[實用新型]一種分布式無線同步組網的振動信號采集系統

有效

• 申請號: 201820595609.1
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN208765841U
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 王彤;闞伊妮
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

本實用新型實施例公開了一種分布式無線同步組網的振動信號采集系統，本實用新型涉及信號采集與數字信號處理領域，既能用于單節點測試任務，又能根據實際情況對大型結構進行多節點分布式同步組網測試。適用于大型結構振動信號測試。上述系統的方法包括：ICP傳感器的接口電路、信號耦合與隔離電路設計；STM32嵌入式處理器的ICP傳感器信號采集最小系統設計；基于Zigbee無線協議與GPS授時的多節點分布式同步組網采集功能設計；設計基于FIR數字濾波的SD卡高速隊列緩沖存儲機制。

技術領域

本實用新型涉及信號采集與數字信號處理領域，具體涉及基于嵌入式處理器的大型結構振動信號的調理、采集、數字濾波以及數據存儲技術。

背景技術

飛機、橋梁、動車等大型結構的多節點分布式振動測試，需要解決通道數量多、測點分散、多節點同步等問題，若使用常規的振動數據采集系統，需要使用足夠長的線纜，可能導致信號衰減，布線繁瑣，移動傳感器不便等諸多復雜工序。

近年來，研究人員已經開發出多種無線振動測試系統以克服有線系統的缺點。1998年，Straser和Kiremidjian開發了一種無線組合監控系統(WiMMS)用來降低大型結構現場測試的安裝成本和勞動強度。經過這一次的嘗試，各種無線振動測試系統的硬件、軟件平臺應運而生。2001年，由U.C.Berkeley大學研制，Corossbow公司生產的無線傳感器Mica節點，Mica系列節點包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2Dot和MicaZ等。Mica系列配置了更先進的存儲器和更快的微處理器，成為了當時最著名的無線振動測試節點。此后，英特爾開發了Imote2，它提供了更強的計算和通信能力。Imote2為節點組網應用提供資源的同時，還保證了高效的低功耗管理，并且此節點非常小型化。另外，密歇根大學開發了一種低成本的無線振動測試平臺Narada，它由嵌入式系統組成，主要應用于監測大型民用基礎設施系統。雖然這些無線振動測試系統已經顯現出了在對大型結構的振動模態測試和結構健康評估方面的巨大潛力，但仍然存在關鍵問題，如準確的時間同步還有待徹底解決。

實用新型內容

為了克服現有技術存在的問題，本實用新型實施例提供了一種針對大型結構的分布式無線同步組網的振動信號采集系統設計，既能用于單節點測試任務，又能根據實際情況對大型結構進行多節點分布式同步組網測試。

為達到上述目的，本實用新型的實施采用如下技術方案：

一種針對大型結構的分布式無線同步組網的振動信號采集系統，所述系統包括分布在各測點的ICP傳感器、耦合與調理電路、嵌入式處理器以及恒流源電源；其中，所述ICP傳感器檢測到的電信號發送給耦合與調理電路，經所述耦合與調理電路將電信號轉化為去除直流偏置分量的有效電信號，所述有效電信號發送給嵌入式處理器中，利用Zigbee無線協議與GPS授時技術，實現多節點分布式同步組網采集功能；所述恒流源電源為所述ICP傳感器供電。

進一步的，所述耦合與調理電路(如圖3所示)包括電容C1至C5、電阻R3至R11，兩個運算放大器；其中，電容C1、電阻R3構成的無源RC高通濾波器，利用OP07型運算放大器設計基于負反饋的電壓跟隨器，用于實現信號的交流耦合。

進一步的，所述嵌入式處理器其外圍功能電路包括電源電路、晶振電路、復位電路、啟動模式選擇電路、Zigbee模塊、GPS模塊、SD卡以及差分輸入型模數轉換器；其中，所述Zigbee模塊用于外部通信數據的傳輸，GPS模塊用于實現多模塊的同步組網功能；

所述SD卡用于采集信號的存儲，差分輸入型模數轉換器將經調理后的振動信號轉換為數字信號。

進一步的，所述高通濾波器截止頻率為第二運算放大器中，R3＝R5，R4＝R6，C2＝C3，輸入輸出特性如公式(3)所示，