低功耗无线应变传感器的研究与应用(88页).rar

摘要
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:
(l)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nRFg肠，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MSCollun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，本文详细介绍了传感器采集的前端放大滤波电路
以及利用MSP430片内的ADC进行数据采集的方法。作为一个射频产品，无线通
信的可靠性非常重要，本文详细分析了高可靠性的射频芯片nRFgOS的硬件原理、
配置方法、工作方式、射频接收和发送的工作流程，在制作电路板和天线设计
中应该注意的一些问题，以及无线通信距离的计算方法。
本文讲述的系统具有一般性，其在结构健康监测的实际使用中效果良好，
此外，本系统可经过稍微修改，应用于无线水表、无线电表、无线安防系统、无线开锁、家庭自动化和玩具等诸多领域。
最后对全文做了总结，并指出以后系统的发展前景和方向。
关键词:应变传感器;无线通信;低功耗;小环天线;




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