低功耗无线应变传感器的研究与应用

随着人们对结构安全性重视程度的提高以及各种监测、检测相关技术的发展,结构健康监测技术已经成为土木工程结构研究中的重要方向。无线传感器由于其小型化、集成化、低维修费用、少安装时间等特点而成为近年来结构健康监测系统的研究热点。 本文在充分研究传感技术、信号处理技术、无线通信技术知识上,针对传统应变采集设备体积较大、布线长、要求使用导线精度高等问题,设计了用于局部性态监测的低功耗无线应变传感器。
文章主要内容如下:
 (1)信号的调理与采集:使用传统应变片作为结构应变测量的敏感元件,通过放大滤波电路后,使用微控制器内部的模数转换器(ADC)进行电压数据的转换。
 (2)射频通信模块的设计:选用单片射频收发芯片nRF905,设计信号传输电路并独立完成软件的编写与调试,实现数据的可靠收发。
 (3)天线设计:分析了小环天线的一般性能,用谐振分析法设计了天线,用变压器匹配法为天线和射频芯片设计了匹配网络,并使用3D电磁仿真软件HFSS验证了方案的可行性。
 (4)低功耗设计:从硬件和软件两个方面对系统功耗进行了分析,通过中断唤醒,实现工作模式的切换,达到低功耗设计。
 (5)应变测量上位机程序开发:通过VC的MSComm控件对单片机发射的串口数据进行接收和显示。 整个系统的基本目的在于监测信号并对信号进行分析,因此,得到准确的信号是系统正常工作的基础,
 提出了一种以MSP430F149为主控芯片、nRF24L01为无线传输芯片、AD627为前置放大器的低功耗无线应变传感器的设计方案,给出了该传感器的总体结构,详细介绍了该传感器数据采集发射子系统的软硬件设计方法,并对该传感器进行了能耗分析和测试,得出了该传感器的能耗公式。经理论计算,该无线应变传感器的平均电流消耗为32μA,比现有无线应变传感器的能耗低;测试结果与理论分析结果基本一致,且电池使用寿命可达70h以上。