具体实施方式

本发明的模块化高采样率无线结构应力应变测量系统如图1和图2所示，主要包括：服务器单元1、模块化应力应变测量拼接单元2和模块化电池拼接单元3，服务器单元用于处理应力应变数据、实时显示应力应变波形以及警示异常工作状态，电池单元用于在无固定电源时为系统供电，模块化应力应变测量拼接单元2分别测量材料应力应变信号，通过无线通信方式将测量数据发送至服务器单元。

模块化电池拼接单元3如图3-5所示，由模块化电池独立单元5组成，模块化电池独立单元5包括电池下壳6、正极圆形磁吸接头7、电池PCB板8、负极圆形磁吸接头9、蓄电池10、电池上壳11，如图4所示，电池下壳6及电池上壳11在螺钉孔的固定下形成中空容置空间，电池PCB板8通过螺钉的固定在电池下壳6上，正极圆形磁吸接头7、负极圆形磁吸接头9和蓄电池10焊接在电池PCB板8上，拼接使用时，只需要根据电池单元的数量要求正负极磁吸接头磁吸对接，磁吸接头设置在六面体电池壳体的六侧面的矩形中心位置，依次为正极、负极、正极、负极、正极、负极交替。

如图6-8所示，模块化应力应变测量拼接单元2由模块化应力应变测量独立单元4组成，模块化应力应变测量独立单元4包括应力应变测量单元下壳12、应力应变测量单元PCB板13、圆形磁吸接头14、BLE无线通讯模块15、SD储存卡模块16、单片机17、A/D转换模块18、应力应变测量单元上壳19、导线20、应变片21和温度补偿电路。应力应变测量单元下壳12及应力应变测量单元上壳19在螺钉的固定下形成中空容置空间，应力应变测量单元PCB板13通过螺钉固定在应力应变测量单元下壳12上，应力应变测量单元PCB板13上设置有圆形磁吸接头14、BLE无线通讯模块15、SD储存卡模块16、单片机17和A/D转换模块18。电源接口采用圆形磁吸接头14，应变片21与A/D转换模块18通过导线20相连，BLE无线通讯模块连接单片机的通讯端口，SD卡单元连接所述单片机的存储端口，温度补偿电路采用四枚应变片正交搭桥的方法以解决应变片所受的温度影响问题，如图9所示。A/D转换模块可以选用HX711、ADS256、AD7190等，应变片由Φ＝0.02-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制成的120欧或350欧电阻应变片，应力应变测量单元壳体由3D打印材料，如类ABS、树脂、尼龙等材料，减轻重量降低成本。模块化应力应变测量拼接单元2的壳体为六边形的八面体，且在六个侧面矩形中心有一个圆形磁吸电源接口，正负圆形磁吸接头相邻分布，相邻电池单元通过圆形磁吸接头正负极对接实现并联。磁吸接头可使连接紧固，在各系统单元进行拼接时，可起定位作用，并且磁吸接头有防水防尘作用，即使在尘土或水中连接，依然能稳定传递电能。应力应变测量单元的供电方式有两种，一种为固定电源为其供电，一种为电池单元供电，即可移动的电源。二者电能输出口接头均可选用圆形磁吸接头，通过圆形磁吸接头将电源电能传输给系统。

本发明中，服务器单元是通过USB HUB扩展器将BLE无线通讯单元15实现与应力应变测量单元无线传输。服务器单元1可以是树莓派微型计算机、工控机或计算机。使用时，数据处理方式多元化，为开放式的，可自行选择信号的处理方式。

上述系统进行组网的过程中，服务器单元1和应力应变测量单元2间采用的通讯方式为BLE无线通讯方式，系统的组网、运行方法如下：

1.系统BLE通讯初始化。系统只需组网第一次时初始化(配对)，以后每次应力应变测量时，配对的BLE对都可以自动连接：

1)选用BLE无线通讯单元。BLE的型号可选用不同种类，选择同种型号更优。使用的BLE协议须4.0以上，传统蓝牙是非低功耗蓝牙，故本套系统选择BLE 4.0以上更优。

2)BLE设置。

服务器单元端：服务器单元连接USB HUB，使得服务器单元具备多个USB端口。BLE无线通讯单元通过USB转TTL方式连接到服务器单元USB端口上，生成一个串口及串口号。对其信息：如密码、名字等进行设置，其中，名字设成与各自应力应变测量单元1对应的名称AN(N＝1、2…n)。将该BLE无线通讯单元设置为主设备模式。

应力应变测量单元端：同上步，对BLE的信息进行设置，将应力应变测量单元按顺序依次命名为AN(N＝1、2…n)，将该BLE无线通讯单元设置为从设备模式。

3)将服务器单元端和应力应变测量单元端BLE无线通讯单元配对。将两端BLE无线通讯单元分别通电。在服务器单元端搜索周围的BLE无线通讯单元从设备(从设备可通过预先设好的名字进行区分)，将搜索到的各个从设备与对应的BLE无线通讯单元主设备进行配对、连接。将配对信息保存到BLE无线通讯单元的主设备中，以便下次主从设备在从上电时可自动连接。

4)根据以上步骤将所有应力应变测量单元和服务器单元端的BLE通讯配对。

2.应力应变测量数据。启动系统，BLE陆续连接成功后，组网完成。应力应变测量单,2通过BLE协议无线实时传输，服务器单元1进行实时显示和存储，服务器单元1端可对应力应变测量数据进行实时FFT、取得频域数据。得到处理数据后，进行相应处理，如当振动数据频域幅值超过某阈值说明被测物体振动加剧，显示警告。

3.应力应变测量单元故障处理。当有应力应变测量单元某些端口故障时，如应力应变测量错误，应力应变测量单元向服务器单元发出应力应变测量点名称(如A1-1表示应力应变测量单元1A1的第一个应力应变测量点)和应力应变测量端口错误数据，服务器单元根据记录应力应变测量错误，提示警告。

4.应力应变测量数据冗余备份。为了提高可靠性，将数据存储到SD卡上作为冗余备份。

5.新的应力应变测量单元接入。如果加入新的拼接单元，将新的应力应变测量单元进行物理拼接，然后使用步骤1将其BLE对进行初始化。如果加入新的独立单元，使用步骤1使其BLE对初始化。配对连接成功后，新的应力应变测量单元完成入网。

本发明还提供了一种应力应变测量方法，基于上述任意一项所述的模块化高采样率无线结构应力应变测量系统实现，包括以下步骤：

S1、根据使用要求，将应变片粘贴在待测量材料；

S2、对应变片应力应变测量到的模拟量进行A/D转换，转换后的数据送到单片机进行处理；

S3、启动系统，BLE陆续连接成功后，组网完成，测量单元通过BLE协议无线实时传输应力应变测量数据，同时服务器单元进行实时显示和存储；

S4、测量数据冗余备份，将测量数据存储到SD卡上；

S5、判断有加入新的模块化应力应变测量独立单元时，将新的模块化应力应变测量独立单元进行物理拼接后，对其BLE对进行初始化，配对连接成功后，新的模块化应力应变测量独立单元完成入网。

下面通过一个具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。

本实施例系统整体所占空间较小，易于部署。其中应力应变测量单元的体积很小，如图7所示，其尺寸为60mm的六边形高24mm的八面体。而且本套系统在传输数据的过程中，既能满足高速率的传输数据，又能做到功耗很低。具体地：

1.应力应变测量单元电子元件的选取：

单片机：目前市场上流行的单片机有很多种，例如：ATM32、MSP430、PIC、AVR等等。对于本系统来说采用基于AVR的arduino nano更优，其他单片机亦可。

应变片：应变片有电阻应变片和光学应变片两中，本系统可选用电阻应变片，阻值为120欧和350欧。本实例以每个应力应变测量单元具有四个电阻应变片为例。

A/D转换模块：当前可选用的高频率ADC有很多种，对于本系统选用ADS256模块更有，较差的条件下选用HX711模块也可以。

电源接口：当前市场上流行的电子接头样式颇丰，对于本系统采用磁吸接头更优。

储存数据单元：储存数据的单元可根据储存能力和体积选择，对于本系统选用miniSD卡更优。

电池单元的电池：当前电池的型号和电容量有很多种，本系统选用电池为18650型号的电池更优，也可选用其他型号的电池。该电池的电容量选择3200mAh，相比与其他电池有效的增加了电池单元的电容量。

2.如图1所示，基于所提出的系统组建方法，将各应力应变测量单元根据测量数量的要求进行拼接，然后与电池单元拼接成的电池拼接单元和电源单元进行拼接，启动服务器单元，接好USB HUB，将BLE无线通讯单元主设备插在USB HUB上。将各个BLE无线通讯单元进行初始化设置(具体初始化步骤参照前面所述)，BLE无线通讯单元主设备在服务器单元端生成各自的串口及串口号，通过选择串口接收数据。

3.应力应变测量拼接单元和电池拼接单元连接如图2所示，各个应力应变测量拼接单元接电方式如图6所示，各应力应变测量拼接单元通过并联的方式连接到电池拼接单元上。各单元通过磁吸接头相连，构成系统电路的通路。

4.如图7-8所示，系统运行时，每个采样单元的Arduino nano同时控制各自单元的4个应变片对测量点进行应力应变测量，将应力应变测量的数据储存在SD卡单元中，同时BLE无线通讯单元(从设备)将数据以高采样率(如500HZ)发送服务器单元处的BLE无线通讯单元(主设备)。服务器单元通过USB HUB接收数据。

5.服务器单元将各个应力应变测量单元应力应变测量的数据根据串口号(如com1)和对应的应力应变测量点号(如A1-1)进行实时显示和存储，服务器单元端通过对应力应变测量数据进行实时FFT、取得频域数据。得到处理数据后，通过程序，实时绘制出各个应力应变测量点的波形图。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。