多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统技术方案

本实用新型专利技术揭示了一种多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、运动方向判别单元和微处理器单元，恒频恒幅信号发生单元与通道选通及LVDT驱动单元连接，通道选通及LVDT驱动单元与接入选通低噪声前置放大单元连接，接入选通低噪声前置放大单元分别与真有效值快速采样单元和运动方向判别单元连接，真有效值快速采样单元和运动方向判别单元分别与微处理器单元连接，微处理器单元分别与通道选通及LVDT驱动单元和程控增益单元连接，程控增益单元和接入选通低噪声前置放大单元连接。

Multi channel adaptive high precision LVDT data acquisition and measurement system

【技术实现步骤摘要】
多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统
本技术属检测仪器制造领域，涉及到一种适用于工程微应变监测的多通道自适应LVDT数据采集系统及其测量方法。
技术介绍
目前，在工程建筑、桥梁、水库大坝等领域广泛应用着一种称为振弦式的应变传感器。振弦式应变传感器以其结构简单，抗干扰能力强的优点，尤其在岩土工程领域得到了普遍应用。然而，振弦式应变传感器也因其明显的技术缺陷成为了引起业界广泛争论的议题。以拉紧的金属弦作为敏感元件的振弦式应变传感器，当弦的长度确定后，其固有振动频率的变化量即可表证弦所受拉力的大小，通过一定的换算可得到频率与受力间的一定关系。随着对振弦式应变传感器不断深入研究分析，结合在工程中应用的实际失效案例，振弦式应变传感器其固有的物理缺陷也逐渐被揭示出来：1、振弦式应变传感器不适宜使用于长期监测。众所周知，任何物体在受到外力作用时都将发生变形；同时，任何物体在温差发生变化的情况下都会发生涨缩现象，振弦式应变传感器也无例外地受到上述因素影响。振弦式应变传感器的振弦是被拉紧并固定在两端弹性膜片上，因此，振弦的两端均受到一定的张力和重力的叠加影响；振弦不可避免地将发生形变。被拉紧的振弦其内部分子间或离子间的相对位置将发生蠕动变化，同时产生原子间及分子间的附加内力以抵消外力，并试图恢复到形变前的状态。达到平衡时，附加内力将与所受外力大小相等，方向相反。就理论而言，在载荷条件下，理想的单晶体金属材料的内应力在弹性极限范围内不会发生永久性塑变。然而，由于实际使用的金属材料属于多晶结构，因而存在着大量内部晶体缺陷；在温差变化不大的场合，由于晶体位相差异以及原子的近程扩散作用，材料将发生微观塑变；当温差增大时，材料内部将出现原子长程扩散及晶格位错滑移趋向剧烈的现象，随着时间的推移，微观塑变的不断累积将演化为宏观塑变。金属在弹性应力范围内会产生微观塑变，可以从晶体内位错近程滑移、溶质原子定向溶解、定向空位流、晶体滑动等机理而获得成功解释。发生在金属丝上的物理机理同样也会发生在振弦式应变传感器中两端绷紧的振弦上。2、振弦式应变传感器温度效应严重。由于振弦式应变传感器的线热膨胀系数与材料、机械加工精度、形状等关联，因而，使用前，需要对振弦式应变传感器进行单体标定和补偿。3、振弦式应变传感器不适于使用在复杂变形的测量场合。依据材料力学及弹性力学钢体在受到外力作用时发生形变但体积不变理论，如果钢体在受到压力时轴向将发生压缩形变，但遵循体积不变原理，径向方向必然会发生膨胀形变，径向膨胀的效果与钢体的形状、材料有关，因此，径向膨胀变化是沿轴向的分布函数。如果轴向变化的分布函数不均匀，那么装在钢体上振弦式应变传感器中的振弦将会发生扭曲现象，这可以折合成轴向的附加外力，导致振弦式应变传感器的测量不准确。因此，在使用振弦式应变传感器作工程应力等检测中屡有失效就不足为奇了。在各种建筑工程中对应变及应力的监测是十分重要的测量指标，通过对建筑工程中所使用的各种材料、基坑围护中所使用的各种支撑在受力状况下应变或者应力精确测定，客观地反映建筑构件在受力状况下的真实情况，为工程施工及使用运行过程提供可靠、准确的数据，因此，研究开发一种精度高、与径向变化无关、温度系数小、自动化程度高(无需人工干涉)、数据交互便利的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统及其测量方法是十分必要的。
技术实现思路
理想的工程微应变监测系统应该是：1、测量数据精确可靠，2、为用户提供便利的信息交互方式，3、原则上无需人工干预监测系统的能量供应，4、柔顺的监测频度设置。本技术旨在为工程检测提供一种拥有太阳能及电源适配器补充能量、极其精确的轴向检测精度、对径向变形不敏感、对各种LVDT传感器的量程-增益具有自定标功能、对处理系统增益具有自适应功能、极小的温度系数、无线远程GPRS数据交互、近程无线或有线组网功能、便利的人机交互界面的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统及其测量方法。为了充分阐述及理解本技术的原理及采用的技术方法，需要了解目前在工程建设中微应变应力监测的方式。以深基坑开挖钢结构支撑为例。在深基坑开挖过程中，为防止基坑边缘塌方，需要在开挖基坑的四周构筑钢筋混凝土连续墙，由于土体压力巨大，需要对构筑的连续墙进行适当的支撑，通常有两种方式构成支撑梁：钢筋混凝土支撑梁及钢结构支撑梁。钢结构支撑梁是国际上广泛采用的施工方式，也是我国在深基坑开挖维护工程中支撑方法的趋势。精确测定钢支撑结构的钢支撑梁的受力状况(形变状况)关系到整个工程施工的安全性，借助精确测定钢支撑梁的受力(变形)量，还可达到反向验证设计计算的正确性、降低工程造价的目的。采用高精度、高灵敏的LVDT微应变传感器对钢结构支撑梁的应力和微应变监测，这些LVDT微应变传感器被安置在支撑梁的关键受力部位(安置位置需符合圣维南原理)。各监测点传感器的测量数据通过电缆连接方式传递至监测管理站。本技术涉及到一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统及其测量方法。所述的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统用于实现：以时分多路方式对32通道(实施例，视需要可扩展通道数)的LVDT传感器实现恒频稳幅激励、LVDT传感器输出响应信号调理(包括系统增益自适应、LVDT传感器自动标定、采用快速真有效值处理提取各通道LVDT的最终调理信号、传感器运动方向判别、16位A/D采样及计算)、以短程无线方式实现各监测点间的无线组网、提供蓝牙无线方式的数据交互、提供远程GPRS无线数据交互、提供太阳能及电源适配器充电功能、为相关单元提供高稳定低噪声供电电源。所述的LVDT传感器组由若干LVDT传感器及相应机械构建组成。当多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统通电后，该系统中的微处理器等待接收对该系统工作模式的设定指令，设定指令中包括需要采样的LVDT传感器的个数及独立编号、采样的频度、各单体传感器测量数据的上限及下限的报警信息。可以通过三种方式接收工作模式设定参数：1、经由外接串口对该系统的微处理器实行现场编程，2、通过本系统配置的液晶触摸显示屏与微处理器间提供的人机交互，3、通过GPRS远程无线数据交互网络与系统间的交互。多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统接收到工作参数后，首先采集本系统的供电状况信息，若本系统所配置的锂电池组供电正常，则进入对接入的各LVDT传感器的初始化过程；否则将通过远程无线GPRS网络向异地发出系统需要补充电能的信息。由于各类LVDT传感器在相同输入激励下，具有不同的输出响应(灵敏度不同)，初始化过程包括：1.自动测定各接入LVDT传感器的灵敏度，并存入系统非易失性内存，以实现自动定标功能；2.根据各LVDT传感器灵敏度的测定值自动调整该传感器进行数据调理处理过程中的增益，实现数据调理的自适应功能。经初始化、并当设定的测量时间到达后，本技术在所配置的微处理器控制下通过选通集成模拟开关、以分时方式对接入的各LVDT传感器实施测量：微处理器对相关集成模拟开关给出编码地址，相应通道的LVDT传感器被接入系统。微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、运动方向判别单元和微处理器单元，所述恒频恒幅信号发生单元的输出端与所述通道选通及LVDT驱动单元的输入端连接，所述通道选通及LVDT驱动单元的输出端与所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接，所述接入选通低噪声前置放大单元的输出端分别与所述真有效值快速采样单元的输入端和所述运动方向判别单元的输入端连接，所述真有效值快速采样单元的输出端和所述运动方向判别单元的输出端分别与所述微处理器单元的输入端连接，所述微处理器单元的输出端分别与所述恒频恒幅信号发生单元的输入端和所述程控增益单元的输入端连接，所述程控增益单元的输出端和所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接。/n

【技术特征摘要】
1.多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、运动方向判别单元和微处理器单元，所述恒频恒幅信号发生单元的输出端与所述通道选通及LVDT驱动单元的输入端连接，所述通道选通及LVDT驱动单元的输出端与所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接，所述接入选通低噪声前置放大单元的输出端分别与所述真有效值快速采样单元的输入端和所述运动方向判别单元的输入端连接，所述真有效值快速采样单元的输出端和所述运动方向判别单元的输出端分别与所述微处理器单元的输入端连接，所述微处理器单元的输出端分别与所述恒频恒幅信号发生单元的输入端和所述程控增益单元的输入端连接，所述程控增益单元的输出端和所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接。


2.如权利要求1所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述恒频恒幅信号发生单元包括集成模拟开关和零漂移运算放大器，所述微处理器单元输出的方波信号控制所述集成模拟开关的通断，使所述集成模拟开关输出的信号为恒频恒幅的方波信号，所述零漂移运算放大器和所述集成模拟开关相连接，用于将恒频恒幅的方波信号转换为恒频恒幅的双极性正弦波信号。


3.如权利要求2所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述通道选通及LVDT驱动单元包括集成模拟开关和集成漏斗型仪器放大器，所述微处理器单元控制所述集成模拟开关，将恒频恒幅的双极性正弦波信号连接到所述集成漏斗型仪器放大器的输入端，以使所述微处理器单元获取接入的LVDT传感器的响应系数。


4.如权利要求3所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建国，应继伟，焦迪，殷建国，汪邦运，
申请(专利权)人：上海菲伽智能科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31