用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器

摘要

本发明公开了一种用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器，包括电路板硬件、外壳、电源通信插座以及传感器插座；电源通信插座和传感器插座安装于外壳的两侧壁上，电路板硬件固定于外壳的底部，电路板硬件上各电源、信号线通过导线与电源通信插座以及传感器插座连接；电路板硬件由信号调理采集模块、微控制器、CAN通信模块和电源管理模块组成，适用的传感器为电阻应变式传感器。本发明的多个分布式应变采集器配合监测主机，能够组建成大规模的面向船舶结构长期安全监测应用的分布式传感器网络，实施时每个应变采集器可以灵活地布置于传感器附近，对船舶结构应变应力进行实时监测，并把测量数据实时传递给监测主机。

权利要求

1.一种用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器，其特征在于：包括电路板硬件（A）、外壳（B）、电源通信插座（C）以及传感器插座（D）；电源通信插座（C）和传感器插座（D）安装于外壳（B）的两侧壁上，电路板硬件（A）固定于外壳（B）的底部，电路板硬件（A）上各电源、信号线通过导线与电源通信插座（C）以及传感器插座（D）连接；

电路板硬件（A）包括信号调理采集模块（1）、微控制器（2）、CAN通信模块（3）和电源管理模块（4）；信号调理采集模块（1）的输入端与传感器（5）连接；微控制器（2）内置SPI接口、CAN控制器和CPU；微控制器（2）与信号调理采集模块（1）通过SPI接口连接，将经过信号调理采集模块（1）模数转换的数字信号输入CPU中进行信号处理；微控制器（2）的CAN控制器通过CAN通信模块（3）与CAN总线网络连接，将CPU处理的数字信息经CAN总线发送至监测主机（7）；电源管理模块（4）的输入端连接直流电源（6），输出端分别连接信号调理采集模块（1）、微控制器（2）和CAN通信模块（3）；

直流电源（6）、监测主机（7）通过电源通信插座（C）与电路板硬件（A）连接；传感器（5）通过传感器插座（D）与电路板硬件（A）连接；

所述信号调理采集模块（1）包括电子开关（11）、桥臂电阻（13）、恒压电路（14）和集成模数转换器（12）；集成模数转换器（12）内置可编程增益信号放大器、模数转换器、GPIO口和SPI接口；集成模数转换器（12）的GPIO口连接电子开关（11），根据桥路设置类型控制电子开关（11）的断开和闭合，使得连接在电子开关（11）上的桥臂电阻（13）组成相应的桥臂电路；集成模数转换器（12）的输入端连接由桥臂电阻（13）组成的桥臂电路的输出，对桥臂电路输出的模拟信号进行放大调理和模数转换；集成模数转换器（12）与微控制器（2）通过SPI接口连接，进行数据的收发；恒压电路（14）与桥臂电路连接，为桥臂电路提供基准激励电压。

2.根据权利要求1所述用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器，其特征在于：所述电源管理模块（4）包括顺序连接的电源输入端（44）、降压滤波电路（43）、电压隔离电路（42）和供电管理电路（41）；电源输入端（44）连接直流电源（6），得到高电平直流电压；

降压滤波电路（43）由降压稳压器连接电感、电容滤波电路构成，将高电平直流电压转换为稳定的低电平电压；电压隔离电路（42）由变压器、变压器隔离驱动芯片和二极管整流电路构成，将由降压滤波电路（43）输出的电压与供给各个模块的工作电压进行隔离；供电管理电路（41）由稳压芯片和电阻、电容构成。

说明书

用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于船舶结构长期安全监测的装置，尤其涉及一种能够组建成大规模的面向船舶结构长期安全监测应用的分布式应变采集器。该变采集器以分布式形式布置于船舶的各个测量部位，对船舶结构应变应力进行实时测量，也可扩展用于土木工程和海洋平台等大型结构的安全监测。

背景技术

[0002] 船舶在使用过程中，长期受到海水压力、波浪冲击以及海水腐蚀，船体结构会发生各种结构损伤和疲劳破坏，导致船舶壳体结构强度和疲劳寿命降低从而使船舶使用安全性下降。限于研究手段和测试技术，以往我国船舶结构安全评定主要以传统的无损探伤和人工视察为主，定期对船舶结构状态进行安全评估，这种方法耗时、费力、费用昂贵，不能得到船舶结构变化的原始数据，难于找到结构发生破坏的根本原因，而且更严重的是虽然有些结构部位安全性下降，但是由于不能被实时在线检测发现，使得船舶在运行时存在着安全隐患。随着传感器技术和网络通信技术以及电子技术的发展，船舶结构安全评定已从传统的定期的安全检测向实时在线监测分析发展，这不仅能够实时记录船舶航行中船体结构的受力情况，还能够根据监测数据对船舶结构状态进行在线安全评估，并对船体结构的安全性提供必要的预警信息，以便及时采取应对措施。

[0003] 应变采集器的应用研究经历了从最初的集中式测量到分布式测量的发展。与集中式应变采集器相比，分布式应变采集器将集中式应变采集器的数据采集功能分散到各个采集器中，单个采集器出现故障不会影响其它采集器的正常工作，从而增强了船舶结构长期安全监测系统的健壮性。目前，国内投入应用的分布式应变采集器存在体积大，功耗大，不能远距离工作，每个采集器通道数目过多，不能直接布置于传感器附近，造成传感器与采集器之间导线过长，容易受到外界电磁场干扰，测量准确性不能保证；另外工程应用安装不便，不适用于船舶结构的长期安全监测。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器，以克服现有技术中的上述问题。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种用于船舶结构长期安全监测的分布式应变采集器，包括电路板硬件、外壳、电源通信插座以及传感器插座；电源通信插座和传感器插座安装于外壳的两侧壁上，电路板硬件固定于外壳的底部，电路板硬件上各电源、信号线通过导线与电源通信插座以及传感器插座连接；

[0007] 电路板硬件包括信号调理采集模块、微控制器、CAN通信模块和电源管理模块；信号调理采集模块的输入端与传感器连接；微控制器内置SPI接口、CAN控制器和CPU；微控制器与信号调理采集模块通过SPI接口连接，将经过信号调理采集模块模数转换的数字信号输入CPU中进行信号处理；微控制器的CAN控制器通过CAN通信模块与CAN总线网络连接，将CPU处理的数字信息经CAN总线发送至监测主机；电源管理模块的输入端连接直流电源，输出端分别连接信号调理采集模块、微控制器和CAN通信模块；

[0008] 直流电源、监测主机通过电源通信插座与电路板硬件连接；传感器通过传感器插座与电路板硬件连接。

[0009] 本发明的有益技术效果是：

[0010] 本发明体积小、安装灵活，具有可连接1～4个传感器的传感器输入通道，就近布置于传感器附近，从而减少外界电磁信号的干扰，提高测量精度；数据通信实时性强、可靠性高和较强的抗电磁干扰能力，多个应变采集器配合监测主机，能够组建成大规模的面向船舶结构安全监测应用的分布式传感器网络，不仅能够对营运中船舶的主要结构部位受力情况和结构振动状态进行有效实时测试和分析，还能对船舶结构状态进行在线安全评估，保障船舶运行安全。

[0011] 本发明采用模块化设计方法，将应变采集器小型化（边长最大尺寸小于10cm）、低功耗化（小于1w），同时采用宽供电电压技术，并以CAN总线作为通信方式，这样分布于船体各个部位的应变采集器通过CAN总线将采集到的结构受力数据传递给监测主机。本发明采用非破坏的逐位仲裁机制竞争向总线发送数据，并对通信数据进行编码，数据通信实时性强，适用于对船舶结构受力的动静态测量；本发明在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上的其它采集器不受影响，可靠性比较高，容易对出现故障的采集器进行排查更换。采用本发明可以组成具有110个应变采集器的监测系统，实现对船舶结构的大规模在线监测。本发明的每个通道可以根据传感器的类型设置为全桥、半桥、1/4桥、三线制1/4桥等桥路形式，以适用于多种类型的传感器。

附图说明

[0012] 图1是本发明的结构示意图。

[0013] 图2是图1中的电路板硬件A的结构框图。

[0014] 图3是图2中的CAN通信模块3的电路原理图。

[0015] 图4是图2中的信号调理采集模块1的电路原理图。

[0016] 图5是图2中的电源管理模块4的电路原理图。

[0017] 图6是本发明的系统流程框图。

[0018] 注：

[0019] 图4中，I—信号调理采集模块（除恒压电路）原理图；Ⅱ—恒压电路原理图。

[0020] 图5中，I—降压滤波电路原理图；Ⅱ—电压隔离电路原理图；Ⅲ—供电管理电路原理图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

[0022] 如图1所示，本发明包括电路板硬件A、外壳B、电源通信插座C以及传感器插座D。电源通信插座C、传感器插座D安装于外壳B的两侧壁上，每个本发明具有进、出两个电源通信插座C和1~4个传感器插座D。电源通信插座C、传感器插座D采用直径较大的航空插座以满足船用电缆的特殊要求。外壳B材质可采用金属或工程塑料，当采用工程塑料是在其内壁喷涂导电屏蔽漆。电路板硬件A采用螺栓固定方式固定于外壳B的底部，由导线实现电路板上各电源、信号线与航空插座的连接。外壳B密封时采用密封垫，以防止水或潮湿气体的浸入。

[0023] 如图2所示，电路板硬件A包括信号调理采集模块1、微控制器2、CAN通信模块3和电源管理模块4。微控制器2选用嵌入式微控制器STM32F103VC，具有高速同步串行外设接口（SPI接口）、CAN控制器和处理器（CPU）。微控制器2与信号调理采集模块1通过SPI接口连接，将经过信号调理采集模块1模数转换的数字信号输入CPU中进行信号处理；微控制器2的CAN控制器通过CAN通信模块3与CAN总线网络连接，将CPU处理的数字信息经CAN总线发送至监测主机7。直流电源6是船舶结构长期安全监测系统一体化监测机内部的稳压电源，内置于监测主机中，为电路板硬件A提供一个直流电压。电源管理模块4的输入端连接直流电源6，输出端分别与微控制器2、信号调理采集模块1和CAN通信模块3连接。

[0024] 传感器5为电阻应变式传感器，可以为电阻应变片、压力传感器和加速度传感器，感应监测点处的应变、加速度和压力信号，并将应变信号输入至信号调理采集模块1。信号调理采集模块1包括电子开关11、桥臂电阻13、恒压电路14和集成模数转换器12。集成模数转换器12内置可编程增益信号放大器、模数转换器、通用输入输出口（GPIO口）和高速同步串行外设接口（SPI接口）。集成模数转换器12的GPIO口连接电子开关11，根据桥路设置类型控制电子开关11的断开和闭合，使得连接在电子开关11上的桥臂电阻13组成相应的桥路；集成模数转换器12的输入端连接桥臂电阻13电桥桥路输出，对桥路输出的模拟信号进行放大处理和模数转换；集成模数转换器12与微控制器2通过SPI接口连接，进行数据的收发。恒压电路14与桥臂电阻13电桥桥路连接，给电桥提供一个基准工作电压。

[0025] CAN通信模块3包括数字隔离器31和CAN总线收发器32。微控制器2内部集成的CAN控制器经CAN通信模块3连接CAN总线。数字隔离器31为高性能磁耦隔离器，一端连接CAN控制器，一端连接CAN总线收发器32，用于将CAN控制器和CAN总线收发器32进行电气隔离；CAN总线收发器32连接CAN总线网络，具有高抗电磁干扰能力，传输速率高达1Mbps，满足大量数据的实时性传输要求。

[0026] 电源管理模块4包括顺序连接的电源输入端44、降压滤波电路43、电压隔离电路42和供电管理电路41。电源输入端44连接直流电源6，得到一个高电平直流电压。降压滤波电路43由（9～75V）宽电压输入降压稳压器连接电感、电容滤波电路构成，将高电平直流电压转换为稳定的低电平电压。电压隔离电路42由小型隔离变压器、与隔离变压器连接的驱动芯片和二极管整流电路构成，将由降压滤波电路43输出的电压与供给各个模块的工作电压进行隔离。供电管理电路41由稳压芯片和电阻、电容构成。

[0027] 直流电源6、监测主机7通过电源通信插座C与电路板硬件A连接；传感器5通过传感器插座D与电路板硬件A连接。

[0028] 如图3所示，CAN通信模块3电路由磁耦隔离器U1，高速CAN收发器U2和电阻、电容等组成。磁耦隔离器U1的1脚接电源VEE，2脚、3脚对应连接微控制器（STM32F103VC）的CAN控制器接口CAN_RX、CAN_TX，4脚接信号地，5脚接电源地，6脚、7脚对应连接CAN收发器U2的1脚、4脚，8脚接+5V。CAN收发器U2的2脚接电源地，3脚接+5V，6脚、7脚分别经限流电阻R1、R2连接CAN总线接口端CAN_H、CAN_L，8脚接电源地。CAN总线输入端与地之间分别连接防雷击管L1，L2和电容C1、C2。电阻R3连接CAN总线的两端。

[0029] 如图4所示，信号调理采集模块1电路（除恒压电路14）由集成模数转换器U3，独立的4路电子开关U4、桥臂电路和电容等组成。集成模数转换器U3的1脚连接微控制器（STM32F103VC）的PD9，给集成模数转换器U3提供数字电源输入，2脚接地，4脚接微控制器（STM32F103VC）的PD8，5脚经电阻R4接地，6、8、10、21脚接地，7脚接参考电压VREFP，并经电容C4接地，9脚经电容C5接地，11脚和12脚对应连接电桥的两个输出端，并分别经电容C6、C7接地。集成模数转换器U3的16脚、17、18脚对应连接电子开关U4的8、9、1和16脚，以控制4个电子开关的状态（1或是0），其中电子开关U4的1脚和16脚相连。集成模数转换器U3的22脚连接电源VEE，23、24、25脚对应连接微控制器（STM32F103VC）的PB0、PB1、PB2，控制集成模数转换器U3的模数转换。集成模数转换器U3的同步串行通信接口26、27、28脚对应连接微控制器（STM32F103VC）的SPI1_MISO、SPI1_MOSI、SPI1_SCK，进行微控制器和模数转换器之间的数据通信。J2为传感器接线端，J2的1、2、3、4、5脚为连接传感器的五个接线端：模拟信号正向输入端（S+）、模拟信号反向输入端（S-）、三线制补偿端（SG）、信号地（AGND）、桥路激励电压（VEXC）。电子开关U4的2脚连接接线端S-，并和6脚连接经电阻R6连接集成模数转换器U3的模拟输入端11脚。电子开关U4的3脚和14脚之间串联电阻R9和R10，作为桥臂电阻，在两个电阻之间提供桥路激励电压VEXC。电子开关U4的5脚接地，7脚经电阻R8接地，10脚连接接线端AGND。电子开关U4的11脚连接接线端SG，并经电阻R7和15脚相连。电子开关U4的13脚接电源VEE，并经电容C11接地。电子开关U4的15脚连接接线端S+。

[0030] 如图4所示，恒压电路14由降压稳压器U5、双运放集成芯片U6和电阻、电容等组成。降压稳压器U5的1脚、3脚接电源VEE，并经电容C13接地。降压稳压器U5的2脚经电阻R11连接6脚，4脚接地，5脚和6脚连接，6脚输出参考电压VREFP。双运放集成芯片U6的8脚接电源VEE，4脚接地，3脚连接参考电压VREFP。双运放集成芯片U6的2脚经电阻R12接地，并经电阻R13连接1脚。双运放集成芯片U6的1脚接第二级运放的输入端5脚。双运放集成芯片U6的6脚和三极管Q1的3脚连接电压VEXC，7脚经电阻R14连接三极管Q1的1脚。三极管Q1的2脚接电源VEE。

[0031] 如图5所示，降压滤波电路43由降压稳压器U7、肖特基二极管D1和电感、电阻、电容等组成。J3为电源输入端，电压输入范围为+9～75V。输入电源经电阻R15和二极管D1连接降压稳压器U7的8脚。降压稳压器U7的8脚经电容C15接电源地，7脚经电容C16接电源地，6脚经电阻R16接8脚。降压稳压器U7的5脚连接电阻R18、R19的连接点，并经电容C18连接电感L1的一端。降压稳压器U7的4脚接电源地，3脚经电阻R17接4脚，2脚经电容C17接1脚。降压稳压器U7的1脚经二极管D2接电源地，并经电感L1、L2滤波后得到直流电压+5V。电压+5V通过电容C19、C20、C21接电源地。

[0032] 如图5所示，电压隔离电路42由变压器隔离驱动芯片U8、变压器U9、整流二极管D3和电感、电容等组成。变压器隔离驱动芯片U8的1脚、8脚对应连接变压器U9的1脚、3脚。变压器隔离驱动芯片U8的2脚、4脚和7脚连接电源地。变压器隔离驱动芯片U8的
6脚接+5V，并经电容C22接电源地。变压器U9的2脚接+5V，5脚接地，4脚、6脚对应连接整流二极管D3的2脚、1脚。整流二极管D3的3脚经电感L3输出稳定电压+5.5V。电压+5.5V经电容C23、C24、C25接地。电源地通过磁珠R22与地隔离。

[0033] 如图5所示，供电管理电路41由稳压芯片U10和电阻、电容等组成。稳压芯片U10的8脚连接+5.5V，6、7、2脚接地，5脚连接8脚。稳压芯片U10的4脚接地，3脚连接电阻R20、R21的连接点，并经电容C28连接1脚。稳压芯片U10的1脚输出稳定的电压VEE。电源VEE经电容C26、C27接地。

[0034] 本发明的程序采用模块化设计方法，工作流程如图6所示。

[0035] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。