大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)

大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

數(shù)據(jù)采集技術(shù)主講：張廣遠2014.05提綱：大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的和意義大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的主要傳感器大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和處理數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

傳感器調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CPU顯示測試系統(tǒng)方框圖X

測量系統(tǒng)的基本特性是指測量系統(tǒng)與其輸入、輸出的關(guān)系。靜態(tài)特性動態(tài)特性輸入信號x(t)不隨時間變化

輸入信號x(t)

隨時間變化

分類

2.傳感器的分類：按被測量的性質(zhì)分類機械量位移、力、速度、加速度、重量等；熱工量溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；化學(xué)量濃度、粘度、濕度、氣體的組分、液體的組分等；光學(xué)量光強、光通量、輻射能量等；生物量血糖、血壓、酶等；按輸出量的性質(zhì)分類電參數(shù)型傳感器：輸出量為電參量，如電阻式、電感式和電容式電量型傳感器：輸出量為電量，如熱電式、壓電式、磁電式等。按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型如熱電偶、光電池等。能量控制型如R、L、C電參數(shù)型傳感器。智能傳感器帶有微處理器的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。如智能式壓力傳感器等。大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常用傳感器：應(yīng)變片、加速度計、溫度等

1保證傳感器的性能指標傳感器電路應(yīng)具有準確度(精度)高、反應(yīng)快、可調(diào)性、可靠性和經(jīng)濟性強等特點。(1)準確度(精度)

具有足夠的精度是傳感器準確測量被測對象狀態(tài)或參數(shù)的重要基礎(chǔ)。為滿足精度要求，電路應(yīng)具備下列性能：①低噪聲與高抗干擾能力：對前置放大有要求②低漂移、高穩(wěn)定性③有合適的通頻帶：不失真④線性⑤有合適的輸入與輸出阻抗：電路的輸入阻抗與前級的輸出阻相匹配(2)響應(yīng)速度

實時動態(tài)檢測要求傳感器電路有良好的頻率特性、較高的響應(yīng)速度。

信號調(diào)理電路的設(shè)計原則信號調(diào)理電路的設(shè)計原則(3)可調(diào)整性

能以同一電路適應(yīng)不同的同類傳感器，即要求電路的量程或增益可調(diào)，且可調(diào)范圍大、操作方便。同時希望電路有簡單的數(shù)據(jù)處理功能。(4)可靠性

傳感器電路的可靠性必須滿足使用要求。電路可靠性的基礎(chǔ)是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情況下，電路元器件越多可靠性越低，因此，簡化電路結(jié)構(gòu)是提高可靠性的有效辦法。(5)經(jīng)濟性

在滿足性能要求的前提下，盡可能地簡化電路，合理設(shè)計電路和選用元器件，以獲得好的性價比。另外，實現(xiàn)低功耗是一個重要的考慮因素。

2根據(jù)傳感器輸出參量類型進行信號轉(zhuǎn)換(1)電阻型

敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化。如溫度傳感器的鉑電阻，熱敏電阻；電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變片。電路的作用：將電阻變化轉(zhuǎn)換為易測的電參數(shù)，如電橋?qū)㈦娮枳儞Q成電壓或電流輸出；振蕩電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成頻率。(2)電容型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為電容變化。如電容式線位移、角位移傳感器；電容式液位計等。電路的作用：將電容量的變化轉(zhuǎn)換為易于處理的電壓或電流信號，或通過振蕩電路轉(zhuǎn)換成頻率信號。

(3)電感型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。如電感式線位移、角位移傳感器，電感式壓力傳感器。電路的作用：將被測量變化引起的電感量變化變換為易處理的信號形式，如采用電感電橋?qū)㈦姼凶兓儞Q成電流或電壓變化；用振蕩電路將電感變化轉(zhuǎn)換成頻率變化。(4)互感型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為互感的變化。如差動變壓器式傳感器，電渦流式傳感器等。電路的作用：將互感量或互感電勢的變化，轉(zhuǎn)換為易于處理的壓或電流變化，也可將互感變化引起的電感量變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率變化。

(5)電壓

(電勢)型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為電壓或電勢變化。如熱電偶，光電池；霍爾元件等。電路的作用：將微弱電勢或電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強電壓或電流變化。(6)電流型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換為電流變化。如光敏二極管等。電路的作用：將由傳感器輸出的微弱電流進行放大，變換成較強的電壓或電流。(7)電荷型

傳感器敏感元件將被測量轉(zhuǎn)換成輸出電荷的變化。如壓電式傳感器，紅外熱釋電元件等。電路的作用：將電荷的變化轉(zhuǎn)換為較強的電壓或電流輸出，這種電路通常稱之為電荷放大器。

(8)脈沖(數(shù)字)型

傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成脈沖序列或數(shù)字信號。其輸出的數(shù)字信號分三類：①增量碼信號：特點是被測量與傳感器輸出信號的變化周期數(shù)成正比，即輸出量值大小由信號變化的周期數(shù)的增量決定。如光柵、磁柵等測位移的傳感器。②絕對碼信號：一種與被測對象狀態(tài)相對應(yīng)的信號。如碼盤，每一個角度方位對應(yīng)于一組編碼，這種編碼稱絕對碼。絕對碼信號抗干擾能力很強。③開關(guān)信號：只有0和1兩個狀態(tài)，可視為絕對碼只有一位編碼時的特例。如行程開關(guān)、光電開關(guān)的輸出信號。電路的作用：對于脈沖序列輸出，進行脈沖計數(shù)并轉(zhuǎn)換所需的信號形成；對于編碼信號，將編碼輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號。3傳感器常用調(diào)理電路電橋作用：檢測電阻分量，常用作電阻型傳感器輸出調(diào)理電路

Z1,Z2,Z3,Z4為四個橋臂阻抗。A，C兩端接電壓源，則在B，D兩端輸出不平衡電壓UBD分別為：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2恒壓源供電：恒流源供電：3傳感器常用調(diào)理電路Z0±ΔZ電源Z0±ΔZ電源ABCZ0Z0Z0DUUZ0±ΔZABCZ0Z0Z0

ΔZD電源ABCZ0±ΔZZ0ΔZZ0ΔZDU單臂電橋：將電橋的一個橋臂阻抗接電參數(shù)型傳感器的變換器(Z0±ΔZ)，其余三個臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，差動半橋：兩個橋臂與電參數(shù)型傳感器的兩個差動變換器相接，則構(gòu)成差動半橋，即兩個橋臂阻抗發(fā)生差動變化(Z0±ΔZ，Z0ΔZ)其余兩個臂的阻抗均恒定Z3=Z4=Z0，

差動全橋：四個橋臂阻抗均為電參數(shù)型傳感器的四個差動變換器，且四個橋臂阻抗發(fā)生差動變化(Z0±ΔZ，Z0ΔZ，Z0±ΔZ，Z0ΔZ)前置放大器

一般，經(jīng)敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還伴有較高共模電壓，因此需要進行信號放大和阻抗變換。傳感器對信號放大電路的一般要求如下：（1）輸入阻抗遠大于信號源內(nèi)阻。否則負載效應(yīng)造成測量誤差，內(nèi)阻不是常數(shù)的測量場合，所測誤差無法補償。（2）抗共模電壓干擾能力強。共模電壓來源除轉(zhuǎn)換信號輸出所含共模電壓以外，還有環(huán)境造成的共模干擾。（3）在頻帶寬度內(nèi)增益穩(wěn)定、線性度好，漂移和失調(diào)小，信噪比高。（4）便于增益調(diào)整。增益調(diào)整時放大性能不降低，以及便于量程切換、極性自動變換等。針對傳感器信號輸出特點的常用放大器：測量放大器、可編程增益放大器和隔離放大器等。前置放大器1.測量放大器特點:（1）很高的輸入阻抗；（2）共模抑制比大?？捎糜谝话銏龊?，精度要求高時，可選用AD公司提供的AD521，AD522和612型，以及國產(chǎn)ZF60S型單片集成測量放大器。多檔程控放大器，通過兩位程控信號C1和C2來控制模擬開關(guān)來切換反饋電阻Rf

，可實現(xiàn)四個檔的閉環(huán)增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和Rf3/R。特點：電路簡單、容易實現(xiàn)，閉環(huán)增益取決于接入的反饋電阻阻值

可編程增益放大器的增益可通過數(shù)字邏輯電路來控制。2.程控放大器前置放大器3.低噪聲前置放大器

微弱信號檢測應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號。低噪聲前置放大器是微弱信號檢測的第一級，是任何一個微弱信號檢測系統(tǒng)或裝置的關(guān)鍵部件之一。通過精心選擇器件、合理采取抗干擾措施等手段，最大限度地降低或抑制放大器自身產(chǎn)生的噪聲，從而保證信號的低噪聲傳輸或放大。低噪聲放大器產(chǎn)品：PARC的113、116、118型;TOREX的XC2401、2404型隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成；常用的隔離放大器主要有電磁（變壓器）耦合和光電耦合兩種形式。包括有光、超聲波、無線電波和電磁等方式。隔離運算放大器是指輸入、輸出沒有電氣聯(lián)系。保證輸入、輸出更好的隔離。4.隔離放大器前置放大器前置放大器隔離放大器實例：AD202

排除干擾信號；保證人身安全考慮。輸入端往往是接大電壓，輸出端（測量端）接小電壓，對測量人員有益。前置放大器

低頻信號——用兩個電阻分壓高頻信號——脈沖分壓器脈沖分壓器5.量程變換當(dāng)R2C2=R1C1時，脈沖分壓器的傳遞函數(shù)與信號頻率無關(guān)。此時即使輸入為高頻信號，脈沖分壓器的輸出波形也不會發(fā)生畸變?？朔嗽趯Ω哳l信號進行分壓時，由于分布電容的影響所導(dǎo)致的分壓電路輸出波形的畸變。前置放大器輸出（DC）前置放大AC放大器濾波與衰減積分DC放大相移￠