1、大型結構健康監測大型結構健康監測數據采集技術數據采集技術主講：張廣遠2014.05提綱：提綱：大型結構健康監測系統的總體框架大型結構健康監測系統的總體框架大型結構健康監測系統的目的和意義大型結構健康監測系統的目的和意義大型結構健康監測系統中的主要傳感器大型結構健康監測系統中的主要傳感器大型結構健康監測系統中的數據采集和處理大型結構健康監測系統中的數據采集和處理數據采集基礎理論數據采集基礎理論數據采集系統的設計數據采集系統的設計 傳感器傳感器調理電路調理電路數據采集系統數據采集系統 CPU CPU顯示顯示測試系統方框圖測試系統方框圖X 測量系統的基本特性是指測量系統與其輸入、輸出測量系統的基本特

2、性是指測量系統與其輸入、輸出 的關系。的關系。靜態特性靜態特性動態特性動態特性輸入信號輸入信號x(t)不隨時間變化不隨時間變化 輸入信號輸入信號x(t) 隨時間變化隨時間變化 分類分類 2.傳感器的分類：傳感器的分類：u按被測量的性質分類按被測量的性質分類機械量機械量 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；化學量化學量 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；光學量光學量 光強、光通量、輻射能量等；光強、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按輸出量的性質分類按輸出量的性質分類電參數型傳感器：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按能量關系分類按能量關系分類能量轉換型能量轉換型 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電參數型傳感器電參數型傳感器。u智能傳感器智能傳感器帶有微處理器的，兼有信息檢測、信號處理、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、信號處理

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。大型結構健康監測常用傳感器：應變片、加速度計、溫度等 1 保證傳感器的性能指標保證傳感器的性能指標 傳感器電路應具有準確度 (精度) 高、反應快、可調性、可靠性和經濟性強等特點。(1) 準確度準確度(精度) 具有足夠的精度是傳感器準確測量被測對象狀態或參數的重要基礎。為滿足精度要求，電路應具備下列性能：低噪聲與高抗干擾能力：對前置放大有要求 低漂移、高穩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的輸出阻相匹配(2)響應速度響應速度 實時動態檢測要求傳感器電路有良

5、好的頻率特性、較高的響應速度。 信號調理電路的設計原則信號調理電路的設計原則信號調理電路的設計原則信號調理電路的設計原則(3)可調整性可調整性 能以同一電路適應不同的同類傳感器，即要求電路的量程或增益可調，且可調范圍大、操作方便。同時希望電路有簡單的數據處理功能。(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，簡化電路結構是提高可靠性的有效辦法。(5)經濟性經濟性 在滿足性能要求的前提下，盡可能地簡化電路，合理設計電路和選用元器件，以獲得好的性價比。 另外，實現低功耗低功耗是一個重要的考慮因素。

6、 2 根據傳感器輸出參量類型進行信號轉換根據傳感器輸出參量類型進行信號轉換(1) 電阻型電阻型 敏感元件將被測量轉換為電阻變化。如溫度傳感器的鉑電阻，熱敏電阻；電阻應變式傳感器的應變片。電路的作用電路的作用：將電阻變化轉換為易測的電參數，如電橋將電阻變換成電壓或電流輸出；振蕩電路將電阻變化轉換成頻率。(2) 電容型電容型 傳感器敏感元件將被測量轉換為電容變化。如電容式線位移、角位移傳感器；電容式液位計等。電路的作用電路的作用：將電容量的變化轉換為易于處理的電壓或電流信號，或通過振蕩電路轉換成頻率信號。 (3) 電感型電感型 傳感器敏感元件將被測量轉換為電感量的變化。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，如采用電感電橋將電感變化變換成電流或電壓變化；用振蕩電路將電感變化轉換成頻率變化。(4) 互感型互感型 傳感器敏感元件將被測量轉換為互感的變化。如差動變壓器式傳感器，電渦流式傳感器等。電路的作用電路的作用：將互感量或互感電勢的變化，轉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換為電壓、電流或頻率變化。 (5) 電壓電壓 (電勢) 型型 傳感器敏感元件將被測量轉換為電壓或電勢變化。如熱電偶，光電池；霍爾元件等。電路的作用電路的作用：將微弱電勢或電壓變化轉變為較強電壓或電流變化。(6)

8、電流型電流型 傳感器敏感元件將被測量轉換為電流變化。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行放大，變換成較強的電壓或電流。(7) 電荷型電荷型 傳感器敏感元件將被測量轉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) 脈沖脈沖 (數字數字) 型型 傳感器將被測量轉換成脈沖序列或數字信號。其輸出的數字信號分三類： 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成正比，即輸出量值大小由信號變化的周期數的增量決定。如光柵、磁柵等測位移的傳感器。 絕對碼信號：一種

9、與被測對象狀態相對應的信號。如碼盤，每一個角度方位對應于一組編碼，這種編碼稱絕對碼。絕對碼信號抗干擾能力很強。開關信號：只有0和1兩個狀態，可視為絕對碼只有一位編碼時的特例。如行程開關、光電開關的輸出信號。電路的作用電路的作用：對于脈沖序列輸出，進行脈沖計數并轉換所需的信號形成；對于編碼信號，將編碼輸出轉換成相應的數字信號。3 傳感器常用調理電路傳感器常用調理電路電橋作用：電橋作用：檢測電阻分量，常用作電阻型傳感器輸出調理電路檢測電阻分量，常用作電阻型傳感器輸出調理電路 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： EABCUZ4Z3Z2

10、DZ1I1I2恒壓源供電：恒流源供電：3 傳感器常用調理電路傳感器常用調理電路Z0Z電源Z0Z電源ABCZ0Z0Z0DUUZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD電源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU單臂電橋：單臂電橋：將電橋的將電橋的一個橋臂阻抗接電參一個橋臂阻抗接電參數型傳感器的變換器數型傳感器的變換器(Z0Z)，其余三個，其余三個臂的阻抗均恒定臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，差動半橋：差動半橋：兩個橋臂與電兩個橋臂與電參數型傳感器的兩個差動參數型傳感器的兩個差動變換器相接，則構成差動變換器相接，則構成差動半橋，即兩個橋臂阻抗發半橋，即兩個橋臂阻抗發生差動變化生差動變化(Z0Z，Z0 Z)其余兩

11、個臂的阻抗均其余兩個臂的阻抗均恒定恒定Z3=Z4=Z0， 差動全橋：差動全橋：四個橋臂阻四個橋臂阻抗均為電參數型傳感器抗均為電參數型傳感器的四個差動變換器，且的四個差動變換器，且四個橋臂阻抗發生差動四個橋臂阻抗發生差動變化變化(Z0Z，Z0 Z，Z0Z，Z0 Z)前置放大器前置放大器 一般，經敏感元件轉換后輸出的信號不僅電平低，內阻高，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阻。否則負載效應造成測量誤差，內阻不是常數的測量場合，所測誤差無法補償。（2）抗共模電壓干擾能力強。共模電壓來源除轉換信號輸出所含共模電壓以外，還

12、有環境造成的共模干擾。（3）在頻帶寬度內增益穩定、線性度好，漂移和失調小，信噪比高。（4）便于增益調整。增益調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。前置放大器前置放大器1. 測量放大器測量放大器)21 (123GININOUTRRRRUUUA特點特點:（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。可用于一般場合，精度要求高時，可選用AD公司提供的AD521，AD522和612型，以及國產ZF60S型單片集成測量放大器。 多檔程控放大器，通過兩位程控信號多檔程控放大器，

13、通過兩位程控信號C1和和C2來控制模擬開關來切換反饋電來控制模擬開關來切換反饋電阻阻Rf ，可實現四個檔的閉環增益值，可實現四個檔的閉環增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和和Rf3/R。特點：特點：電路簡單、容易實現，閉環增益取決于接入的電路簡單、容易實現，閉環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 微弱信號檢測應用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、環微弱信號檢測應用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、環保、醫學、材料等領域。微弱信號檢測的目的是從強噪聲

14、中提保、醫學、材料等領域。微弱信號檢測的目的是從強噪聲中提取有用信號。取有用信號。u 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或裝置的關鍵部件之一。弱信號檢測系統或裝置的關鍵部件之一。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生的噪聲，從而保證信號的低噪聲地降低或抑制放大器自身產生的噪聲，從而保證信號的低噪聲傳輸或放大。傳輸或放大。u 低噪聲放大器產品：低噪聲放大器產品：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隔離運算放大器是指輸入、隔離運算放大器是指輸入、輸出沒有電氣聯系。保證輸輸出沒有電氣聯系。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例：隔離放大器實例：AD202

16、u 排除干擾信號；排除干擾信號；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（測量端）接小電輸出端（測量端）接小電壓，對測量人員有益。壓，對測量人員有益。前置放大器前置放大器u 低頻信號低頻信號用兩個電阻分壓用兩個電阻分壓u 高頻信號高頻信號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當當R2C2=R1C1時，脈沖分壓器的傳遞函數時，脈沖分壓器的傳遞函數與信號頻率無關。此時即使輸入為高頻與信號頻率無關。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信號，脈沖分壓器的輸出波形也不會發生畸變。克服了在對高頻信號進行分壓生畸變。克服了在對高頻信號進行分壓時，由于時，由于分布電容分布電容的影響所導致的分壓的影響所導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放大相移被測信號輸入（AC）參考輸入（AC）信號通道參考通道相關器乘法器6.鎖定放大器鎖定放大器作用：作用：利用噪聲信號不可能與待測信號同頻同相的特點，利用一個與待測