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

1、大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)主講：張廣遠(yuǎn)2014.05提綱：提綱：大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和意義大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和意義大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要傳感器大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要傳感器大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和處理大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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)采集基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳感器傳感器調(diào)理電路調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) CPU CPU顯示顯示測(cè)試系統(tǒng)方框圖測(cè)試系統(tǒng)方框圖X 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性是指測(cè)量系統(tǒng)與其輸入、輸出測(cè)量系統(tǒng)的基本特

2、性是指測(cè)量系統(tǒng)與其輸入、輸出 的關(guān)系。的關(guān)系。靜態(tài)特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性輸入信號(hào)輸入信號(hào)x(t)不隨時(shí)間變化不隨時(shí)間變化 輸入信號(hào)輸入信號(hào)x(t) 隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化 分類分類 2.傳感器的分類：傳感器的分類：u按被測(cè)量的性質(zhì)分類按被測(cè)量的性質(zhì)分類機(jī)械量機(jī)械量 位移、力、速度、加速度、重量等；位移、力、速度、加速度、重量等；熱工量熱工量 溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；溫度、壓力、流量、液位、物位、流速等；化學(xué)量化學(xué)量 濃度、粘度、濕度、氣體的組分、液體的組分等；濃度、粘度、濕度、氣體的組分、液體的組分等；光學(xué)量光學(xué)量 光強(qiáng)、光通量、輻射能量等；光強(qiáng)、光通量、輻射能量等；生物量生

3、物量 血糖、血壓、酶等；血糖、血壓、酶等；u按輸出量的性質(zhì)分類按輸出量的性質(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。電量型傳感器：輸出量為電量，如熱電式、壓電式、磁電式等。u按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型 如熱電偶、光電池等。如熱電偶、光電池等。能量控制型能量控制型 如如R R、L L、C C電參數(shù)型傳感器電參數(shù)型傳感器。u智能傳感器智能傳感器帶有微處理器的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功帶有微處理器的，兼有信息檢測(cè)、信號(hào)處理

4、、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。能的傳感器。 如智能式壓力傳感器等。如智能式壓力傳感器等。大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)常用傳感器：應(yīng)變片、加速度計(jì)、溫度等 1 保證傳感器的性能指標(biāo)保證傳感器的性能指標(biāo) 傳感器電路應(yīng)具有準(zhǔn)確度 (精度) 高、反應(yīng)快、可調(diào)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。(1) 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度(精度) 具有足夠的精度是傳感器準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)對(duì)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：低噪聲與高抗干擾能力：對(duì)前置放大有要求 低漂移、高穩(wěn)定性有合適的通頻帶：不失真 線性 有合適的輸入與輸出阻抗：電路的輸入阻抗與前級(jí)的輸出阻相匹配(2)響應(yīng)速度響應(yīng)速度 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)要求傳感器電路有良

5、好的頻率特性、較高的響應(yīng)速度。 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原則信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原則信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原則信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原則(3)可調(diào)整性可調(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(shí)希望電路有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能。(4)可靠性可靠性 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(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)是提高可靠性的有效辦法。(5)經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 在滿足性能要求的前提下，盡可能地簡(jiǎn)化電路，合理設(shè)計(jì)電路和選用元器件，以獲得好的性價(jià)比。 另外，實(shí)現(xiàn)低功耗低功耗是一個(gè)重要的考慮因素。

6、 2 根據(jù)傳感器輸出參量類型進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換根據(jù)傳感器輸出參量類型進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換(1) 電阻型電阻型 敏感元件將被測(cè)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。電路的作用電路的作用：將電阻變化轉(zhuǎn)換為易測(cè)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) 電容型電容型 傳感器敏感元件將被測(cè)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(jì)等。電路的作用電路的作用：將電容量的變化轉(zhuǎn)換為易于處理的電壓或電流信號(hào)，或通過振蕩電路轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。 (3) 電感型電感型 傳感器敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電感量的變化。如電感式線位移、角位移傳感器

7、，電感式壓力傳感器。電路的作用電路的作用：將被測(cè)量變化引起的電感量變化變換為易處理的信號(hào)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) 互感型互感型 傳感器敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為互感的變化。如差動(dòng)變壓器式傳感器，電渦流式傳感器等。電路的作用電路的作用：將互感量或互感電勢(shì)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) 電壓電壓 (電勢(shì)) 型型 傳感器敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓或電勢(shì)變化。如熱電偶，光電池；霍爾元件等。電路的作用電路的作用：將微弱電勢(shì)或電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)電壓或電流變化。(6)

8、電流型電流型 傳感器敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電流變化。如光敏二極管等。電路的作用電路的作用：將由傳感器輸出的微弱電流進(jìn)行放大，變換成較強(qiáng)的電壓或電流。(7) 電荷型電荷型 傳感器敏感元件將被測(cè)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。 電路的作用電路的作用：將電荷的變化轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)的電壓或電流輸出，這種電路通常稱之為電荷放大器。 (8) 脈沖脈沖 (數(shù)字?jǐn)?shù)字) 型型 傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成脈沖序列或數(shù)字信號(hào)。其輸出的數(shù)字信號(hào)分三類： 增量碼信號(hào)：特點(diǎn)是被測(cè)量與傳感器輸出信號(hào)的變化周期數(shù)成正比，即輸出量值大小由信號(hào)變化的周期數(shù)的增量決定。如光柵、磁柵等測(cè)位移的傳感器。 絕對(duì)碼信號(hào)：一種

9、與被測(cè)對(duì)象狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。如碼盤，每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于一組編碼，這種編碼稱絕對(duì)碼。絕對(duì)碼信號(hào)抗干擾能力很強(qiáng)。開關(guān)信號(hào)：只有0和1兩個(gè)狀態(tài)，可視為絕對(duì)碼只有一位編碼時(shí)的特例。如行程開關(guān)、光電開關(guān)的輸出信號(hào)。電路的作用電路的作用：對(duì)于脈沖序列輸出，進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)換所需的信號(hào)形成；對(duì)于編碼信號(hào)，將編碼輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。3 傳感器常用調(diào)理電路傳感器常用調(diào)理電路電橋作用：電橋作用：檢測(cè)電阻分量，常用作電阻型傳感器輸出調(diào)理電路檢測(cè)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(gè)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： EABCUZ4Z3Z2

10、DZ1I1I2恒壓源供電：恒流源供電：3 傳感器常用調(diào)理電路傳感器常用調(diào)理電路Z0Z電源Z0Z電源ABCZ0Z0Z0DUUZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD電源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU單臂電橋：?jiǎn)伪垭姌颍簩㈦姌虻膶㈦姌虻囊粋€(gè)橋臂阻抗接電參一個(gè)橋臂阻抗接電參數(shù)型傳感器的變換器數(shù)型傳感器的變換器(Z0Z)，其余三個(gè)，其余三個(gè)臂的阻抗均恒定臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，差動(dòng)半橋：差動(dòng)半橋：兩個(gè)橋臂與電兩個(gè)橋臂與電參數(shù)型傳感器的兩個(gè)差動(dòng)參數(shù)型傳感器的兩個(gè)差動(dòng)變換器相接，則構(gòu)成差動(dòng)變換器相接，則構(gòu)成差動(dòng)半橋，即兩個(gè)橋臂阻抗發(fā)半橋，即兩個(gè)橋臂阻抗發(fā)生差動(dòng)變化生差動(dòng)變化(Z0Z，Z0 Z)其余兩

11、個(gè)臂的阻抗均其余兩個(gè)臂的阻抗均恒定恒定Z3=Z4=Z0， 差動(dòng)全橋：差動(dòng)全橋：四個(gè)橋臂阻四個(gè)橋臂阻抗均為電參數(shù)型傳感器抗均為電參數(shù)型傳感器的四個(gè)差動(dòng)變換器，且的四個(gè)差動(dòng)變換器，且四個(gè)橋臂阻抗發(fā)生差動(dòng)四個(gè)橋臂阻抗發(fā)生差動(dòng)變化變化(Z0Z，Z0 Z，Z0Z，Z0 Z)前置放大器前置放大器 一般，經(jīng)敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還伴有較高共模電壓，因此需要進(jìn)行信號(hào)放大和阻抗變換。傳感器對(duì)信號(hào)放大電路的一般要求如下：（1）輸入阻抗遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻。否則負(fù)載效應(yīng)造成測(cè)量誤差，內(nèi)阻不是常數(shù)的測(cè)量場(chǎng)合，所測(cè)誤差無法補(bǔ)償。（2）抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。共模電壓來源除轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出所含共模電壓以外，還

12、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(shí)放大性能不降低，以及便于量程切換、極性自動(dòng)變換等。 針對(duì)傳感器信號(hào)輸出特點(diǎn)的常用放大器：測(cè)量放大器、可編程增益放大器和隔離放大器等。前置放大器前置放大器1. 測(cè)量放大器測(cè)量放大器)21 (123GININOUTRRRRUUUA特點(diǎn)特點(diǎn):（1）很高的輸入阻抗；很高的輸入阻抗； （2）共模抑制比大。）共模抑制比大?？捎糜谝话銏?chǎng)合，精度要求高時(shí)，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(cè)量放大器。 多檔程控放大器，通過兩位程控信號(hào)多檔程控放大器，

13、通過兩位程控信號(hào)C1和和C2來控制模擬開關(guān)來切換反饋電來控制模擬開關(guān)來切換反饋電阻阻Rf ，可實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔的閉環(huán)增益值，可實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔的閉環(huán)增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和和Rf3/R。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)增益取決于接入的電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)增益取決于接入的反饋電阻阻值反饋電阻阻值 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. 程控放大器程控放大器前置放大器前置放大器3. 低噪聲前置放大器低噪聲前置放大器u 微弱信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、環(huán)微弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲

14、中提保、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)。取有用信號(hào)。u 低噪聲前置放大器是微弱信號(hào)檢測(cè)的第一級(jí)，是任何一個(gè)微低噪聲前置放大器是微弱信號(hào)檢測(cè)的第一級(jí)，是任何一個(gè)微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)或裝置的關(guān)鍵部件之一。弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)或裝置的關(guān)鍵部件之一。u 通過精心選擇器件、合理采取抗干擾措施等手段，最大限度通過精心選擇器件、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(hào)的低噪聲地降低或抑制放大器自身產(chǎn)生的噪聲，從而保證信號(hào)的低噪聲傳輸或放大。傳輸或放大。u 低噪聲放大器產(chǎn)品：低噪聲放大器產(chǎn)品：PARC的113、116、118型; TOREX的XC24

15、01、2404型 u隔離放大器由輸入放大器、隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成離電源等幾部分組成 ；u常用的隔離放大器主要有常用的隔離放大器主要有電電磁（變壓器）耦合和光電耦磁（變壓器）耦合和光電耦合合兩種形式。包括有光、超兩種形式。包括有光、超聲波、無線電波和電磁等方聲波、無線電波和電磁等方式。式。u隔離運(yùn)算放大器是指輸入、隔離運(yùn)算放大器是指輸入、輸出沒有電氣聯(lián)系。保證輸輸出沒有電氣聯(lián)系。保證輸入、輸出更好的隔離入、輸出更好的隔離。4.隔離放大器隔離放大器前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器隔離放大器實(shí)例：隔離放大器實(shí)例：AD202

16、u 排除干擾信號(hào)；排除干擾信號(hào)；u 保證人身安全考慮。輸入端往往是接大電壓，保證人身安全考慮。輸入端往往是接大電壓， 輸出端（測(cè)量端）接小電輸出端（測(cè)量端）接小電壓，對(duì)測(cè)量人員有益。壓，對(duì)測(cè)量人員有益。前置放大器前置放大器u 低頻信號(hào)低頻信號(hào)用兩個(gè)電阻分壓用兩個(gè)電阻分壓u 高頻信號(hào)高頻信號(hào)脈沖分壓器脈沖分壓器脈沖分壓器脈沖分壓器5.量程變換量程變換222111222212111)(RCjRRCjRRCjRZZZjW112212211CRjCRjRRR當(dāng)當(dāng)R2C2=R1C1時(shí)，脈沖分壓器的傳遞函數(shù)時(shí)，脈沖分壓器的傳遞函數(shù)與信號(hào)頻率無關(guān)。此時(shí)即使輸入為高頻與信號(hào)頻率無關(guān)。此時(shí)即使輸入為高頻信號(hào)，脈沖分壓器的輸出波形也不會(huì)發(fā)信號(hào)，脈沖分壓器的輸出波形也不會(huì)發(fā)生畸變。克服了在對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分壓生畸變。克服了在對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分壓時(shí)，由于時(shí)，由于分布電容分布電容的影響所導(dǎo)致的分壓的影響所導(dǎo)致的分壓電路輸出波形的畸變。電路輸出波形的畸變。前置放大器前置放大器輸出（DC）前置放大AC放大器濾波與衰減積分DC放大相移被測(cè)信號(hào)輸入（AC）參考輸入（AC）信號(hào)通道參考通道相關(guān)器乘法器6.鎖定放大器鎖定放大器作用：作用：利用噪聲信號(hào)不可能與待測(cè)信號(hào)同頻同相的特點(diǎn)，利用一個(gè)與待測(cè)