大型结构健康监测数据采集技术

大型结构健康监测

数据采集技术主讲：张广远2014.05提纲：大型结构健康监测系统的总体框架大型结构健康监测系统的目的和意义大型结构健康监测系统中的主要传感器大型结构健康监测系统中的数据采集和处理数据采集基础理论数据采集系统的设计

传感器调理电路数据采集系统CPU显示测试系统方框图X

测量系统的基本特性是指测量系统与其输入、输出的关系。静态特性动态特性输入信号x(t)不随时间变化

输入信号x(t)

随时间变化

分类

2.传感器的分类：按被测量的性质分类机械量位移、力、速度、加速度、重量等；热工量温度、压力、流量、液位、物位、流速等；化学量浓度、粘度、湿度、气体的组分、液体的组分等；光学量光强、光通量、辐射能量等；生物量血糖、血压、酶等；按输出量的性质分类电参数型传感器：输出量为电参量，如电阻式、电感式和电容式电量型传感器：输出量为电量，如热电式、压电式、磁电式等。按能量关系分类能量转换型如热电偶、光电池等。能量控制型如R、L、C电参数型传感器。智能传感器带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。如智能式压力传感器等。大型结构健康监测常用传感器：应变片、加速度计、温度等

1保证传感器的性能指标传感器电路应具有准确度(精度)高、反应快、可调性、可靠性和经济性强等特点。(1)准确度(精度)

具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求②低漂移、高稳定性③有合适的通频带：不失真④线性⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配(2)响应速度

实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、较高的响应速度。

信号调理电路的设计原则信号调理电路的设计原则(3)可调整性

能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时希望电路有简单的数据处理功能。(4)可靠性

传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结构是提高可靠性的有效办法。(5)经济性

在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。

2根据传感器输出参量类型进行信号转换(1)电阻型

敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片。电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变化转换成频率。(2)电容型

传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。

(3)电感型

传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。(4)互感型

传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动变压器式传感器，电涡流式传感器等。电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转换为电压、电流或频率变化。

(5)电压

(电势)型

传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。如热电偶，光电池；霍尔元件等。电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或电流变化。(6)电流型

传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏二极管等。电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变换成较强的电压或电流。(7)电荷型

传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。如压电式传感器，红外热释电元件等。电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输出，这种电路通常称之为电荷放大器。

(8)脉冲(数字)型

传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出的数字信号分三类：①增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的增量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。②绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝对码。绝对码信号抗干扰能力很强。③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一位编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换所需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相应的数字信号。3传感器常用调理电路电桥作用：检测电阻分量，常用作电阻型传感器输出调理电路

Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输出不平衡电压UBD分别为：EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2恒压源供电：恒流源供电：3传感器常用调理电路Z0±ΔZ电源Z0±ΔZ电源ABCZ0Z0Z0DUUZ0±ΔZABCZ0Z0Z0

ΔZD电源ABCZ0±ΔZZ0ΔZZ0ΔZDU单臂电桥：将电桥的一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变换器(Z0±ΔZ)，其余三个臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，差动半桥：两个桥臂与电参数型传感器的两个差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化(Z0±ΔZ，Z0ΔZ)其余两个臂的阻抗均恒定Z3=Z4=Z0，

差动全桥：四个桥臂阻抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动变化(Z0±ΔZ，Z0ΔZ，Z0±ΔZ，Z0ΔZ)前置放大器

一般，经敏感元件转换后输出的信号不仅电平低，内阻高，还伴有较高共模电压，因此需要进行信号放大和阻抗变换。传感器对信号放大电路的一般要求如下：（1）输入阻抗远大于信号源内阻。否则负载效应造成测量误差，内阻不是常数的测量场合，所测误差无法补偿。（2）抗共模电压干扰能力强。共模电压来源除转换信号输出所含共模电压以外，还有环境造成的共模干扰。（3）在频带宽度内增益稳定、线性度好，漂移和失调小，信噪比高。（4）便于增益调整。增益调整时放大性能不降低，以及便于量程切换、极性自动变换等。针对传感器信号输出特点的常用放大器：测量放大器、可编程增益放大器和隔离放大器等。前置放大器1.测量放大器特点:（1）很高的输入阻抗；（2）共模抑制比大。可用于一般场合，精度要求高时，可选用AD公司提供的AD521，AD522和612型，以及国产ZF60S型单片集成测量放大器。多档程控放大器，通过两位程控信号C1和C2来控制模拟开关来切换反馈电阻Rf

，可实现四个档的闭环增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和Rf3/R。特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值

可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路来控制。2.程控放大器前置放大器3.低噪声前置放大器

微弱信号检测应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、环保、医学、材料等领域。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号。低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级，是任何一个微弱信号检测系统或装置的关键部件之一。通过精心选择器件、合理采取抗干扰措施等手段，最大限度地降低或抑制放大器自身产生的噪声，从而保证信号的低噪声传输或放大。低噪声放大器产品：PARC的113、116、118型;TOREX的XC2401、2404型隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成；常用的隔离放大器主要有电磁（变压器）耦合和光电耦合两种形式。包括有光、超声波、无线电波和电磁等方式。隔离运算放大器是指输入、输出没有电气联系。保证输入、输出更好的隔离。4.隔离放大器前置放大器前置放大器隔离放大器实例：AD202

排除干扰信号；保证人身安全考虑。输入端往往是接大电压，输出端（测量端）接小电压，对测量人员有益。前置放大器

低频信号——用两个电阻分压高频信号——脉冲分压器脉冲分压器5.量程变换当R2C2=R1C1时，脉冲分压器的传递函数与信号频率无关。此时即使输入为高频信号，脉冲分压器的输出波形也不会发生畸变。克服了在对高频信号进行分压时，由于分布电容的影响所导致的分压电路输出波形的畸变。前置放大器输出（DC）前置放大AC放大器滤波与衰减积分DC放大相移￠