一种用于风洞应变式天平健康状态监控的装置技术领域
本发明涉及一种用于风洞应变式天平健康状态监控的装置，属于风洞实验领域。
背景技术
风洞天平是指用于支撑模型并测量作用在模型上的空气动力的大小、方向和作用
点的装置。利用粘贴在天平元件上电阻应变计作为变换器来测量相应的气动力(力矩)的天
平，称为风洞应变式天平。该类天平属于精密设备，运输过程的振动冲击、安装使用过程中
的敲击等均易导致损坏。在天平运输、使用过程进行健康状态监控，记录天平损坏过程数
据，对于追溯天平损坏原因以及保护天平具有重要意义。
天平损坏主要为外力冲击、持续过载等原因导致天平本体产生裂隙或者塑性变
形。因此，天平健康状态监控主要通过实时测量天平运输、使用过程的载荷输出并进行判读
而实现。
天平工作方式为桥式应变检测电路，各桥路分别由激励电路、响应输出电路构成。
需要准确同时采集激励电路电压、响应输出电路电压，从而换算出各分量数值。天平输出信
号为微小信号，需要对信号进行大增益放大。风洞试验现场大多数采用HBM公司的天平数据
采集系统进行天平信号监控。该设备采用载波技术，能够有效过滤掉干扰信号，采集精度
高，但体积大，不适用于模型拆装、运输等经常移动的场景。
如何提供一种体积轻、便携式的应变式天平健康状态监控的装置是本领域亟待解
决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于风洞应变式天平健康状态
监控的装置，重量轻、便携，能够很好的满足风洞试验使用需求。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种用于风洞应变式天平健康状态监控的装置，包括主控电路、信号调理采
集电路、电池充放电电源管理电路、报警指示电路、数据显示模块和电池；
信号调理采集电路包括采集天平激励电压、电池电压和天平六分量信号，进行放
大滤波后进行A/D变换，将A/D变换的数据发送给主控电路；接收主控电路发送的报警信号
并发送给报警指示电路；
电池充放电电源管理电路控制电池充放电，为风洞应变式天平健康状态监控的装
置和天平提供稳定的电源供电；
主控电路接收信号调理采集电路输出的天平激励电压电池电压和天平六分量
信号并发送给数据显示模块，其中i表示天平的分量序号，6≥i≥1；计算其
中tj表示采样时刻，t0表示当前时刻；当大于设定阈值时，输出触发报警，计算
当|k1-k2|大于阈值时，输出触发报警，n为滑动滤波
取点数量滑动滤波取点数量；当触发报警后，主控电路将报警时刻前4s和后4s的天平激励
电压电池电压和天平六分量信号进行存储，并将大于设定阈值的天平的分量序号i
发送到数据显示模块；
报警指示电路在接收到报警信号后输出声光报警；
数据显示模块显示激励电压、电池电压、天平六分量信号和报警通道即天平的分
量序号i。
优选的，|k1-k2|六个通道的阈值通过加载试验分别确定。
优选的，还包括外壳，外壳设置天平插座及天平快速插座，二者并联；所述天平插
座用于和天平的已焊接的连接插头直接相连，所述天平快速插座用于和天平未焊接的连接
线相连。
优选的，所述主控电路通过PC104总线实现与信号调理采集电路的供电及数据交
互。
优选的，n取100，200或300。
优选的，还包括环式数据缓存，用于获取主控电路将报警时刻前4s和后4s的天平
激励电压电池电压和天平六分量信号数据。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明适用于风洞模型安装和天平运输等追求便携性的场合，在满足测量精
度的情况下尽量减小体积，并不追求高精度；本发明采用嵌入式系统，并使用高能量密度电
池，减小了对固定电源的依赖，实现了体积小、重量轻、方便携带及使用。本发明通过采用
来进行判断，消除了对高精度电源的需求，在降低体积的同时保证了装置的精度在
可接受的范围内。
(2)本发明采用的系统可独立供电工作，且续航时间长，方便移动场景下使用。
(3)本发明数据采集使用环式缓存方式，记录报警时刻前4s和后4s的数据，可有效
记录冲击、过载时刻前后一段时间的数据波形，便于故障原因追溯。
(4)本发明使用的声光报警装置可及时有效提醒天平故障的发生，减少操作人员
对天平的进一步破坏。
附图说明
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明系统正面结构示意图；
图3为本发明系统侧面结构示意图；
图4为本发明天平状态显示窗口参数说明；
图5为本发明实测报警记录数据示意图。
具体实施方式
本发明的技术解决方案是：本发明主控电路、信号调理采集电路、电池充放电电源
管理电路、报警指示电路、数据显示模块、电池和外壳。
信号调理采集电路包括采集天平激励电压、电池电压和天平六分量信号，进行放
大滤波后进行A/D变换，将A/D变换的数据发送给主控电路；接收主控电路发送的报警信号
并发送给报警指示电路；
电池充放电电源管理电路控制电池充放电，为风洞应变式天平健康状态监控的装
置和天平提供稳定的电源供电；
主控电路接收信号调理采集电路输出的天平激励电压电池电压和天平六分量
信号并发送给数据显示模块，其中i表示天平的分量序号，6≥i≥1；计算其
中tj表示采样时刻，t0表示当前时刻；当大于设定阈值时，输出触发报警，计算
当|k1-k2|大于阈值时，输出触发报警，n为滑动滤波
取点数量滑动滤波取点数量；当触发报警后，主控电路将报警时刻前4s和后4s的天平激励
电压电池电压和天平六分量信号进行存储，并将大于设定阈值的天平的分量序号i
发送到数据显示模块；
报警指示电路在接收到报警信号后输出声光报警；
数据显示模块显示激励电压、电池电压、天平六分量信号和报警通道即天平的分
量序号i。
还包括外壳，外壳设置天平插座及天平快速插座，二者并联；所述天平插座用于和
天平的已焊接的连接插头直接相连，所述天平快速插座用于和天平未焊接的连接线相连。
主控电路通过PC104总线实现与信号调理采集电路的供电及数据交互。
还包括环式数据缓存，用于获取主控电路将报警时刻前4s和后4s的天平激励电压
电池电压和天平六分量信号数据。
以嵌入式计算机为软件程序的开发、运行平台，通过PC104总线将控制信息发送至
信号调理采集卡。信号调理采集卡将天平输入信号调理放大后经12位AD采样转换为数字
量，通过PC104总线发回至嵌入式计算机，供计算机判读。经计算机判读程序处理，将天平六
分量数据、激励电源数据、电池电量数据等显示于显示屏。若经程序判读，发现冲击信号过
大，天平损坏，将会由信号调理采集卡发出相应信号，控制报警提示电路进行报警，并将报
警之前4秒与报警之后4秒数据存储于电子硬盘。电源管理模块为系统提供小于1％波动的
5V电源，对电池充放电过程进行管理，同时具备电池电量显示功能。
本发明针对上述问题，设计出便携式天平状态监控设备，设备自带电池，能够长时
间工作，监控冲击载荷对天平的破坏。通过显示屏幕读数能够判读天平损坏与否；天平安装
过程中，若出现超限冲击载荷，将通过声光方式进行报警，并将报警时冲击数据存c储于电
子盘，后续可读取报警数据进行故障溯源分析。
本发明组成如图1所示，以嵌入式计算机为软件程序的开发、运行平台，通过PC104
总线将控制信息发送至信号调理采集卡。信号调理采集卡将天平输入信号调理放大后经12
位AD采样转换为数字量，通过PC104总线发回至嵌入式计算机，供计算机判读，并显示于液
晶屏幕。电源管理模块为系统提供小于1％波动的5V电源，对电池充放电过程进行管理，同
时具备电池电量显示功能。
本发明外形结构见图2、图3。
a)天平D型插座：遵照天平1-24针，电源正、电源负、信号正、信号负，13针空出的线
序焊接。
b)天平快速装拆插头：与D型插座并联，可以借助简单辅助工具进行天平线缆与状
态监控器的连接，用于天平线缆未焊接插头时连接使用。其线序遵照1～6针为激励电源正，
7～12针为激励电源负，13～24针依次为1～6通道信号正、信号负(见图3)。
c)数据读取/鼠标键盘接口：用于插接鼠标、键盘、U盘。
d)充电插座：可连接220V充电器或便携式充电盒为设备充电，最大充电电流
3000mA。
e)显示器VGA插座：用于连接液晶显示器。
f)电量显示按钮：用于非充电状态下查看电池电量。
g)电量指示灯：充电时指示充电状态，非充电状态下指示电池电量。
h)电源开关：用于系统开关机，及显示开关机状态。
i)报警指示灯：开机过程为橙色，开机完成时红绿交替闪烁，正常工作为绿色，报
警状态为红色。
j)天平状态显示窗口：左边一列为天平6通道数据，单位为mV/V，右边一列第一行
为激励电压，第二行为电池电压，第五行为各通道故障状态。
k)电池：采用EB595675LU型号电池，电池容量3000mAh，自带低电压保护、过放电保
护功能。
l)供电、充电、外围辅助电路：DC-DC稳压电路为主板提供稳定的5V电源，同时为天
平提供激励电压。充电电路用于管理锂电池充电过程及充电状态显示。其他外围辅助电路
为报警蜂鸣器电路、工作状态灯驱动电路等。
m)Pc104主板：为本系统的主控电路，用于完成控制数据采集卡数据采集、报警提
示，采集记录报警数据等功能。
n)数据采集卡：16通道单端/8通道差分输入高可靠性数据采集卡，自带信号调理
电路，各通道能够实现1-1000软件可调整增益。同时具备16路数字信号输入输出功能。
o)充电：使用5V(3A)电源通过充电线缆与充电口进行连接，电量显示灯将以2HZ的
频率闪烁，从左至右闪烁灯的个数代表电池电量。电池快速充电完毕，进入浮充状态电量指
示灯将常亮，浮充2小时以上电量指示灯将熄灭，完成充电过程。
p)开机使用：插上天平插头，打开电源开关，等待约30秒，显示开机界面，待提示音
完毕，显示天平各工作状态，即可正常使用。
q)天平健康状态判读：液晶屏幕显示为6分量实时输出值，右侧为天平激励电压，
电池电压。若天平某通道数据突变量超过阀值，蜂鸣器将发出“滴……”的报警声，状态指示
灯转为红色进行提示。
r)关机：按动电源按钮，切断系统供电，电源指示灯熄灭，即完成系统关机。
s)报警数据获取与分析：开机状态下插上显示器，插入U盘，拷贝出报警数据，利用
MATLAB报警数据分析程序进行分析。
t)查看剩余电量：充电状态下，直接观察电量指示灯，若电量指示灯熄灭，表示电
池为满电状态。非充电状态按下电量显示开关将显示电池电量。
u)修改报警阀值：系统C盘threshold.txt文件内存储由各通道报警阀值，通过修
改该文档即可完成阀值修改任务。目前设置报警阀值为1.4mV/V。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。