钢结构关键位置应力应变监测系统设计
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
集和锯齿波产生单元组成，报 警 信 息 由 SIM80 0 L 模块进行
发送、现场进行声光报警。 ■ 2.1数据采集电路的设计
如 图 2 所 示 为 数 据 采 集 的 电 路 图 。 系统采用
STC90C5 2 R C 单片机为主控芯片，进 行 A/D 采集以及对采
集数据进行运算处理。考虑到系统的速度、精度和分率等
使匹配光栅阵列在一定的压力下中心波长发生变化，在某一 子程序，A/D 采样子程序，数据处理子程序和报警短信发送
上施加锯齿波扫描电压信号，调节其匹配光栅阵列的中心波 长使其在一定范围内变化[1]。 当匹配光栅阵列的反射谱峰与 传感光栅阵列的反射谱峰重合时，经过匹配光栅阵列反射的 光强最大，此反射光汇聚到光电探测器上，将其转换为相应
的电信号，经放大器放大后，通 过 STC90C52R C单片机芯
片控制实时采集此电压信号并找出其最大值，此最大值即为 经过匹配光栅阵列反射后所对应的最大光强。同时根据此最 大值可以确定施加在匹配光栅阵列上相对应的电压值，再根 据 反 射 谱 峰 值 波 长 和 扫 描 电 压 的 关 系 ，便 可 得 出 ，传感光栅 阵列受外界物理量影响后波长漂移量，最后根据传感器外界 物 理 量 与 波 长 的 编 码 关 系 式 即 可 计 算 出 应 变 的 大 小 [2]。
电子电路设计与方案
机 的 P0.0引脚，SDO接 单 片 机 P0.1引脚，SCLK接 单 片 机 是 模 块 的 接 收 和 发 送 数 据 引 脚 ，接 到 单 片 机 的 相 应 TXD 和
P0 . 2 弓酬。
RXD上。这 样 SIM8 00L 模块就可以和单片机进行通讯了。
广泛应用。针 对 这 一 实 际 情 况 ，设 计 了 基 于 STC90C5 2 RC
单 片 机 为 主 控 芯 片 ，采 用 匹 配 光 栅 为 调 谐 元 件 进 行 解 调 、
SIM8 00L (GSM 模块） 进行短信报警的系统，该系统不仅
具 有 较 高 的 分 辨 率 和 测 量 精 度 ，而 且 能 够 实 时 、 准确地 实 现 多点同时测量。
单 片 机 来 控 制 来控制压电陶瓷以达到匹配的效果，从而来实现测量目的，
输 入 — VIN
SCLK -P0.2 D/A 输 出 一 个 如发现问题则发送报警短信。
据 齿 波，驱动
本 系 统 的 软 件 设 计 主 要 包 括 以 下 几 个 程 序 模 块 ：键盘和
图 2 信号采集电路图
压 电 体 （PZT) ， 液晶初始化子程序，键盘中断响应子程序，D/A 输出锯齿波
电子电路设计与方案
钢结构关键位置应力应变监测系统设计
作者/黄 培 ，江 苏 建 筑 职 业 技 术 人 技 术 实 验 室
项 目 名 称 ：青 蓝 工 程 ；江 苏 省 住 房 和 城 乡 建 设 厅 科 技 项 目 2 0 1 5 ZD56
文章摘要 ：建筑结构健康问题已经越来越受到人们关注。该设计基于光纤布拉格光栅（ Fiber Bragg Grating, 缩写FBG) 技术，提出了建 筑物钢结构健康监测系统的组成框架，介绍了其工作原理，并对钢结构应力应变信号解调进行了设计，通过短信的方式发送给监测端。该 方案为建筑结构从定期安全检测模式向预测检修模式转变提供了重要的技术保障，最终实现了建筑物结构健康监测的智能化。该系统经过 应用实践表明，可以实时、精确、可靠的对钢结构应变进行监测，具有低功耗、低成本、小型化、高可靠性的优点。 关键词：光纤光栅；匹配光栅；STC9 0 C5 2 RC单片机；SIM8 0 0 L
2. 系统硬件电路设计
n
4
匹
妃
§
光 禱
阵
列
H換 放大
D/A 校块 SIM800L
♦ 片W
A/D 龙铌
— ► 声光报S
图 1 钢结构应变监测系统结构框图
从 图 1 可以看出，采集部分主要是光纤光栅传感器解调 系统对光电探测器转换的电信号的处理。它的工作原理是对 光电探测器输出的电信号进行放大、采集和运算处理以提取 待测物理量的大小，如果超出设定值，系统将报警点的信息 发送到预设的手机号码中。采集部分由单片机控制的数据采
要求，设计中选用高速、高精度、低 功 耗 的 1 2 位 A/D 转换 芯 片 ADS7886[3]。每个设备的串行接口是由C S 和时钟信号 S C L K 控制微处理器和数字信号处理系统相联系的免黏结逻 辑 ，输入的采样信号由C S 非的下降沿决定，SCLK用于提供 转换的时钟信号和SD O 串行数据输出。其 中 C S 端接单片
1. 系统组成及工作原理
系统采用匹配光栅解调法对光纤光栅传感器的信息进行
解调，工 作 原 理 如 图 1 所示。宽 带 光 源 （BBS) 发出的光经 过 3d B 耦合器入射到传感光纤光栅阵列，只 有 满 足 Bragg 条件的光才能被反射回来，反射回来后再次经3d B 耦合器 进入匹配光栅阵列，通 过 在 匹 配 光 栅 阵 列 的 压 电 体 （PZT)
T I _ VDD
■2.2锯 齿 波
CS
-P 0.0 产 生 电 路 的 设 3 .
系统软件设计
计
在上述硬件设计的基础上，通 过 c 语言的编程，控制
系 统 米 用 A/D 芯片采集传感信号，当单片机接收到A/D 采样信号的参
GND
SDO -P0.1 S T C 9 0 C 5 2 RC 数时，同 时 通 过 D/A 产生所需频率和幅值的扫描电压信号，
引巨 近 年 来 ，钢 结 构 在 建 筑 当 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ，其结构
越来越新颖、形式越来越复杂、规模越来越庞大， 己成为当 代建筑结构中最重要和最活跃的领域之一。钢结构的发展， 对施工过程中和使用中钢结构的健康监测技术提出了更高的 要求。光纤光栅传感器已成为传感领域的一大研究热点。 它 除了具有耐腐蚀、抗电磁干扰及可靠性强等独特的优点，此 外其波长编码特性和可复用性等更是普通传感器无法比拟 的。 目前国内外的一些公司已研究开发出了高精度、 高分辨 率的光纤光栅传感器解调仪，但 价格十分昂贵，很难得到
发送、现场进行声光报警。 ■ 2.1数据采集电路的设计
如 图 2 所 示 为 数 据 采 集 的 电 路 图 。 系统采用
STC90C5 2 R C 单片机为主控芯片，进 行 A/D 采集以及对采
集数据进行运算处理。考虑到系统的速度、精度和分率等
使匹配光栅阵列在一定的压力下中心波长发生变化，在某一 子程序，A/D 采样子程序，数据处理子程序和报警短信发送
上施加锯齿波扫描电压信号，调节其匹配光栅阵列的中心波 长使其在一定范围内变化[1]。 当匹配光栅阵列的反射谱峰与 传感光栅阵列的反射谱峰重合时，经过匹配光栅阵列反射的 光强最大，此反射光汇聚到光电探测器上，将其转换为相应
的电信号，经放大器放大后，通 过 STC90C52R C单片机芯
片控制实时采集此电压信号并找出其最大值，此最大值即为 经过匹配光栅阵列反射后所对应的最大光强。同时根据此最 大值可以确定施加在匹配光栅阵列上相对应的电压值，再根 据 反 射 谱 峰 值 波 长 和 扫 描 电 压 的 关 系 ，便 可 得 出 ，传感光栅 阵列受外界物理量影响后波长漂移量，最后根据传感器外界 物 理 量 与 波 长 的 编 码 关 系 式 即 可 计 算 出 应 变 的 大 小 [2]。
电子电路设计与方案
机 的 P0.0引脚，SDO接 单 片 机 P0.1引脚，SCLK接 单 片 机 是 模 块 的 接 收 和 发 送 数 据 引 脚 ，接 到 单 片 机 的 相 应 TXD 和
P0 . 2 弓酬。
RXD上。这 样 SIM8 00L 模块就可以和单片机进行通讯了。
广泛应用。针 对 这 一 实 际 情 况 ，设 计 了 基 于 STC90C5 2 RC
单 片 机 为 主 控 芯 片 ，采 用 匹 配 光 栅 为 调 谐 元 件 进 行 解 调 、
SIM8 00L (GSM 模块） 进行短信报警的系统，该系统不仅
具 有 较 高 的 分 辨 率 和 测 量 精 度 ，而 且 能 够 实 时 、 准确地 实 现 多点同时测量。
单 片 机 来 控 制 来控制压电陶瓷以达到匹配的效果，从而来实现测量目的，
输 入 — VIN
SCLK -P0.2 D/A 输 出 一 个 如发现问题则发送报警短信。
据 齿 波，驱动
本 系 统 的 软 件 设 计 主 要 包 括 以 下 几 个 程 序 模 块 ：键盘和
图 2 信号采集电路图
压 电 体 （PZT) ， 液晶初始化子程序，键盘中断响应子程序，D/A 输出锯齿波
电子电路设计与方案
钢结构关键位置应力应变监测系统设计
作者/黄 培 ，江 苏 建 筑 职 业 技 术 人 技 术 实 验 室
项 目 名 称 ：青 蓝 工 程 ；江 苏 省 住 房 和 城 乡 建 设 厅 科 技 项 目 2 0 1 5 ZD56
文章摘要 ：建筑结构健康问题已经越来越受到人们关注。该设计基于光纤布拉格光栅（ Fiber Bragg Grating, 缩写FBG) 技术，提出了建 筑物钢结构健康监测系统的组成框架，介绍了其工作原理，并对钢结构应力应变信号解调进行了设计，通过短信的方式发送给监测端。该 方案为建筑结构从定期安全检测模式向预测检修模式转变提供了重要的技术保障，最终实现了建筑物结构健康监测的智能化。该系统经过 应用实践表明，可以实时、精确、可靠的对钢结构应变进行监测，具有低功耗、低成本、小型化、高可靠性的优点。 关键词：光纤光栅；匹配光栅；STC9 0 C5 2 RC单片机；SIM8 0 0 L
2. 系统硬件电路设计
n
4
匹
妃
§
光 禱
阵
列
H換 放大
D/A 校块 SIM800L
♦ 片W
A/D 龙铌
— ► 声光报S
图 1 钢结构应变监测系统结构框图
从 图 1 可以看出，采集部分主要是光纤光栅传感器解调 系统对光电探测器转换的电信号的处理。它的工作原理是对 光电探测器输出的电信号进行放大、采集和运算处理以提取 待测物理量的大小，如果超出设定值，系统将报警点的信息 发送到预设的手机号码中。采集部分由单片机控制的数据采
要求，设计中选用高速、高精度、低 功 耗 的 1 2 位 A/D 转换 芯 片 ADS7886[3]。每个设备的串行接口是由C S 和时钟信号 S C L K 控制微处理器和数字信号处理系统相联系的免黏结逻 辑 ，输入的采样信号由C S 非的下降沿决定，SCLK用于提供 转换的时钟信号和SD O 串行数据输出。其 中 C S 端接单片
1. 系统组成及工作原理
系统采用匹配光栅解调法对光纤光栅传感器的信息进行
解调，工 作 原 理 如 图 1 所示。宽 带 光 源 （BBS) 发出的光经 过 3d B 耦合器入射到传感光纤光栅阵列，只 有 满 足 Bragg 条件的光才能被反射回来，反射回来后再次经3d B 耦合器 进入匹配光栅阵列，通 过 在 匹 配 光 栅 阵 列 的 压 电 体 （PZT)
T I _ VDD
■2.2锯 齿 波
CS
-P 0.0 产 生 电 路 的 设 3 .
系统软件设计
计
在上述硬件设计的基础上，通 过 c 语言的编程，控制
系 统 米 用 A/D 芯片采集传感信号，当单片机接收到A/D 采样信号的参
GND
SDO -P0.1 S T C 9 0 C 5 2 RC 数时，同 时 通 过 D/A 产生所需频率和幅值的扫描电压信号，
引巨 近 年 来 ，钢 结 构 在 建 筑 当 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ，其结构
越来越新颖、形式越来越复杂、规模越来越庞大， 己成为当 代建筑结构中最重要和最活跃的领域之一。钢结构的发展， 对施工过程中和使用中钢结构的健康监测技术提出了更高的 要求。光纤光栅传感器已成为传感领域的一大研究热点。 它 除了具有耐腐蚀、抗电磁干扰及可靠性强等独特的优点，此 外其波长编码特性和可复用性等更是普通传感器无法比拟 的。 目前国内外的一些公司已研究开发出了高精度、 高分辨 率的光纤光栅传感器解调仪，但 价格十分昂贵，很难得到