阅读说明：本技术 一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统 (Distributed wireless network data acquisition system for multi-type vibrating wire strain gauge ) 是由 童小华 刘世杰 谢欢 金雁敏 许雄 陈鹏 柳思聪 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统,包括多个采集器,所述采集器包括应变计激励单元、A/D转换单元和微控制芯片,所述应变计激励单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计,所述A/D转换单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计,所述微控制芯片分别连接无线传输单元和存贮单元,所述微控制芯片依据不同类型的振弦式应变计进行正弦波激励信号频率参数调整,并使用不同的应变值计算模型计算修正后应变值。与现有技术相比,可确保数据传输的完整性和高效性,同时降低多传感器运行成本,减少现场作业的操作复杂度,并保证不同类型的振弦式应变计采集数据的一致性。(The invention relates to a distributed wireless network data acquisition system of a multi-type vibrating wire strain gauge, which comprises a plurality of collectors, wherein each collector comprises a strain gauge excitation unit, an A/D conversion unit and a micro-control chip, the strain gauge excitation unit is respectively connected with the micro-control chip and the vibrating wire strain gauge, the A/D conversion unit is respectively connected with the micro-control chip and the vibrating wire strain gauge, the micro-control chip is respectively connected with a wireless transmission unit and a storage unit, the micro-control chip adjusts the frequency parameters of sine wave excitation signals according to different types of vibrating wire strain gauges, and calculates the corrected strain value by using different strain value calculation models. Compared with the prior art, the method can ensure the integrity and the high efficiency of data transmission, simultaneously reduce the running cost of the multiple sensors, reduce the operation complexity of field operation, and ensure the consistency of data acquisition of different types of vibrating wire strain gauges.)

一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统

技术领域

本发明涉及测量装置技术领域，尤其是涉及一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统。

背景技术

振弦式应变计由于其读数仪的电路结构复杂度，一直作为单独的设备安置在测量环境中，这样增加了传感器布设及数据整合的复杂性，如传感器布线、以及独立设备的标准电源供电，而且由于独立设备需要在现场面板操控，也使得从网关向整个网络发送的指令的可控性下降，另外由于环境和建筑物不同，在测量过程中需要安装部署采用应变计的类型也不相同，读数仪的种类也不同，得到的数据一致性差。

目前已有的振弦式应变计测量多数为生产厂家提供与应变计对应的测量仪测量一个应变仪的应变数据，或为生产厂家提供多通道测量仪对多个相同类型的应变计的应变数据进行读取，这种方式安装困难、安装成本高昂，存储实时转出困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统，包括多个采集器，所述采集器包括应变计激励单元、A/D转换单元和微控制芯片，所述应变计激励单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计，所述A/D转换单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计，所述微控制芯片分别连接无线传输单元和存贮单元，所述微控制芯片依据不同类型的振弦式应变计进行正弦波激励信号频率参数调整，并使用不同的应变值计算模型计算修正后应变值。

所述应变值计算模型的通式为：

ε_m＝k(ε-ε₀)+(b-α)(T-T₀)

其中，ε_m为修正后应变值，α为被测物体的线膨胀系数，b为应变计的温度修正系数，T为温度的实时测量值，T₀为温度的基准值，k为应变计的测量灵敏度，ε为应变计的实时测量值，ε₀为应变计的基准值。

所述应变计的实时测量值ε计算公式为：

其中，L为应变计标定系数，f_o为应变计空载时初始频率读数，f_i为监测应变计荷载时实测频率读数。

所述温度的实时测量值T计算公式为：

其中，R_t为热敏电阻的阻值，a＝1.4051×10^-3；-50℃<T<+150℃时，b＝2.369×10^-4，c＝1.019×10^-7。

所述微控制芯片将修正后应变值存储于存贮单元，并将修正后应变值压缩后利用无线传输单元进行无线传输。

多个所述无线传输单元将修正后应变值传输至分布式无线传感网络，主控计算机监控分布式无线传感网络。

所述的存贮单元包括SD卡。

多个所述采集器形成的分布式无线传感网络进行点对点或点对多的实时数据传输。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将振弦式应变计的测量设备与分布式无线传感网络的通用数据采集器结合可大大提高在建筑监测中振弦式传感器的使用便利性和灵活性，另外针对不同的环境和建筑物，可接驳多种类型应变计的采集器，采集得到数据的一致性好，便于主控计算机进行实时监控。

(2)应变值计算模型的通式为经温度修正后的计算模型通式，充分考虑温度的影响，使计算得到的应变值更加准确。

(3)修正后应变值压缩后利用无线传输单元进行无线传输，可以确保数据传输的完整性和高效性，具有降低多传感器运行成本、减少现场作业的操作复杂度的效果。

附图说明

图1为本发明的采集器结构示意图；

图2为本发明的数据采集过程图；

图3为本发明的不同类型振弦式应变计数据处理方法示意图；

图4为本发明的主控计算机监控示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提供一种多类型振弦式应变计分布式无线网络数据采集系统，包括多个采集器，如图1所示，采集器包括应变计激励单元、A/D转换单元和微控制芯片，应变计激励单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计，A/D转换单元分别连接微控制芯片和振弦式应变计，微控制芯片分别连接无线传输单元和存贮单元，微控制芯片依据不同类型的振弦式应变计进行正弦波激励信号频率参数调整，并使用不同的应变值计算模型计算修正后应变值。

具体描述如下：

(1)采集器由微控制芯片(MCU)作为数据处理单元，MCU读取应变计数据时，依次进行I/V转换单元和A/D转换，通过应变计激励单元生成正弦波激励信号，通过扫频方式连续测量振弦式应变计由于结构应变产生的共振频率变化，通过微控制芯片(MCU)对应变计数据进行计算获得共振频率所对应的精确修正后应变值的计算结果，采集器的数据采集过程如图2所示。

(2)可接驳多种不同类型的振弦式应变计，微控制芯片(MCU)中包含多种应变值计算模型，已预先存储多种应变值计算模型的参数，可针对不同类型振弦式应变计自动调整计算方法，可针对不同类型振弦式应变计进行正弦波激励信号频率参数调整，如图3所示。

应变值计算模型的通式为：

ε_m＝k(ε-ε₀)+(b-α)(T-T₀)

其中，ε_m为修正后应变值，α为被测物体的线膨胀系数(由于固体的线膨胀系数变化不大，通常可以忽略，而将α作为与温度无关的常数，本应变计主要应用对象为建筑物，因此α可为定值)，b为应变计的温度修正系数，T为温度的实时测量值，T₀为温度的基准值，k为应变计的测量灵敏度，ε为应变计的实时测量值，ε₀为应变计的基准值，不同类型应变计的b、T₀、k参数直接存储于MCU中，L、f_o和f_i确定后，即可选定合适的b、T₀、k参数。

应变计的实时测量值ε计算公式为：

其中，L为应变计标定系数(10^-6)，L直接存储于MCU中，f_o为应变计空载时初始频率读数，f_i为监测应变计荷载时实测频率读数(即为激励频率)。

温度的实时测量值T计算公式为：

其中，R_t为热敏电阻的阻值，R_t由图3中U和I计算得到，a＝1.4051×10^-3；-50℃<T<+150℃时，b＝2.369×10^-4，c＝1.019×10^-7。

对于不同类型的振弦式应变计，可通过测量应变计标定系数L、温度修正系数b和空载初始频率f_o的改变来确定应变值计算模型，从而进行计算模型的调整，不同类型振弦式应变计数据处理方法见图3。

(3)微控制芯片在得到修正后应变值后对数据打包进行SD卡存储与发送前的压缩，并利用无线传输单元提供的分布式无线网络进行点对点/点对多实时数据传输，对一个建筑或多个建筑上部署的多个不同类型的振弦式应变计采集器采集到的数据发送到分布式无线网络，最后由主控计算机进行建筑物的监控，如图4所示。

本实施例的数据采集系统充分利用各测量测绘单位现有的各种类型振弦式应变计，将数据实时测量、计算处理导出存储或发布到分布式无线网络中，同时确保数据传输的完整性、高效性，做到降低多传感器运行成本，减少现场作业的操作复杂度的效果，并保证不同类型的振弦式应变计采集数据的一致性。

本实施例的数据采集系统可解决以下问题：

1、可自动测量读取振弦式应变计的应变/应力数据，并进行数据处理，解决了采用人工读数仪读取并记录数据的问题。

2、可接驳埋入式、锚索式、喷射混凝土压力盒、弧焊型、钢索计等多种类型振弦式应变计，进行数据测量及处理，并进行数据的本地存储，同时发送至分布式无线网络，解决了不同类型的振弦式应变计需要采用不同的读数装置而带来的设备安装复杂且数据不一致问题。

3、可将不同类型的振弦式应变计的采集器接入分布式无线网络进行数据的传输，解决了多种类型的振弦式应变计实时数据传输问题。