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。振弦传感器已经广泛用于工程、科研的长期监测项目中。振弦采集仪是用于采集振弦传感器的仪器设备，主要由激振电路、信号采集电路、温度采集电路、数据处理等部分组成。通常采集仪通过扫频的激励方法激励振弦传感器，激振后，采集电路采集感应信号，并通过AD转换后，单片机通过计算得出信号的频率。

振弦采集仪采集振弦传感器时，需要先发送高压激励信号至振弦传感器线圈，当钢弦起振后，采集电路拾取线圈感应信号，计算传感器频率和信号幅值，从而完成一次振弦传感器采集。振弦传感器正常时，振弦采集仪发送的高压信号经过线圈，然后回到振弦采集仪，形成一个完整激励回路。但是当振弦传感器异常时，此时振弦采集仪向振弦传感器发送高压激励信号，可能会损坏振弦传感器和振弦采集仪。

技术实现要素：

针对上述的问题，本发明专利提供了一种带有诊断振弦传感器功能的振弦采集仪，采集振弦传感器时，可以在发送激励信号前，先诊断振弦传感器状态，然后在进行采集，避免发送的高压信号对振弦传感器和振弦采集仪产生损坏。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种带有振弦传感器诊断的振弦采集仪，它包括振弦传感器、信号调理电路、信号采集电路、STM32单片机系统、存储电路、RTC时钟电路、激励电路、RS485通信模块和振弦传感器诊断电路；

信号调理电路和信号采集电路连接，信号采集电路与STM32单片机系统的IO口连接，STM32单片机系统通过引脚控制激励电路，并连接存储电路，并通过I2C总线连接RTC时钟电路；

RS485通信模块与STM32单片机系统通过串口控制器连接。

振弦传感器诊断电路由光耦继电器、信号继电器、DC5V电源和电阻Ⅰ组成；

所述光耦继电器控制诊断振弦传感器时将DC5V电源连接到信号调理电路。

采集振弦传感器时，STM32单片机系统控制信号继电器接入振弦传感器，同时STM32单片机系统控制光耦继电器导通，导通后，DC5V电源可以经过电阻Ⅰ连接到振弦传感器，如果振弦传感器异常，则DC5V电源经过电阻Ⅱ和电阻Ⅲ形成回路，如果正常，DC5V电源则经过电阻Ⅰ和振弦传感器形成回路；

STM32单片机系统读取电阻Ⅱ和电阻Ⅲ之间的电压值，根据电压值的不同，则可以判断振弦传感器的状态。

采集的振弦传感器的线圈电阻在180Ω~200Ω之间。

激励电路由高压模块组成，高压模块由STM32单片机控制，可以输出30V高压，STM32单片机系统通过IO引脚控制高压模块发送，当要采集时，单片机控制高压输出，激励振弦传感器。STM32单片机系统可以选择两种不同的激励方式，分别为共振激励与多脉冲激励，对于现场幅值信号比较弱的传感器，可以选择采用共振激励的方式激励，使传感器产生共振，可以使传感器线圈感应较大的信号，便于采集。

信号调理电路由滤波电路和放大电路组成。传感器采集时，振弦传感器信号非常微弱，经过滤波电路和放大电路后，首先将现场部分干扰信号滤除，然后将振弦传感器感应信号放大，使采集的信号满足信号采集电路的输入要求。信号采集电路采用16位独立ADC，将传感器输入信号转变为数字信号。

STM32单片机系统对输入的数字信号处理，单片机内置TTF算法，将信号采集电路输入的时域信号转换为频域。FFT计算完成后，得出振弦传感器的频率值与信号幅值。同时，STM32单片机控制外围电路，采集振弦传感器温度，采集完成后，一次数据采集完成。

RS485通信模块与STM32单片机系统通过串口控制器连接，振弦采集仪采集完成之后，将采集数据发送至RS485通信模块，通过485总线上面的无线数传设备DTU，将数据发送至云平台存储展示。

存储电路采用32M存储芯片组成，STM32单片机内置小型文件系统，用于管理存储数据。STM32单片机系统与存储电路通过IO口引脚连接。当数据采集时，STM32单片机系统同时采集RTC时钟的时间，采集的数据发送至RS485通信模块时，同时将数据保存在存储电路中，保证数据的可靠性。存储电路采用循环存储方式，可以保存大量采集数据。

本发明实现原理：一种带有振弦传感器诊断的振弦采集仪，主要由STM32单片机系统、激励电路、信号调理电路、信号采集电路、存储电路、电源电路、通信电路、RTC时钟电路以及振弦传感器诊断电路组成。其中，单片机系统是使用STM32单片机，STM32单片机体积小，功耗低，工作在低功耗的情况下，工作电流只有50uA左右，单片机内置资源多，方便单片机系统对各部分逻辑电路的控制。激励电路采用30V高压模块，通过晶体管控制通断，使其可以在采集振弦传感器前对传感器线圈激励。信号调理电路包括滤波电路与放大电路，滤波电路可以使300Hz到5000Hz的信号正常通过。放大电路的作用是将微弱的振弦传感器信号放大到信号采集电路可以识别的信号。存储电路可以将数据存储在本地，避免数据丢失，保证数据的连续性。通信电路由RS485组成，通过RS485芯片，可以将多通道振弦采集仪连接到现场485总线。RTC时钟电路与STM32单片机系统连接，为振弦传感器采集提供采集时间，电源管理电路由外部DC12V电源提供系统工作电源，并经过电源管理模块处理后，为系统的各个模块提供电源管理。振弦传感器诊断电路由DC5V电源、光耦继电器、信号继电器和若干阻容器件组成。当采集振弦传感器时，STM32单片机系统控制振弦传感器诊断电路对振弦传感器进行诊断，如果判断振弦传感器正常，则进行发送激励信号操作，否则将停止采集。

本发明的有益效果：

本发明解决了结构安全监测行业振弦采集仪采集时，振弦传感器出现异常，可自动诊断振弦传感器状态，根据振弦传感器诊断的结果进行操作，避免了振弦采集仪发送激励信号对振弦采集仪和振弦传感器的损坏，提高了振弦采集仪的可靠性。

附图说明

图1为本发明内部电气连接示意图；

图2振弦传感器诊断电路示意图。

具体实施方式

一种带有振弦传感器诊断的振弦采集仪，包括振弦传感器1，信号调理电路2，信号采集电路3，STM32单片机系统4，存储电路6，RTC时钟电路7、激励电路9，RS485通信模块8和振弦传感器诊断电路5组成。

激励电路9由高压模块组成，高压模块由STM32单片机控制，可以输出30V高压，STM32单片机系统4通过IO引脚控制高压模块发送，当要采集时，单片机控制高压输出，激励振弦传感器1。STM32单片机系统4可以选择两种不同的激励方式，分别为共振激励与多脉冲激励，对于现场幅值信号比较弱的传感器，可以选择采用共振激励的方式激励，使传感器产生共振，可以使传感器线圈感应较大的信号，便于采集。

信号调理电路2由滤波电路和放大电路组成，传感器采集时，振弦传感器1信号非常微弱，经过滤波电路和放大电路后，首先将现场部分干扰信号滤除，然后将振弦传感器1感应信号放大，使采集的信号满足信号采集电路3的输入要求。信号采集电路3采用16位独立ADC，将传感器输入信号转变为数字信号。

STM32单片机系统4对输入的数字信号处理，单片机内置TTF算法，将信号采集电路3输入的时域信号转换为频域。FFT计算完成后，得出振弦传感器1的频率值与信号幅值。同时，STM32单片机4控制外围电路，采集振弦传感器温度，采集完成后，一次数据采集完成。

RS485通信模块8与STM32单片机系统4通过串口控制器连接，振弦采集仪采集完成之后，将采集数据发送至RS485通信模块8，通过485总线上面的无线数传设备DTU，将数据发送至云平台存储展示。

存储电路6采用32M存储芯片组成，STM32单片机内置小型文件系统，用于管理存储数据。STM32单片机系统4与存储电路6通过IO口引脚连接。当数据采集时，STM32单片机系统同时采集RTC时钟7的时间，采集的数据发送至RS485通信模块8时，同时将数据保存在存储电路6中，保证数据的可靠性。存储电路6采用循环存储方式，可以保存大量采集数据。

振弦传感器诊断电路5由光耦继电器10、信号继电器13、DC5V电源11和电阻Ⅰ12组成。采集振弦传感器1时，STM32单片机系统4控制信号继电器13接入振弦传感器1，同时STM32单片机系统4控制光耦继电器10导通，导通后，DC5V电源11可以经过电阻Ⅰ12连接到振弦传感器，如果振弦传感器1异常，则DC5V电源11经过电阻Ⅱ14和电阻Ⅲ15形成回路，如果正常，DC5V电源则经过电阻Ⅰ12和振弦传感器1形成回路。STM32单片机系统4读取电阻Ⅱ14和电阻Ⅲ15之间的电压值，根据电压值的不同，则可以判断振弦传感器1的状态。