專利名稱：用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的裝置，尤其涉及一種能夠組建成大規(guī)模的面向船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用的分布式應(yīng)變采集器。該變采集器以分布式形式布置于船舶的各個(gè)測(cè)量部位，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，也可擴(kuò)展用于土木工程和海洋平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)
背景技術(shù)：
船舶在使用過程中，長期受到海水壓力、波浪沖擊以及海水腐蝕，船體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生各種結(jié)構(gòu)損傷和疲勞破壞，導(dǎo)致船舶殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命降低從而使船舶使用安全性下降。限于研究手段和測(cè)試技術(shù)，以往我國船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)定主要以傳統(tǒng)的無損探傷和人工視察為主，定期對(duì)船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估，這種方法耗時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)用昂貴，不能得到船舶結(jié)構(gòu)變化的原始數(shù)據(jù)，難于找到結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的根本原因，而且更嚴(yán)重的是雖然有些結(jié)構(gòu)部位安全性下降，但是由于不能被實(shí)時(shí)在線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，使得船舶在運(yùn)行時(shí)存在著安全隱患。隨著傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)定已從傳統(tǒng)的定期的安全檢測(cè)向?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)分析發(fā)展，這不僅能夠?qū)崟r(shí)記錄船舶航行中船體結(jié)構(gòu)的受力情況，還能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行在線安全評(píng)估，并對(duì)船體結(jié)構(gòu)的安全性提供必要的預(yù)警信息，以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。應(yīng)變采集器的應(yīng)用研究經(jīng)歷了從最初的集中式測(cè)量到分布式測(cè)量的發(fā)展。與集中式應(yīng)變采集器相比，分布式應(yīng)變采集器將集中式應(yīng)變采集器的數(shù)據(jù)采集功能分散到各個(gè)采集器中，單個(gè)采集器出現(xiàn)故障不會(huì)影響其它采集器的正常工作，從而增強(qiáng)了船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健壯性。目前，國內(nèi)投入應(yīng)用的分布式應(yīng)變采集器存在體積大，功耗大，不能遠(yuǎn)距離工作，每個(gè)采集器通道數(shù)目過多，不能直接布置于傳感器附近，造成傳感器與采集器之間導(dǎo)線過長，容易受到外界電磁場干擾，測(cè)量準(zhǔn)確性不能保證；另外工程應(yīng)用安裝不便，不適用于船舶結(jié)構(gòu)的長期安全監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，包括電路板硬件、外殼、電源通信插座以及傳感器插座；電源通信插座和傳感器插座安裝于外殼的兩側(cè)壁上，電路板硬件固定于外殼的底部，電路板硬件上各電源、信號(hào)線通過導(dǎo)線與電源通信插座以及傳感器插座連接；
電路板硬件包括信號(hào)調(diào)理采集模塊、微控制器、CAN通信模塊和電源管理模塊；信號(hào)調(diào)理采集模塊的輸入端與傳感器連接；微控制器內(nèi)置SPI接口、CAN控制器和CPU ;微控制器與信號(hào)調(diào)理采集模塊通過SPI接口連接，將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理采集模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸A CPU中進(jìn)行信號(hào)處理；微控制器的CAN控制器通過CAN通信模塊與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，將CPU處理的數(shù)字信息經(jīng)CAN總線發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)；電源管理模塊的輸入端連接直流電源，輸出端分別連接信號(hào)調(diào)理采集模塊、微控制器和CAN通信模塊；
直流電源、監(jiān)測(cè)主機(jī)通過電源通信插座與電路板硬件連接；傳感器通過傳感器插座與電路板硬件連接。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是
本發(fā)明體積小、安裝靈活，具有可連接I 4個(gè)傳感器的傳感器輸入通道，就近布置于傳感器附近，從而減少外界電磁信號(hào)的干擾，提高測(cè)量精度；數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，多個(gè)應(yīng)變采集器配合監(jiān)測(cè)主機(jī)，能夠組建成大規(guī)模的面向船舶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠?qū)I運(yùn)中船舶的主要結(jié)構(gòu)部位受力情況 和結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)測(cè)試和分析，還能對(duì)船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行在線安全評(píng)估，保障船舶運(yùn)行安全。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將應(yīng)變采集器小型化(邊長最大尺寸小于IOcm)、低功耗化(小于lw)，同時(shí)采用寬供電電壓技術(shù)，并以CAN總線作為通信方式，這樣分布于船體各個(gè)部位的應(yīng)變采集器通過CAN總線將采集到的結(jié)構(gòu)受力數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)主機(jī)。本發(fā)明采用非破壞的逐位仲裁機(jī)制競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用于對(duì)船舶結(jié)構(gòu)受力的動(dòng)靜態(tài)測(cè)量；本發(fā)明在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上的其它采集器不受影響，可靠性比較高，容易對(duì)出現(xiàn)故障的采集器進(jìn)行排查更換。采用本發(fā)明可以組成具有110個(gè)應(yīng)變采集器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的大規(guī)模在線監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的每個(gè)通道可以根據(jù)傳感器的類型設(shè)置為全橋、半橋、1/4橋、三線制1/4橋等橋路形式，以適用于多種類型的傳感器。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中的電路板硬件A的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是圖2中的CAN通信模塊3的電路原理圖。圖4是圖2中的信號(hào)調(diào)理采集模塊I的電路原理圖。圖5是圖2中的電源管理模塊4的電路原理圖。圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)流程框圖。注
圖4中，I一信號(hào)調(diào)理采集模塊(除恒壓電路)原理圖；II一恒壓電路原理圖。圖5中，I一降壓濾波電路原理圖；II一電壓隔離電路原理圖JII一供電管理電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明包括電路板硬件A、外殼B、電源通信插座C以及傳感器插座D。電源通信插座C、傳感器插座D安裝于外殼B的兩側(cè)壁上，每個(gè)本發(fā)明具有進(jìn)、出兩個(gè)電源通信插座C和f 4個(gè)傳感器插座D。電源通信插座C、傳感器插座D采用直徑較大的航空插座以滿足船用電纜的特殊要求。外殼B材質(zhì)可采用金屬或工程塑料，當(dāng)采用工程塑料是在其內(nèi)壁噴涂導(dǎo)電屏蔽漆。電路板硬件A采用螺栓固定方式固定于外殼B的底部，由導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電路板上各電源、信號(hào)線與航空插座的連接。外殼B密封時(shí)采用密封墊，以防止水或潮濕氣體的浸入。如圖2所示，電路板硬件A包括信號(hào)調(diào)理采集模塊I、微控制器2、CAN通信模塊3和電源管理模塊4。微控制器2選 用嵌入式微控制器STM32F103VC，具有高速同步串行外設(shè)接口(SPI接口)、CAN控制器和處理器(CPU)。微控制器2與信號(hào)調(diào)理采集模塊I通過SPI接口連接，將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理采集模塊I模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸入CPU中進(jìn)行信號(hào)處理；微控制器2的CAN控制器通過CAN通信模塊3與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，將CPU處理的數(shù)字信息經(jīng)CAN總線發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)7。直流電源6是船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一體化監(jiān)測(cè)機(jī)內(nèi)部的穩(wěn)壓電源，內(nèi)置于監(jiān)測(cè)主機(jī)中，為電路板硬件A提供一個(gè)直流電壓。電源管理模塊4的輸入端連接直流電源6，輸出端分別與微控制器2、信號(hào)調(diào)理采集模塊I和CAN通信模塊3連接。傳感器5為電阻應(yīng)變式傳感器，可以為電阻應(yīng)變片、壓力傳感器和加速度傳感器，感應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變、加速度和壓力信號(hào)，并將應(yīng)變信號(hào)輸入至信號(hào)調(diào)理采集模塊I。信號(hào)調(diào)理采集模塊I包括電子開關(guān)11、橋臂電阻13、恒壓電路14和集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器12。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器12內(nèi)置可編程增益信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通用輸入輸出口(GPI0 口)和高速同步串行外設(shè)接口(SPI接口)。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器12的GPIO 口連接電子開關(guān)11，根據(jù)橋路設(shè)置類型控制電子開關(guān)11的斷開和閉合，使得連接在電子開關(guān)11上的橋臂電阻13組成相應(yīng)的橋路；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器12的輸入端連接橋臂電阻13電橋橋路輸出，對(duì)橋路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器12與微控制器2通過SPI接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。恒壓電路14與橋臂電阻13電橋橋路連接，給電橋提供一個(gè)基準(zhǔn)工作電壓。CAN通信模塊3包括數(shù)字隔離器31和CAN總線收發(fā)器32。微控制器2內(nèi)部集成的CAN控制器經(jīng)CAN通信模塊3連接CAN總線。數(shù)字隔離器31為高性能磁耦隔離器，一端連接CAN控制器，一端連接CAN總線收發(fā)器32，用于將CAN控制器和CAN總線收發(fā)器32進(jìn)行電氣隔離；CAN總線收發(fā)器32連接CAN總線網(wǎng)絡(luò)，具有高抗電磁干擾能力，傳輸速率高達(dá)1Mbps，滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸要求。電源管理模塊4包括順序連接的電源輸入端44、降壓濾波電路43、電壓隔離電路42和供電管理電路41。電源輸入端44連接直流電源6，得到一個(gè)高電平直流電壓。降壓濾波電路43由(9 75V)寬電壓輸入降壓穩(wěn)壓器連接電感、電容濾波電路構(gòu)成，將高電平直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的低電平電壓。電壓隔離電路42由小型隔離變壓器、與隔離變壓器連接的驅(qū)動(dòng)芯片和二極管整流電路構(gòu)成，將由降壓濾波電路43輸出的電壓與供給各個(gè)模塊的工作電壓進(jìn)行隔離。供電管理電路41由穩(wěn)壓芯片和電阻、電容構(gòu)成。直流電源6、監(jiān)測(cè)主機(jī)7通過電源通信插座C與電路板硬件A連接；傳感器5通過傳感器插座D與電路板硬件A連接。如圖3所示，CAN通信模塊3電路由磁耦隔離器U1，高速CAN收發(fā)器U2和電阻、電容等組成。磁耦隔離器Ul的I腳接電源VEE，2腳、3腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(STM32F103VC)的CAN控制器接口 CAN_RX、CAN_TX，4腳接信號(hào)地，5腳接電源地，6腳、7腳對(duì)應(yīng)連接CAN收發(fā)器U2的I腳、4腳，8腳接+5V。CAN收發(fā)器U2的2腳接電源地，3腳接+5V，6腳、7腳分別經(jīng)限流電阻R1、R2連接CAN總線接口端CAN_H、CAN_L，8腳接電源地。CAN總線輸入端與地之間分別連接防雷擊管LI，L2和電容Cl、C2。電阻R3連接CAN總線的兩端。如圖4所示，信號(hào)調(diào)理采集模塊I電路(除恒壓電路14)由集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3，獨(dú)立的4路電子開關(guān)U4、橋臂電路和電容等組成。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的I腳連接微控制器(STM32F103VC)的TO9，給集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3提供數(shù)字電源輸入，2腳接地，4腳接微控制器(STM32F103VC)的PD8，5腳經(jīng)電阻R4接地，6、8、10、21腳接地，7腳接參考電壓VREFP，并經(jīng)電容C4接地，9腳經(jīng)電容C5接地，11腳和12腳對(duì)應(yīng)連接電橋的兩個(gè)輸出端，并分別經(jīng)電容 C6、C7接地。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的16腳、17、18腳對(duì)應(yīng)連接電子開關(guān)U4的8、9、1和16腳，以控制4個(gè)電子開關(guān)的狀態(tài)(I或是0)，其中電子開關(guān)U4的I腳和16腳相連。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的22腳連接電源VEE，23、24、25腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(STM32F103VC)的PB0、PB1、PB2，控制集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的模數(shù)轉(zhuǎn)換。集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的同步串行通信接口 26、27、28腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(STM32F103VC)的SPI 1_MIS0、SPI 1_M0SI、SPI 1_SCK,進(jìn)行微控制器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)通信。J2為傳感器接線端，J2的1、2、3、4、5腳為連接傳感器的五個(gè)接線端模擬信號(hào)正向輸入端(S+)、模擬信號(hào)反向輸入端(S-)、三線制補(bǔ)償端(SG)、信號(hào)地(AGND)、橋路激勵(lì)電壓(VEXC)。電子開關(guān)U4的2腳連接接線端S-，并和6腳連接經(jīng)電阻R6連接集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器U3的模擬輸入端11腳。電子開關(guān)U4的3腳和14腳之間串聯(lián)電阻R9和R10，作為橋臂電阻，在兩個(gè)電阻之間提供橋路激勵(lì)電壓VEXC。電子開關(guān)U4的5腳接地，7腳經(jīng)電阻R8接地，10腳連接接線端AGND。電子開關(guān)U4的11腳連接接線端SG，并經(jīng)電阻R7和15腳相連。電子開關(guān)U4的13腳接電源VEE，并經(jīng)電容Cll接地。電子開關(guān)U4的15腳連接接線端S+。如圖4所示，恒壓電路14由降壓穩(wěn)壓器U5、雙運(yùn)放集成芯片U6和電阻、電容等組成。降壓穩(wěn)壓器U5的I腳、3腳接電源VEE，并經(jīng)電容C13接地。降壓穩(wěn)壓器U5的2腳經(jīng)電阻Rll連接6腳，4腳接地，5腳和6腳連接，6腳輸出參考電壓VREFP。雙運(yùn)放集成芯片U6的8腳接電源VEE，4腳接地，3腳連接參考電壓VREFP。雙運(yùn)放集成芯片U6的2腳經(jīng)電阻R12接地，并經(jīng)電阻R13連接I腳。雙運(yùn)放集成芯片U6的I腳接第二級(jí)運(yùn)放的輸入端5腳。雙運(yùn)放集成芯片U6的6腳和三極管Ql的3腳連接電壓VEXC，7腳經(jīng)電阻R14連接三極管Ql的I腳。三極管Ql的2腳接電源VEE。如圖5所示，降壓濾波電路43由降壓穩(wěn)壓器U7、肖特基二極管Dl和電感、電阻、電容等組成。J3為電源輸入端，電壓輸入范圍為+9 75V。輸入電源經(jīng)電阻R15和二極管Dl連接降壓穩(wěn)壓器U7的8腳。降壓穩(wěn)壓器U7的8腳經(jīng)電容C15接電源地，7腳經(jīng)電容C16接電源地，6腳經(jīng)電阻R16接8腳。降壓穩(wěn)壓器U7的5腳連接電阻R18、R19的連接點(diǎn)，并經(jīng)電容C18連接電感LI的一端。降壓穩(wěn)壓器U7的4腳接電源地，3腳經(jīng)電阻R17接4腳，2腳經(jīng)電容C17接I腳。降壓穩(wěn)壓器U7的I腳經(jīng)二極管D2接電源地，并經(jīng)電感LI、L2濾波后得到直流電壓+5V。電壓+5V通過電容C19、C20、C21接電源地。如圖5所示，電壓隔離電路42由變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片U8、變壓器U9、整流二極管D3和電感、電容等組成。變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片U8的I腳、8腳對(duì)應(yīng)連接變壓器U9的I腳、3腳。變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片U8的2腳、4腳和7腳連接電源地。變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片U8的6腳接+5V，并經(jīng)電容C22接電源地。變壓器U9的2腳接+5V，5腳接地，4腳、6腳對(duì)應(yīng)連接整流二極管D3的2腳、I腳。整流二極管D3的3腳經(jīng)電感L3輸出穩(wěn)定電壓+5. 5V。電壓+5. 5V經(jīng)電容C23、C24、C25接地。電源地通過磁珠R22與地隔離。如圖5所示，供電管理電路41由穩(wěn)壓芯片UlO和電阻、電容等組成。穩(wěn)壓芯片UlO的8腳連接+5. 5V，6、7、2腳接地，5腳連接8腳。穩(wěn)壓芯片UlO的4腳接地，3腳連接電阻R20、R21的連接點(diǎn)，并經(jīng)電容C28連接I腳。穩(wěn)壓芯片UlO的I腳輸出穩(wěn)定的電壓VEE。電源VEE經(jīng)電容C26、C27接地。 本發(fā)明的程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，工作流程如圖6所示。以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例。可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的基本構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于包括電路板硬件(A)、外殼(B)、電源通信插座(C)以及傳感器插座(D);電源通信插座(C)和傳感器插座(D)安裝于外殼(B)的兩側(cè)壁上，電路板硬件(A)固定于外殼(B)的底部，電路板硬件(A)上各電源、信號(hào)線通過導(dǎo)線與電源通信插座(C)以及傳感器插座(D)連接； 電路板硬件(A)包括信號(hào)調(diào)理采集模塊(I )、微控制器(2)、CAN通信模塊(3)和電源管理模塊(4);信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)的輸入端與傳感器(5)連接；微控制器(2)內(nèi)置SPI接口、CAN控制器和CPU ;微控制器(2)與信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)通過SPI接口連接，將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸入CPU中進(jìn)行信號(hào)處理；微控制器(2)的CAN控制器通過CAN通信模塊(3)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，將CPU處理的數(shù)字信息經(jīng)CAN總線發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)(7);電源管理模塊(4)的輸入端連接直流電源(6)，輸出端分別連接信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)、微控制器(2 )和CAN通信模塊(3 ); 直流電源(6)、監(jiān)測(cè)主機(jī)(7)通過電源通信插座(C)與電路板硬件(A)連接；傳感器(5)通過傳感器插座(D)與電路板硬件(A)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述與信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)連接的傳感器(5)為電阻應(yīng)變式傳感器，可以為電阻應(yīng)變片、壓力傳感器和加速度傳感器，感應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變、加速度和壓力信號(hào)，并將應(yīng)變信號(hào)輸入至信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)包括電子開關(guān)(11)、橋臂電阻(13)、恒壓電路(14)和集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12);集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)內(nèi)置可編程增益信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、GPIO 口和SPI接口 ；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)的GPIO 口連接電子開關(guān)(11)，根據(jù)橋路設(shè)置類型控制電子開關(guān)(11)的斷開和閉合，使得連接在電子開關(guān)(11)上的橋臂電阻(13)組成相應(yīng)的橋路；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)的輸入端連接橋臂電阻(13)電橋橋路輸出，對(duì)橋路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)與微控制器(2)通過SPI接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)；恒壓電路(14)與橋臂電阻(13)電橋橋路連接，為電橋提供基準(zhǔn)激勵(lì)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述CAN通信模塊(3)包括數(shù)字隔離器(31)和CAN總線收發(fā)器(32);數(shù)字隔離器(31)為磁耦隔離器，其一端連接CAN控制器，另一端連接CAN總線收發(fā)器(32)，用于將CAN控制器和CAN總線收發(fā)器(32)進(jìn)行電氣隔離；CAN總線收發(fā)器(32)連接CAN總線網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述電源管理模塊(4)包括順序連接的電源輸入端(44)、降壓濾波電路(43)、電壓隔離電路(42 )和供電管理電路(41);電源輸入端(44 )連接直流電源(6 )，得到高電平直流電壓；降壓濾波電路(43)由降壓穩(wěn)壓器連接電感、電容濾波電路構(gòu)成，將高電平直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的低電平電壓；電壓隔離電路(42)由隔離變壓器、與隔離變壓器連接的驅(qū)動(dòng)芯片和二極管整流電路構(gòu)成，將由降壓濾波電路(43 )輸出的電壓與供給各個(gè)模塊的工作電壓進(jìn)行隔離；供電管理電路(41)由穩(wěn)壓芯片和電阻、電容構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述外殼(B)的材質(zhì)為金屬或工程塑料，并用密封墊密封，當(dāng)采用工程塑料材質(zhì)時(shí)在其內(nèi)壁噴涂導(dǎo)電屏蔽漆。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于每個(gè)應(yīng)變采集器具有進(jìn)、出兩個(gè)電源通信插座(C)和I至4個(gè)傳感器插座(D)，所述電源通信插座(C)和傳感器插座(D)采用航空插座。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述CAN通信模塊(3)電路由磁耦隔離器(U1)、CAN收發(fā)器(U2)和電阻、電容組成；磁耦隔離器(Ul)的I腳接電源VEE，2腳、3腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(2)的CAN控制器接口 CAN_RX、CAN_TX，4腳接信號(hào)地，5腳接電源地，6腳、7腳對(duì)應(yīng)連接CAN收發(fā)器(U2)的I腳、4腳，8腳接+5V ;CAN收發(fā)器(U2)的2腳接電源地，3腳接+5V，6腳、7腳分別經(jīng)第一電阻(Rl )、第二電阻(R2)連接CAN總線接口端CAN_H、CAN_L，8腳接電源地；CAN總線輸入端與地之間分別連接第一防雷擊管(LI)、第二防雷擊管(L2)和第一電容(Cl)、第二電容(C2);第三電阻(R3)接CAN總線的兩端。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)電路包括集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)，獨(dú)立的4路電子開關(guān)(U4)、橋臂電路和電容；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)的I腳連接微控制器(2)的H)9，2腳接地，4腳接微控制器(2)的H)8，5腳經(jīng)第四電阻(R4)接地，6、8、10、21腳接地，7腳接參考電壓VREFP，并經(jīng)第四電容(C4)接地，9腳經(jīng)第五電容(C5)接地，11腳和12腳連接電橋的兩個(gè)輸出端，并分別經(jīng)第六電容(C6)、第七電容(C7)電容接地；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)的16、17、18腳對(duì)應(yīng)連接電子開關(guān)(U4)的8、9、1和16腳，電子開關(guān)(U4)的I腳和16腳相連；集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)的22腳連接電源VEE，23、24、25腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(2)的PB0、PB1、PB2 ;集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)的同步串行通信接口 26、27、28腳對(duì)應(yīng)連接微控制器(2)的SPI1_MIS0、SPI1_M0SI、SPI1_SCK ;傳感器接線端(J2)的1、2、3、4、5腳為連接傳感器的五個(gè)接線端模擬信號(hào)正向輸入端(S+ )、模擬信號(hào)反向輸入端(S-)、三線制補(bǔ)償端(SG)、信號(hào)地(AGND)、橋路激勵(lì)電壓(VEXC);電子開關(guān)(U4)的2腳連接接線端S-，并和6腳連接經(jīng)第六電阻(R6)連接集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(U3)的模擬輸入端11腳；電子開關(guān)(U4)的3腳和14腳之間串聯(lián)第九電阻(R9)和第十電阻(R10)，在兩個(gè)電阻之間提供橋路激勵(lì)電壓VEXC;電子開關(guān)(U4)的5腳接地，7腳經(jīng)第八電阻(R8)接地，10腳連接接線端AGND ;電子開關(guān)(U4)的11腳連接接線端SG，并經(jīng)第七電阻(R7)和15腳相連；電子開關(guān)(U4)的13腳接電源VEE，并經(jīng)第i^一電容(Cll)接地；電子開關(guān)(U4)的15腳連接接線端S+ ； 信號(hào)調(diào)理采集模塊(I)還包括恒壓電路(14);恒壓電路(14)由降壓穩(wěn)壓器(U5)、雙運(yùn)放集成芯片(U6)和電阻、電容組成；降壓穩(wěn)壓器(U5)的I腳、3腳接電源VEE，并經(jīng)第十三電容(C13)接地；降壓穩(wěn)壓器(U5)的2腳經(jīng)第i^一電阻(Rll)連接6腳，4腳接地，5腳和6腳連接，6腳輸出參考電壓VREFP ;雙運(yùn)放集成芯片(U6)的8腳接電源VEE，4腳接地，3腳連接參考電壓VREFP ;雙運(yùn)放集成芯片(U6)的2腳經(jīng)第十二電阻(R12)接地，并經(jīng)第十三電阻(R13)連接I腳；雙運(yùn)放集成芯片(U6)的I腳接第二級(jí)運(yùn)放的輸入端5腳；雙運(yùn)放集成芯片(U6)的6腳和三極管(Ql)的3腳連接電壓VEXC，7腳經(jīng)第十四電阻(R14)連接三極管(Ql)的I腳;三極管(Ql)的2腳接電源VEE0
10.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，其特征在于所述降壓濾波電路(43)由降壓穩(wěn)壓器(U7)、肖特基二極管(Dl)和電感、電阻、電容組成；電源輸入端(J3)的電壓輸入范圍為+9 75V ;輸入電源經(jīng)第十五電阻(R15)和二極管(Dl)連接降壓穩(wěn)壓器(U7)的8腳；降壓穩(wěn)壓器(U7)的8腳經(jīng)第十五電容(C15)接電源地，7腳經(jīng)第十六電容(C16)接電源地，6腳經(jīng)第十六電阻(R16)接8腳；降壓穩(wěn)壓器(U7)的5腳連接第十八電阻(R18)和第十九電阻(R19)的連接點(diǎn)，并經(jīng)第十八電容(C18)連接第一電感(LI)的一端；降壓穩(wěn)壓器(U7)的4腳接電源地，3腳經(jīng)第十七電阻(R17)接4腳，2腳經(jīng)第十七電容(C17)接I腳；降壓穩(wěn)壓器(U7)的I腳經(jīng)二極管(D2)接電源地，并經(jīng)第一電感(LI)、第二電感(L2)濾波后得到直流電壓+5V ;電壓+5V通過第十九電容(C19)、第二十電容(C20)、第二i^一電容(C21)接電源地； 所述電壓隔離電路(42)由變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片(U8)、變壓器(U9) 、整流二極管(D3)和電感、電容組成；變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片(U8)的I腳、8腳對(duì)應(yīng)連接變壓器(U9)的I腳、3腳；變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片(U8)的2腳、4腳和7腳連接電源地；變壓器隔離驅(qū)動(dòng)芯片(U8)的6腳接+5V，并經(jīng)第二十二電容(C22)接電源地；變壓器(U9)的2腳接+5V，5腳接地，4腳、6腳對(duì)應(yīng)連接整流二極管(D3)的2腳、I腳；整流二極管(D3)的3腳經(jīng)第三電感(L3)輸出穩(wěn)定電壓+5. 5V ;電壓+5. 5V經(jīng)第二十三電容(C23)、第二十四電容(C24)、第二十五電容(C25)接地；電源地通過磁珠(R22)與地隔離； 所述供電管理電路(41)由穩(wěn)壓芯片(UlO)和電阻、電容組成；穩(wěn)壓芯片(UlO)的8腳連接+5. 5V，6、7、2腳接地，5腳連接8腳；穩(wěn)壓芯片(UlO)的4腳接地，3腳連接第二十電阻(R20)和第二i^一電阻(R21)的連接點(diǎn)，并經(jīng)第二十八電容(C28)連接I腳；穩(wěn)壓芯片(UlO)的I腳輸出穩(wěn)定的電壓VEE ;電源VEE經(jīng)第二十六電容(C26)、第二十七電容(C27)接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)的分布式應(yīng)變采集器，包括電路板硬件、外殼、電源通信插座以及傳感器插座；電源通信插座和傳感器插座安裝于外殼的兩側(cè)壁上，電路板硬件固定于外殼的底部，電路板硬件上各電源、信號(hào)線通過導(dǎo)線與電源通信插座以及傳感器插座連接；電路板硬件由信號(hào)調(diào)理采集模塊、微控制器、CAN通信模塊和電源管理模塊組成，適用的傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器。本發(fā)明的多個(gè)分布式應(yīng)變采集器配合監(jiān)測(cè)主機(jī)，能夠組建成大規(guī)模的面向船舶結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施時(shí)每個(gè)應(yīng)變采集器可以靈活地布置于傳感器附近，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)應(yīng)變應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并把測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給監(jiān)測(cè)主機(jī)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102636306SQ20121008979
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者吳國慶, 張金佐, 楊華偉, 葛沈瑜, 黃進(jìn)浩 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所