结构健康监测的数据采集系统研究与实现

论文摘要

结构健康监测的数据采集系统主要用于岩土工程和其它水电工程的安全自动监测。通过对大坝和其它建筑物压力等参数的监测,起到预防灾害、辅助决策、节省人力、确保工程正常运行的作用。本设计中使用振弦式和电阻应变式传感器来进行健康监测。它们广泛应用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中。文中阐述了振弦式和电阻应变式传感器的工作原理和特点,对传感器误差的产生进行了分析,着力研究了减少和消除传感器的误差,提高精度的方法及其实现电路。设计的硬件电路分为七个部分:MCU、A/D转换、激振、信号调理、通讯接口、通道选择、温度调理。根据结构健康监测的数据采集系统的实际情况,选用P89C58X2FN芯片作为主处理器实现采集多路传感器数据和传输数据的功能。在温度调理方面,设计了一种基于比值采样原理的测量电阻电路,在不提高元件参数性能指标的情况下,大大提高了测量精度。在软件方面,编制的软件主要完成MCU的初始化配置、中断采样、以及传输数据等工作,为了增加软件的可读性和可移植性,采用C语言实现主程序和中断响应程序。我们采用了软件扫频激振技术实现激振单线圈振弦式传感器的新方法,它与传统的激振方法相比,具有激振可靠、激振频率可控、信号灵敏度高等优点。该系统样机在实验室进行了测试和试运行,对其中的激振模块、采集数据模块、通信模块工作状态进行了验证,并且利用Matlab软件对实验数据进行分析。测试结果表明,该系统运行稳定,满足结构健康监测的数据采集系统的要求,具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 结构健康监测数据采集系统发展概况
• 1.3 结构健康监测数据采集系统现状分析
• 1.4 论文的主要研究内容及本文所做的主要工作
• 第2章 传感器的工作原理和误差分析修正
• 2.1 电阻应变式传感器
• 2.1.1 电阻应变片的构造和类型
• 2.1.2 金属丝的应变电阻效应
• 2.1.3 电阻应变片的测量电路
• 2.1.4 电阻应变片横向效应误差分析和修正
• 2.1.5 电阻应变片的温度误差分析和修正
• 2.1.6 导线电阻引起的误差分析和修正
• 2.2 振弦式传感器
• 2.2.1 振弦式传感器的工作原理
• 2.2.2 双线圈振弦式传感器
• 2.2.3 电流激励型振弦式传感器
• 2.2.4 单线圈型振弦式传感器
• 2.2.5 振弦式传感器测量误差分析和修正
• 2.3 本章小节
• 第3章 硬件电路设计
• 3.1 系统总体方案设计
• 3.1.1 系统需求分析
• 3.1.2 系统整体方案
• 3.1.3 硬件部分设计方案
• 3.2 硬件电路设计
• 3.3 振弦式传感器激振电路设计
• 3.4 振弦式传感器测振电路设计
• 3.4.1 滤波放大的部分
• 3.4.2 信号整形部分
• 3.5 温度调理电路
• 3.5.1 恒流源电路
• 3.5.2 电压/频率转换电路
• 3.6 电阻应变式传感器测压电路设计
• 3.7 串行通信部分电路的设计
• 3.8 液晶显示单元设计
• 3.9 本章小节
• 第4章 软件实现
• 4.1 软件部分设计方案
• 4.2 下位机测量软件实现
• 4.2.1 单片机主程序实现
• 4.2.2 单片机中断程序实现
• 4.3 上位机与下位机通信软件实现
• 4.3.1 通讯过程
• 4.3.2 自定义报文格式
• 4.3.3 下位机中断方式通讯软件实现
• 4.4 本章小节
• 第5章 样机测试
• 5.1 激振部分测试分析
• 5.2 测频部分测试分析
• 5.3 串行通信测试分析
• 5.4 试验数据分析
• 5.4.1 拟合公式
• 5.4.2 试验数据拟合
• 5.4.3 误差分析和设计过程中抗干扰措施
• 5.5 本章小节
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间完成的论文和参与项目