本實(shí)用新型涉及一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測行業(yè)。

背景技術(shù)：

振弦式傳感器是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動、壽命長等特點(diǎn)。振弦傳感器已經(jīng)廣泛用于工程、科研的長期監(jiān)測項(xiàng)目中。振弦采集儀是用于采集振弦傳感器的儀器設(shè)備，主要由激振電路、信號采集電路、溫度采集電路、數(shù)據(jù)處理等部分組成。通常采集儀通過掃頻的激勵方法激勵振弦傳感器，激振后，采集電路采集感應(yīng)信號，并通過AD轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)通過計(jì)算得出信號的頻率。

振弦采集儀采集振弦傳感器時，需要先發(fā)送高壓激勵信號至振弦傳感器線圈，當(dāng)鋼弦起振后，采集電路拾取線圈感應(yīng)信號，計(jì)算傳感器頻率和信號幅值，從而完成一次振弦傳感器采集。振弦傳感器正常時，振弦采集儀發(fā)送的高壓信號經(jīng)過線圈，然后回到振弦采集儀，形成一個完整激勵回路。但是當(dāng)振弦傳感器異常時，此時振弦采集儀向振弦傳感器發(fā)送高壓激勵信號，可能會損壞振弦傳感器和振弦采集儀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述的問題，本實(shí)用新型專利提供了一種帶有診斷振弦傳感器功能的振弦采集儀，采集振弦傳感器時，可以在發(fā)送激勵信號前，先診斷振弦傳感器狀態(tài)，然后在進(jìn)行采集，避免發(fā)送的高壓信號對振弦傳感器和振弦采集儀產(chǎn)生損壞。

本實(shí)用新型為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，它包括振弦傳感器、信號調(diào)理電路、信號采集電路、STM32單片機(jī)系統(tǒng)、存儲電路、RTC時鐘電路、激勵電路、RS485通信模塊和振弦傳感器診斷電路；

信號調(diào)理電路和信號采集電路連接，信號采集電路與STM32單片機(jī)系統(tǒng)的IO口連接，STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過引腳控制激勵電路，并連接存儲電路，并通過I²C總線連接RTC時鐘電路；

RS485通信模塊與STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過串口控制器連接。

振弦傳感器診斷電路由光耦繼電器、信號繼電器、DC5V電源和電阻Ⅰ組成；

所述光耦繼電器控制診斷振弦傳感器時將DC5V電源連接到信號調(diào)理電路。

采集振弦傳感器時，STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制信號繼電器接入振弦傳感器，同時STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制光耦繼電器導(dǎo)通，導(dǎo)通后，DC5V電源可以經(jīng)過電阻Ⅰ連接到振弦傳感器，如果振弦傳感器異常，則DC5V電源經(jīng)過電阻Ⅱ和電阻Ⅲ形成回路，如果正常，DC5V電源則經(jīng)過電阻Ⅰ和振弦傳感器形成回路；

STM32單片機(jī)系統(tǒng)讀取電阻Ⅱ和電阻Ⅲ之間的電壓值，根據(jù)電壓值的不同，則可以判斷振弦傳感器的狀態(tài)。

采集的振弦傳感器的線圈電阻在180Ω~200Ω之間。

激勵電路由高壓模塊組成，高壓模塊由STM32單片機(jī)控制，可以輸出30V高壓，STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過IO引腳控制高壓模塊發(fā)送，當(dāng)要采集時，單片機(jī)控制高壓輸出，激勵振弦傳感器。STM32單片機(jī)系統(tǒng)可以選擇兩種不同的激勵方式，分別為共振激勵與多脈沖激勵，對于現(xiàn)場幅值信號比較弱的傳感器，可以選擇采用共振激勵的方式激勵，使傳感器產(chǎn)生共振，可以使傳感器線圈感應(yīng)較大的信號，便于采集。

信號調(diào)理電路由濾波電路和放大電路組成。傳感器采集時，振弦傳感器信號非常微弱，經(jīng)過濾波電路和放大電路后，首先將現(xiàn)場部分干擾信號濾除，然后將振弦傳感器感應(yīng)信號放大，使采集的信號滿足信號采集電路的輸入要求。信號采集電路采用16位獨(dú)立ADC，將傳感器輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

STM32單片機(jī)系統(tǒng)對輸入的數(shù)字信號處理，單片機(jī)內(nèi)置TTF算法，將信號采集電路輸入的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域。FFT計(jì)算完成后，得出振弦傳感器的頻率值與信號幅值。同時，STM32單片機(jī)控制外圍電路，采集振弦傳感器溫度，采集完成后，一次數(shù)據(jù)采集完成。

RS485通信模塊與STM32單片機(jī)系統(tǒng)通過串口控制器連接，振弦采集儀采集完成之后，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊，通過485總線上面的無線數(shù)傳設(shè)備DTU，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺存儲展示。

存儲電路采用32M存儲芯片組成，STM32單片機(jī)內(nèi)置小型文件系統(tǒng)，用于管理存儲數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)系統(tǒng)與存儲電路通過IO口引腳連接。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時，STM32單片機(jī)系統(tǒng)同時采集RTC時鐘的時間，采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊時，同時將數(shù)據(jù)保存在存儲電路中，保證數(shù)據(jù)的可靠性。存儲電路采用循環(huán)存儲方式，可以保存大量采集數(shù)據(jù)。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)原理：一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，主要由STM32單片機(jī)系統(tǒng)、激勵電路、信號調(diào)理電路、信號采集電路、存儲電路、電源電路、通信電路、RTC時鐘電路以及振弦傳感器診斷電路組成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)是使用STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)體積小，功耗低，工作在低功耗的情況下，工作電流只有50uA左右，單片機(jī)內(nèi)置資源多，方便單片機(jī)系統(tǒng)對各部分邏輯電路的控制。激勵電路采用30V高壓模塊，通過晶體管控制通斷，使其可以在采集振弦傳感器前對傳感器線圈激勵。信號調(diào)理電路包括濾波電路與放大電路，濾波電路可以使300Hz到5000Hz的信號正常通過。放大電路的作用是將微弱的振弦傳感器信號放大到信號采集電路可以識別的信號。存儲電路可以將數(shù)據(jù)存儲在本地，避免數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。通信電路由RS485組成，通過RS485芯片，可以將多通道振弦采集儀連接到現(xiàn)場485總線。RTC時鐘電路與STM32單片機(jī)系統(tǒng)連接，為振弦傳感器采集提供采集時間，電源管理電路由外部DC12V電源提供系統(tǒng)工作電源，并經(jīng)過電源管理模塊處理后，為系統(tǒng)的各個模塊提供電源管理。振弦傳感器診斷電路由DC5V電源、光耦繼電器、信號繼電器和若干阻容器件組成。當(dāng)采集振弦傳感器時，STM32單片機(jī)系統(tǒng)控制振弦傳感器診斷電路對振弦傳感器進(jìn)行診斷，如果判斷振弦傳感器正常，則進(jìn)行發(fā)送激勵信號操作，否則將停止采集。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型解決了結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測行業(yè)振弦采集儀采集時，振弦傳感器出現(xiàn)異常，可自動診斷振弦傳感器狀態(tài)，根據(jù)振弦傳感器診斷的結(jié)果進(jìn)行操作，避免了振弦采集儀發(fā)送激勵信號對振弦采集儀和振弦傳感器的損壞，提高了振弦采集儀的可靠性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型內(nèi)部電氣連接示意圖；

圖2振弦傳感器診斷電路示意圖。

具體實(shí)施方式

一種帶有振弦傳感器診斷的振弦采集儀，包括振弦傳感器1，信號調(diào)理電路2，信號采集電路3，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4，存儲電路6，RTC時鐘電路7、激勵電路9，RS485通信模塊8和振弦傳感器診斷電路5組成。

激勵電路9由高壓模塊組成，高壓模塊由STM32單片機(jī)控制，可以輸出30V高壓，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4通過IO引腳控制高壓模塊發(fā)送，當(dāng)要采集時，單片機(jī)控制高壓輸出，激勵振弦傳感器1。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4可以選擇兩種不同的激勵方式，分別為共振激勵與多脈沖激勵，對于現(xiàn)場幅值信號比較弱的傳感器，可以選擇采用共振激勵的方式激勵，使傳感器產(chǎn)生共振，可以使傳感器線圈感應(yīng)較大的信號，便于采集。

信號調(diào)理電路2由濾波電路和放大電路組成，傳感器采集時，振弦傳感器1信號非常微弱，經(jīng)過濾波電路和放大電路后，首先將現(xiàn)場部分干擾信號濾除，然后將振弦傳感器1感應(yīng)信號放大，使采集的信號滿足信號采集電路3的輸入要求。信號采集電路3采用16位獨(dú)立ADC，將傳感器輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

STM32單片機(jī)系統(tǒng)4對輸入的數(shù)字信號處理，單片機(jī)內(nèi)置TTF算法，將信號采集電路3輸入的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域。FFT計(jì)算完成后，得出振弦傳感器1的頻率值與信號幅值。同時，STM32單片機(jī)4控制外圍電路，采集振弦傳感器溫度，采集完成后，一次數(shù)據(jù)采集完成。

RS485通信模塊8與STM32單片機(jī)系統(tǒng)4通過串口控制器連接，振弦采集儀采集完成之后，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊8，通過485總線上面的無線數(shù)傳設(shè)備DTU，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺存儲展示。

存儲電路6采用32M存儲芯片組成，STM32單片機(jī)內(nèi)置小型文件系統(tǒng)，用于管理存儲數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4與存儲電路6通過IO口引腳連接。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時，STM32單片機(jī)系統(tǒng)同時采集RTC時鐘7的時間，采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485通信模塊8時，同時將數(shù)據(jù)保存在存儲電路6中，保證數(shù)據(jù)的可靠性。存儲電路6采用循環(huán)存儲方式，可以保存大量采集數(shù)據(jù)。

振弦傳感器診斷電路5由光耦繼電器10、信號繼電器13、DC5V電源11和電阻Ⅰ12組成。采集振弦傳感器1時，STM32單片機(jī)系統(tǒng)4控制信號繼電器13接入振弦傳感器1，同時STM32單片機(jī)系統(tǒng)4控制光耦繼電器10導(dǎo)通，導(dǎo)通后，DC5V電源11可以經(jīng)過電阻Ⅰ12連接到振弦傳感器，如果振弦傳感器1異常，則DC5V電源11經(jīng)過電阻Ⅱ14和電阻Ⅲ15形成回路，如果正常，DC5V電源則經(jīng)過電阻Ⅰ12和振弦傳感器1形成回路。STM32單片機(jī)系統(tǒng)4讀取電阻Ⅱ14和電阻Ⅲ15之間的電壓值，根據(jù)電壓值的不同，則可以判斷振弦傳感器1的狀態(tài)。