一種基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置的製作方法

2023-05-04 03:38:11

本發明涉及一種應用電阻式應變片實現應變信息檢測裝置，尤其是一種利用無線跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置及其跳頻擴頻通信方法。

背景技術：

隨著德國「工業4.0」和「中國製造2025」戰略的相繼提出，對製造業中的諸多機械設備的安全可靠性提出了更高要求。像輸電線路鐵塔、液壓支架、大型龍門吊、大型鐵索橋等基礎設施關乎生產、民生大計，對其狀態進行長期有效可靠地監測與處理對安全隱患的排查顯得至關重要。現有對於機械設備的監測主要是將應變片貼附於待檢測的部件表面，然後通過引線連接至應變儀，應變片與其內部電路構成應變電橋，根據應變片的電阻應變效應來測取檢測點的應力變化。

在實際情況中，對各種設施設備進行應變監測存在如下問題，由於待檢測部件的應力檢測點數量龐大，通過引線的方式接入應變儀，需要進行複雜的接線工作；不同的應變測試場合，要求的應變靈敏度有所不同，應變儀需針對不用的應變測試場合設置複雜的電路來進行匹配，操作繁瑣複雜；受制於應變儀的採樣通道數量，應變檢測點會大大減少。因此需要開發一種方便靈活的裝置並尋求一種可靠的傳輸方法對檢測點進行應變檢測。

現有技術，「一種多通道微應變數據採集系統用無線交互單元」發明專利，公開了檢測領域的一種多通道微應變數據採集系統用無線交互單元，其位於多通道微應變數據採集系統的各監測點上，包括模擬開關集成電路、ZigBee通信模塊、RS232通信模塊、用於GPRS遠程通信的DTU模塊和微處理器。該無線交互單元的無線通信方式有兩種，這兩種方式通過模擬開關集成電路進行切換。一種通過ZigBee通信模塊進行近距離無線組網實現數據交互，另一種通過RS232和DTU模塊以GPRS的方式與遠程監測站進行遠程數據交互。但是該多通道微應變數據採集系統，並不涉及應變採集電路，僅僅通過引入無線通信方式來實現應變數據的無線傳輸，並沒有在無線傳輸的可靠性上進行詳細敘述。

現有技術「微應變檢測器無線傳輸模塊」 發明專利，公開了一種微應變檢測器無線傳輸模塊，包括微應變檢測器與接收模塊，微應變檢測器與接收模塊是以藍牙作為無線信號傳輸媒介，接收模塊自動匹配不同感測單元的數據傳輸次序。但該發明所述的無線傳輸模塊並沒有詳細說明其應變的採集電路以及在藍牙無線傳輸受阻狀態下的數據傳輸恢復能力。

現有技術「金屬結構智能動態應變遙測裝置」 發明專利，公開了一種金屬結構智能動態應變遙測裝置，其包括設置在起重機上的多個應變計和無線應變採集節點、無線參數採集節點和遠程主機。該發明採用TDC技術實現應變信號的採集，無線應變採集節點和無線參數採集節點與遠程主機是通過內置於無線節點中的GPRS/DTU模塊來實現數據無線傳輸，利用了GPRS公網硬體。但是該發明所述的金屬結構智能動態應變遙測裝置採用TDC技術檢測應變，檢測靈敏度固定，應變檢測實用範圍較為局限，而且數據無線傳輸受制於GPRS公網硬體設施。

現有技術「一種應變採集電路系統及應變採集方法」發明專利，公開了一種應變採集電路系統及應變採集方法。該系統包括恆流源電路、橋路配置電路、硬體調平電路、放大調理電路和AD採集電路。該專利的主要創新點在於其硬體調平有效的零偏校正方法和橋路匹配電路的靈活性。該發明雖然具有橋路匹配的靈活特點，但是創新性還是局限於應變採集電路的設計上，並沒有提出一種應變數據對外傳輸的有效方法。

上述現有技術中，無線應變傳感裝置在使用靈活性和無線傳輸可靠性上仍存在一定的不足之處。因此，需要開發一種應變檢測電路靈活可調、無線通信穩定可靠的無線應變傳感裝置，使之不僅能夠匹配不同類型的應變片，適用於不同靈敏度的應變檢測場合，而且能夠以一種可靠的無線傳輸方式實現應變數據的無線遠距離傳輸。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提供一種基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置，以解決針對不同的應變靈敏度檢測場合所需的無線應變檢測電路匹配問題。同時，採用無線跳頻擴頻的通信方式，一方面，增加了通信帶寬，提高了其抗幹擾能力和抗衰落、多徑幹擾能力，可使其應用於各種複雜環境；另一方面，根據無線通信載波監聽的特點，建立通信握手機制，設置特殊的無線數據幀，提高無線通信的可靠性和穩定性，降低了無線發射模塊的功耗。

本發明的目的是通過如下措施來達到。

一種基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置，包括鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路、多種橋路選通電路、信號調理電路、CPU晶片及外圍電路、無線發射模塊電路；其特徵在於：將所述鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路、多種橋路選通電路、信號調理電路、CPU晶片及外圍電路和無線發射模塊電路集成於一體，構成跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置，用於檢測受力物應變數據；

所述鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路是用於所述無線應變傳感裝置中各模塊電路的供電；

所述多種橋路選通電路是用於不同應變測量場合所需電橋橋路的選擇和橋路零飄校調；

所述信號調理電路是用於檢測到的微弱應變信號放大、濾波和跟隨處理；

所述CPU晶片及外圍電路是用於信號調理電路輸出模擬信號的AD轉換、數據高級處理以及和無線發射模塊之間的通信連接；

所述無線發射模塊電路是用於應變數據的無線調製和發射，與無線接收模塊實現無線跳頻擴頻通信。

進一步的，上述裝置的附加技術特徵如下。

所述鋰電池輸出電壓是12V，該電壓經電壓轉換晶片BA033T和BA05T構成的電壓轉換電路，分別轉換為3.3V和5V，並穩壓輸出，向各功能模塊供電。

所述多種橋路選通電路，通過選撥兩個撥碼開關來實現包括半橋單臂電橋、半橋雙臂電橋和全橋的選通，用於不同靈敏度要求的應變測量場合。

所述CPU晶片是片上系統級晶片C8051F020，無線發射模塊的處理核心為挪威DORNIC公司的無線數傳晶片nRF905；二者通過SPI通信方式進行數據傳輸和控制命令的讀寫，完成應變數據的轉換和發送。

上述一種基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置，跳頻擴頻通信方法是應用於無線應變收發模塊之間通信方法，所述通信方法如下：

所述無線應變收發模塊是以C8051F020和nRf905無線收發晶片構成硬體支持，無線應變收發模塊之間基於載波監聽多點接入/碰撞避免CSMA/CA協議，採用DATA/ACK兩次握手機制進行無線通信，無線通信數據幀包括應變數據幀DATA和數據確認幀ACK；

所述應變數據幀和數據確認幀格式的特徵在於：

DATA：目的地址+源地址+66H+data+timed+ index_ch；

ACK：目的地址+源地址+77H+timef+ index_ch；

其中，timed表示無線接收模塊接收DATA幀的處理時間，timef表示預估等待時間，即發送模塊在接收ACK後進入下次發送模式的睡眠時間，index_ch表示通信信道索引號；

所述無線收發晶片nRF905工作於433MHz頻段，採用4個信道進行通信，分別為初始信道427MHz（0）和備用信道431MHz（1）、435MHz（2）、439MHz（3），其中0，1，2，3分別為信道索引號，無線收發模塊上電後均工作於初始信道0，在通信失敗或者受到幹擾時則進行信道跳轉。

進一步的，上述方法的附加技術特徵如下。

所述無線通信的過程是無線發射模塊在初始信道0偵聽到信道空閒時，先向無線接收模塊發送應變數據幀DATA，無線發射模塊開始預設時間計時，同時進入接收狀態；無線接收模塊在初始信道0檢測到同頻信號後，將接收數據進行CRC校驗，校驗正確後提取並存儲DATA幀中的應變數據data，然後開始轉跳計時，同時發送數據確認幀ACK給無線發射模塊；如果無線發射模塊在預設時間timep內接收到ACK幀，預設時間計時停止且清零，此時根據ACK中的預估等待時間timef進入睡眠狀態，等待時間到後自我喚醒進入發送狀態；如果無線發射模塊在預設時間timep內沒有接收到ACK幀，則再發送一次DATA幀，如果在timep內仍未收到ACK幀，則按照信道0-3-1-2-0的規律轉跳於備用信道；而無線接收模塊在等待轉跳時間timej後仍未收到DATA幀，也按照信道0-3-1-2-0的規律轉跳於備用信道，之後重複上述通信過程。

所述timep> 2×timed ，timej=2×timep+ timed ，timep< timef 2×timed ，timej=2×timep+ timed ，timep< timef < timej。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作出進一步的說明。

如附圖1所示，一種基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置，該裝置包括鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路、多種橋路選通電路、信號調理電路、CPU晶片及外圍電路、無線發射模塊電路，併集成於一體，構成無線應變傳感裝置。

如附圖2所示，實施本發明所提供的一種鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路是用於整個裝置中各模塊電路的供電，該電路包括12V穩壓輸出電路，該電壓用於部分調理電路供電；12V轉5V轉換電路和穩壓電路，穩壓輸出5V，該電壓用於三種電橋的供電；12V轉3.3V轉換電路和穩壓電路，穩壓輸出3.3V，該電壓用於CPU和無線發射模塊的供電。

如附圖3所示，實施本發明所提供的一種多種橋路選通電路可用於不同的應變靈敏度檢測場合，通過撥碼開關S1和S2的開關簡單切換實現半橋單臂電橋、半橋雙臂電橋和全橋的切換；在橋路選好後，可通過平衡可調電阻實現應變片未受力狀態下的零飄校調。

其中，多種橋路選通電路包括：6位撥碼開關S1、S2，半橋單臂電橋、半橋雙臂電橋和全橋，第一電阻，第二電阻，第三電阻，第四電阻，第一平衡可調電阻、第二平衡可調電阻、第三平衡可調電阻，工作補償片，第一工作應變片，第二工作應變片，第三工作應變片，第四工作應變片，第五工作應變片，第六工作應變片，第七工作應變片。

撥碼開關S1的1、2、3左側引腳相連引出端子a， 4、5、6左側引腳相連引出端子b， S1的1、4右側相連引出端子c，2、5的右側相連引出端子d，3、6的右側相連引出端子e；ab端接入5V穩壓輸出，cd端接至半橋單臂電橋的供電端，ce端接至半橋雙臂電橋的供電端，de端接至全橋的供電端。

撥碼開關S2的1、2、3、4、5、6左側各自引腳分別引出端子f、g、h、i、j、k，S2的1、3、5右側引腳相連引出端子l，S2的2、4、6右側引腳相連引出端子m，端子l、m接入調理電路。

S1的1、5開關撥至右側，即可完成半橋單臂電橋的選通；S2的1、2開關撥至右側，即可完成半橋單臂電橋與調理電路的連通，此時無線應變傳感裝置的應變檢測靈敏度為Us/4。

半橋單臂電橋左側橋臂為350Ω的第一電阻和第二電阻，右側橋臂分別為350Ω的工作應變片和補償應變片，工作應變片貼附於被測物件表面，補償應變片貼附於與被測物件同材料的補償塊表面。第一電阻和第二電阻公共端連接至S2的端子g，同時與第一平衡可調電阻可調端相連，第一平衡可調電阻固定端分別連接至cd端，第一電阻和第一工作應變片公共端連接至端子c，第一工作應變片與工作補償片公共端連接至端子f，第二電阻和補償應變片公共端連接至端子d。

S1的1、6開關撥至右側，即可完成半橋雙臂電橋的選通；S2的3、4開關撥至右側，即可完成半橋雙臂電橋與調理電路的連通，此時無線應變傳感裝置的應變檢測靈敏度為Us/2，靈敏度為半橋單臂電橋的2倍。

半橋雙臂電橋左側橋臂為350Ω的第三電阻和第四電阻，右側橋臂分別為350Ω的第二工作應變片和第三工作應變片，第二、第三工作應變片貼附於被測物件表面相同位置。第三電阻和第四電阻公共端連接至S2的端子i，同時與第二平衡可調電阻可調端相連，第二平衡可調電阻固定端分別連接至ce端，第三電阻和第二工作應變片公共端連接至端子c，第二、第三工作應變片公共端連接至端子h，第四電阻和第三工作應變片公共端連接至端子e。

S1的3、5開關撥至右側，即可完成全橋電橋的選通；S2的3、4開關撥至右側，即可完成全橋與調理電路的連通，此時無線應變傳感裝置的應變檢測靈敏度為Us，靈敏度為半橋單臂電橋的4倍。

全橋各橋臂為350Ω的第四、第五、第六、第七工作應變片，均貼附於被測物件表面相同位置。第六、第七工作應變片公共端連接至S2的端子k，同時與第三平衡可調電阻可調端相連，第三平衡可調電阻固定端分別連接至de端，第四、第七工作應變片公共端連接至端子d，第四、第五工作應變片公共端連接至端子j，第五、第六工作應變片公共端連接至端子e。

如附圖4所示，實施本發明所提供的一種信號調理電路用於應變片檢測的微弱應變信號的放大、濾波和跟隨處理。調理電路的放大增益為75倍，濾波通頻帶截止頻率為50Hz。

其中，AD620構成的一級差分放大電路，該電路的放大增益取決於增益電阻R6，該電路的輸入端各加入了一階RC濾波電路，濾波通帶截止頻率為50Hz。

OP07構成的是1.5倍增益的二階低通濾波電路，電路增益由R4和R3決定，低通濾波截止頻率由R7、R8、C2、C3決定。濾波電路的輸出直接連接LM358構成的電壓跟隨電路，起隔離緩衝作用，並提高其帶載能力。電壓跟隨電路的輸出直接連接CPU的模擬量採集引腳。

所述CPU為片上系統級晶片C8051F020，CPU晶片及其外圍電路用於信號調理電路輸出模擬信號的AD轉換、電壓數字量到應變數字量的轉換以及CPU與無線發射模塊之間的通信連接。經過CPU處理後，反應應變的電壓模擬量信號轉換為對應的應變數字量，通過SPI通信將應變數字量發送給無線發射模塊，最終經無線發射模塊核心nRF905調製後通過天線以中心頻率為433MHz的電磁波將信號發射出去。

上述基於跳頻擴頻通信的橋路可調式無線應變傳感裝置的跳頻擴頻通信方法如下：

設置無線發射模塊和接收模塊工作於初始信道0；

無線發射模塊先通過偵聽空閒信道後，發射應變數據幀DATA，然後進行預設時間計時，同時進入無線接收狀態；

無線接收模塊在初始信道0檢測到同頻信號後，將接收數據進行CRC校驗，校驗正確後提取並存儲DATA幀中的應變數據data，然後進入轉跳計時，同時發送數據確認幀ACK給無線發射模塊；

如果無線發射模塊在預設時間timep內接收到ACK幀，預設時間清零，此時根據ACK中的預估等待時間timef進入睡眠狀態，等待時間到後自我喚醒；

如果無線發射模塊在預設時間timep內沒有接收到ACK幀，則再發送一次DATA幀，如果在timep內仍未收到ACK幀，則按照信道0-3-1-2-0的規律轉跳於備用信道；

而無線接收模塊在等待轉跳時間timej後仍未收到DATA幀，也按照信道0-3-1-2-0的規律轉跳於備用信道，之後重複上述通信過程。

以下基於附圖舉一個具體實施例，對本發明作進一步詳細描述。

附圖1所示為本發明實施例橋路可調式無線應變傳感裝置結構示意圖，該裝置包括：鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路、多種橋路選通電路、信號調理電路、CPU晶片及外圍電路、無線發射模塊電路。

其中，鋰電池輸出電壓轉換及穩壓電路，提供該裝置電路中所需的數字電壓12V、5V、3.3V，模擬電壓3.3V；多種橋路選通電路中的第一、二、三、四電阻為350Ω的精密電阻，三種橋路外接的工作應變片和補償應變片的應變電阻為350Ω；平衡可調電阻的電阻範圍0-10kΩ；調理電路中增益電阻R6設置為1kΩ，差分放大電路的放大增益為50倍；二階低通濾波電路中R4為20 kΩ，R3為10 kΩ時，放大增益為1.5倍，當R7為7.87 kΩ、R8為14.7 kΩ、C2為0.47μF、C3為0.22μF時，低通濾波截止頻率為50Hz。所以整個調理電路的放大增益為75倍，低通濾波截止頻率為50Hz。

如附圖3所示，當撥碼開關S1的1、5開關撥至右側，即可完成半橋單臂電橋的選通，S2的1、2開關撥至右側，即可完成半橋單臂電橋與調理電路的連通，這樣半橋單臂應變電橋就與調理電路、CPU以及無線發射模塊構成應變的無線檢測電路，此時無線應變傳感裝置的應變檢測靈敏度為Us/4。其中，半橋單臂電橋中外接的工作應變片貼附於被測物件表面，而外接的補償工作片貼附於和被測物件相同材料的補償塊表面。

在初始上電後，先通過調節平衡可調電阻，在無線接收端進行應變的調零校準，以消除零飄造成的誤差。

待校準完後重新上電，如附圖5所示，無線應變傳感裝置先工作於初始信道0，與無線接收模塊以應變數據幀DATA和數據確認幀ACK進行無線數據交互；所圖6所示，當通信交互失敗或者受到同頻信號的幹擾時，無線應變傳感裝置和無線接收模塊根據對應的時序以信道0-3-1-2-0的轉跳規律進行跳頻擴頻通信。

綜上所述技術方案的實施，其特點在於本發明提出了一種橋路可調式無線應變傳感裝置和無線跳頻擴頻通信方法，一方面，實現了半橋單臂電橋、半橋雙臂電橋、全橋的應變橋路的靈活切換，可以適應不同靈敏度的應變檢測要求，簡化了應變檢測電路，縮小了硬體電路的體積，降低了功耗；另一方面，跳頻擴頻的無線通信方式，自適應完成數據在幹擾或者多次通信失敗後的跳頻通信，增強了數據無線通信的抗擾性，同時，帶有時間約束的特有數據幀，大大降低了無線應變傳感裝置不必要的空閒信道偵聽功耗。本發明為應變的無線檢測提供了一種靈活可靠的方法，不僅縮小了傳感裝置體積，而且提高了無線應變檢測的可靠性和靈活性。