一种基于CAN总线的阵列式频率计制造技术

本发明专利技术提供了一种基于CAN总线的阵列式频率计，包括多节依次首尾连接的传感器单元，传感器单元包括不锈钢管体、通过柔性的弯折关节相互连接，内部均设有高精度三轴MEMS加速度传感器，分为首节管和多根延伸管，首节管内还设有数据处理单元、电源转换单元、CAN通信单元以及外部通信单元。该频率计能适应工程体测量部位的形状、并能随工程体的振动和变形而发生偏移，通过三轴加速度表征的三维空间向量计算坐标并形成位置曲线、进而实现频率测量，利用CAN总线实现快速数据通信，并通过CAN中继提高负载能力、实现超长节数应用，根据位移量以及频率振幅变化可以确定特定位置的损伤程度，进而从频域和时域两个维度对结构健康状况进行分析和评估。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CAN总线的阵列式频率计
本专利技术属于频率检测
，特别涉及一种基于CAN总线的阵列式频率计。
技术介绍
工程中常用的沉降监测技术一般分为内部观测和外部观测两类：外部观测以水准仪、全站仪、GPS、边坡雷达等设备为主，内部观测为安装埋设各类传感器、并由数据采集设备自动收集处理数据，此类传感器包括VW沉降仪、固定沉降计、HD水平固定测斜仪等，主要通过监测传感器所在的位置发生的沉降判断所监测的端面沉降情况。传统的滑动式测斜仪具有监测点密度大、可重复利用等优点，但需要人工操作，误差较大、不能实时测量，只能进行小变形测量和水平位移监测，无法进行较大变形测量和沉降监测；目前广泛应用的固定使测斜仪通过预设数学模型和固定布设的方式可以实现自动化数据采集、无需人工干预，但测点较少、精度无法保证，且输出的角速度数据受安装深度的影响较大、容易导致计算结果不准确。随着MEMS(微机电系统)技术的发展以及检测要求的提高，阵列式位移计应运而生，其采用一体化结构，内部监测单元首尾相连、测点密集，可反映各个深度的微小变形。然而，现有的此类阵列式传感器均是采用RS485总线结构进行监测数据传输，传输效率低、无法进行快速数据通信，因而无法进行频率测量。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于CAN总线的阵列式频率计。本专利技术具体技术方案如下：本专利技术提供了一种基于CAN总线的阵列式频率计，包括多节依次首尾连接的传感器单元，所述传感器单元包括不锈钢管体，相邻的所述不锈钢管体通过柔性的弯折关节相互连接，所有所述不锈钢管体内均设有高精度三轴MEMS加速度传感器，所述不锈钢管体包括设在头部的首节管以及多根延伸管，所述首节管内还设有数据处理单元、电源转换单元、CAN通信单元以及外部通信单元，所有所述高精度三轴MEMS加速度传感器通过布设在所述不锈钢管体内部的供电线缆以及CAN总线依次连接。进一步地，每隔100～120个所述传感器单元设有一个CAN中继器，所述CAN中继器设在所述不锈钢管体内。进一步地，所述CAN中继器包括两个CAN总线控制模块，每个所述CAN总线控制模块包括一个CAN收发器、一个与门电路以及一个或门电路，两个所述CAN收发器的Tx引脚与Rx引脚相互连接，所述与门电路和所述或门电路交叉并联在所述CAN收发器的串口上。进一步地，所述CAN中继器还包括连接电源和所述CAN总线控制模块的DC/DC电源转换模块。进一步地，所述CAN收发器的输出端连接有光电隔离模块。进一步地，所述首节管的端部还连接有近端固定节，所述供电线缆穿过所述近端固定节连接外部电源。进一步地，所述数据处理单元还被配置为运行如下程序：S11：根据所述加速度值的变化感应所述不锈钢管体的振动变化；S12：通过快速傅里叶变换进行边缘计算，获取每个所述传感器单元独立计算感应到的三轴方向的振动频率与振幅，其中三轴振动频率为Fxn,Fyn,Fzn，三轴振幅为Axn,Ayn,Azn；S13：根据所述三轴振动频率和所述三轴振幅，得到相邻两个测量时刻的三维空间的频率振幅曲线t1{(0,0,0)，(Fx1Ax1,Fy1Ay1,Fz1Az1)，(Fx2Ax2,Fy2Ay2,Fz3Az3)，…，(FxnAxn,FynAyn,Fz1Azn)}以及t2{(0,0,0)，(Fx1Ax1`,Fy1Ay1`,Fz1Az1`)，(Fx2Ax2`,Fy2Ay2`,Fz3Az3`)，…，(FxnAxn`,FynAyn`,Fz1Azn`)}；S14：根据不同测量时刻下所述第n个传感器单元的频率振幅变化，即可得到在第n个传感器单元处发生的结构性损伤及隐患。进一步地，所述数据处理单元还被配置为运行如下程序：S21：利用所述高精度三轴MEMS加速度传感器的加速度矢量关系，将重力加速度常数G作为一个向量，根据空间向量分解定理，则有G＝ax+ay+az；S22：从所述首节管开启，依次获取每个所述高精度三轴MEMS加速度传感器测得的三轴加速度数据，分别为(ax1,ay1,az1)，(ax2,ay2,az2)，(ax3,ay3,az3)，…，(axn,ayn,azn)，其中n为所述高精度三轴MEMS加速度传感器的数量；S23：以所述首节管的端部作为原点，设其三维空间坐标为(0,0,0)，分别计算每一个所述弯折关节处的三维空间坐标(X,Y,Z)，得到整体的空间位置；S24：根据所述三维空间坐标，获得所述相邻两个测量时刻的传感器位置变化曲线{(0,0,0)，(X1,Y1,Z1)，(X2,Y2,Z2)，…，(Xn,Yn,Zn)}以及{(0,0,0)，(X1`,Y1`,Z1`)，(X2`,Y2`,Z2`)，…，(Xn`,Yn`,Zn`)}，并据此得到每个所述传感器单元的位移量。进一步地，所述三维空间坐标的计算方法如下：Xn＝Xn-1+L*axn；Yn＝Yn-1+L*ayn；Zn＝Zn-1+L*azn；其中L为所述不锈钢管体的长度；所述位移量的计算方法如下：△Xn＝Xn`-Xn；△Yn＝Yn`-Yn；△Zn＝Zn`-Zn。进一步地，所述数据处理单元还被配置为运行如下程序：S3：通过第n个所述传感器单元的位移量以及频率振幅变化，可以确定该位置的损伤程度，进而对结构健康状况进行评估。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供了一种基于CAN总线的阵列式频率计，包括多节依次首尾连接的传感器单元，传感器单元包括不锈钢管体，相邻的不锈钢管体通过柔性的弯折关节相互连接、内部均设有高精度三轴MEMS加速度传感器，具体包括设在头部的首节管以及多根延伸管，首节管内还设有数据处理单元、电源转换单元、CAN通信单元以及外部通信单元，所有加速度传感器通过布设在不锈钢管体内部的供电线缆以及CAN总线依次连接。该频率计采用柔性关节连接多个传感器单元、构成可变性的传感器组合，能适应工程体测量部位的形状、并能随工程体的振动和变形而发生偏移，通过三轴加速度表征的三维空间向量计算坐标并形成位置曲线、进而实现频率测量，利用CAN总线实现快速数据通信，并通过CAN中继提高负载能力、实现超长节数应用，根据位移量以及频率振幅变化可以确定特定位置的损伤程度，进而从频域和时域两个维度对结构健康状况进行分析和评估。附图说明图1为实施例所述的基于CAN总线的阵列式频率计的结构示意图；图2为实施例所述的基于CAN总线的阵列式频率计的电路示意图；图3为实施例所述的基于CAN总线的阵列式频率计中CAN中继的电路原理图；图4为上述CAN中继中CAN总线控制模块A的电路图；图5为上述CAN中继中CAN总线控制模块B的电路图；图6为上述CAN中继中DC/DC电源转换模块的电路图；图7为边缘计算过程中的频域特征示意图；图8为边缘计算过程中的固有频率漂移示意图；图9为实验例1中实验室水平向位移偏差曲线；图10为实验例1中实验室本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，包括多节依次首尾连接的传感器单元(1)，所述传感器单元(1)包括不锈钢管体，相邻的所述不锈钢管体通过柔性的弯折关节(2)相互连接，所有所述不锈钢管体内均设有高精度三轴MEMS加速度传感器(3)，所述不锈钢管体包括设在头部的首节管(4)以及多根延伸管(5)，所述首节管(4)内还设有数据处理单元(6)、电源转换单元(7)、CAN通信单元(8)以及外部通信单元(9)，所有所述高精度三轴MEMS加速度传感器(3)通过布设在所述不锈钢管体内部的供电线缆以及CAN总线依次连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，包括多节依次首尾连接的传感器单元(1)，所述传感器单元(1)包括不锈钢管体，相邻的所述不锈钢管体通过柔性的弯折关节(2)相互连接，所有所述不锈钢管体内均设有高精度三轴MEMS加速度传感器(3)，所述不锈钢管体包括设在头部的首节管(4)以及多根延伸管(5)，所述首节管(4)内还设有数据处理单元(6)、电源转换单元(7)、CAN通信单元(8)以及外部通信单元(9)，所有所述高精度三轴MEMS加速度传感器(3)通过布设在所述不锈钢管体内部的供电线缆以及CAN总线依次连接。


2.如权利要求1所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，每隔100～120个所述传感器单元设有一个CAN中继器(10)，所述CAN中继器(10)设在所述不锈钢管体内。


3.如权利要求2所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，所述CAN中继器(10)包括两个CAN总线控制模块，每个所述CAN总线控制模块包括一个CAN收发器、一个与门电路以及一个或门电路，两个所述CAN收发器的Tx引脚与Rx引脚相互连接，所述与门电路和所述或门电路交叉并联在所述CAN收发器的串口上。


4.如权利要求3所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，所述CAN中继器(10)还包括连接电源和所述CAN总线控制模块的DC/DC电源转换模块。


5.如权利要求4所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，所述CAN收发器的输出端连接有光电隔离模块。


6.如权利要求1所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，所述首节管(4)的端部还连接有近端固定节(11)，所述供电线缆穿过所述近端固定节(11)连接外部电源。


7.如权利要求1～6中任一项所述的基于CAN总线的阵列式频率计，其特征在于，所述数据处理单元(6)被配置为运行如下程序：
S11：根据所述加速度值的变化感应所述不锈钢管体的振动变化；
S12：通过快速傅里叶变换进行边缘计算，获取每个所述传感器单元(1)独立计算感应到的三轴方向的振动频率与振幅，其中三轴振动频率为Fxn,Fyn,Fzn，三轴振幅为Axn,Ayn,Azn；
S13：根据所述三轴振动频率和所述三轴振幅，得到相邻两个测量时刻的三维空间的频率振幅曲线t1{(0,0,0)，(Fx1Ax1,Fy1Ay1,Fz1Az1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏勇，吕康，
申请(专利权)人：北京中弘泰科科技有限公司，魏勇，吕康，
类型：发明
国别省市：北京;11