一種多功能輸運狀態監測記錄裝置和監測方法

專利名稱：一種多功能輸運狀態監測記錄裝置和監測方法
技術領域：
本發明涉及一種對行進中或輸運過程中的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度環境進行測量和記錄的監測裝置，更具體地來說屬于一種多功能振動和姿態監測記錄裝置。
背景技術：
眾所周知，飛機等交通工具上用的“黑匣子”作為事故監測裝置已經得到廣泛應用。而目前對鐵路、公路、空運、海運、人力等運輸的貨物進行監督，業已成為托運者日益關注的問題。商家與承運商之間因為運輸損失的糾紛也時有發生，但很難舉證。特別是有一些怕振動、怕熱、怕傾斜、怕倒置以及一些貴重物品和危險品的運輸，運輸過程中需要有一個雙方都認可的監督裝置，因此對于運輸狀況監測裝置有極大的社會需求；另外，也需求一種車輛振動舒適性監測的裝置，以便作為評價車輛性能的參考指標。
而已有的技術多采用一次性的運輸監督裝置。如市面上出售的一種監測振動的監測裝置，是一個體積很小的透明小型管狀結構，內部裝有對振動敏感的化學液體。使用時將其用透明膠帶粘貼在怕振動的如計算機硬盤、高檔相機、貴重瓷器等被運輸貨物上。如果貨物在運輸過程中有較強振動，管內的液體會變為紅色，紅色越深，表明受到的振動越強。
另外還有測量溫度范圍和測量倒置的一次性監測裝置。溫度的監測一般是類似體溫計的結構，可以測量運輸過程中的最高溫度。倒置監測與振動監測相似，只要倒置，小型透明管的顏色從白色變為紅色。只要超過了合同所規定的范圍，即可作為一種證據對承運方提出索賠要求。
因此以上裝置僅限于溫度或顏色表征的單項參數，只能一次性使用，而且無法將測量隨時間的變化存儲至外部計算機，難以適應對于運輸監測的日益急迫需求。

發明內容
本發明的目的是提供一種可以對行進或運輸過程中的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度環境進行測量的監測裝置和監測方法，已彌補現有技術的不足。
鑒于半導體技術的發展，已提供有多用于振動監測和角度測量的加速度傳感器。這種傳感器可以測量自身的加速度，在靜態時測量的是自身的重力加速度與測量軸的角度余弦值。如果此傳感器的測量軸與重力加速度方向呈一定的角度ω，則此加速度傳感器的輸出為cos(ω)。可以使用三只單軸傳感器組成三軸傳感器。這樣，可以對運輸過程中的振動情況和倒置情況進行監測。此種傳感器有多種量程，從滿量程1.5G到滿量程100G的型號均有出售。溫度傳感器可采用市售的標準元件，例如AD590系列，功耗低，而且不需要曲線校正。氣壓傳感器也采用市售產品。
本發明包括配有通訊接口、存儲芯片及設置在外殼上的顯示屏和按鍵的含有軟件程序的單片機，并經A/D采集電路與具有互為正交的x、y、z軸的加速度傳感器相連，其輸出信號由信號處理電路經A/D采集電路轉換后輸入至單片機，單片機將所采集到的各種參數存儲至存儲芯片。
考慮到能夠同時測量溫度參數，將溫度傳感器連接到A/D采集電路的輸入端。
進一步為了同時測量氣壓參數，將氣壓傳感器連接到A/D采集電路的另一輸入端。
如需要拓展其他測量功能，還在A/D采集電路上連接至少一只外部傳感器接口，即外部傳感器從設在外殼上的插孔輸入至A/D采集電路。
為了擴大量程的測量范圍，加速度傳感器也可以多于1個，如同時設置1.5G和10G兩個不同量程的加速度傳感器。
本發明以單片機為核心，其含有的軟件程序完成自檢、接受用戶的參數設置、傳感器輸出采集、顯示結果等功能。單片機本身帶有或外部連接有A/D采集電路，將外部各傳感器參數進行模擬/數字轉換。傳感器有溫度、氣壓等標準傳感器，也可以通過外接插孔輸入附加的傳感器，例如壓力、濕度或其他需要監測的電壓、電流等。加速度傳感器采用市售的成品，組合成為互為正交的三個軸，以便對被監測目標的全方位的振動、翻滾進行監測。加速度傳感器的輸出連接到信號處理電路上，以便進行最大值和最小值的保存。單片機將所采集的信號存儲于存儲器，存儲器可以使用EEPROM或FLASH等掉電不易失信息的類型，更可以使用市售的存儲卡通過存儲卡插座連接于單片機，存儲器中的信息可以通過通訊接口傳輸至外部計算機。本發明以電池供電，電池的電量由電池監測電路負責，并傳輸至單片機。單片機外殼上的孔用來將本發明與被監測目標捆扎在一起。
與加速度傳感器輸出相連的信號處理電路，主要實現在兩個清零信號之間保存信號的最大與最小值。在用戶設置的測量周期內，該電路將最大值保存，待單片機將數據采集、保存完畢后，單片機給該電路發出清零信號，使信號處理電路歸零，以便下一個周期的測量。
本發明的監測方法首先將本發明緊固于被監測的目標上(目標可以是需要監測的托運貨物或者是怕振動的貴重物品，對于車輛等運動目標也可以進行監測)，再打開電源，通過按鍵和顯示屏的交互設置測量參數(對于不同的傳感器可以設置不同的時間間隔)，然后確認參數，開始測量。到達目的地后，即可查看本發明所存儲的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度信息，必要時可通過通訊接口將數據存儲于外部的計算機中詳細查看。


下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1，本發明的電路各組件連接示意2，本發明的外殼的示意3，本發明的信號處理電路原理4，本發明的程序流程圖其中，1加速度傳感器，2溫度傳感器，3氣壓傳感器，4A/D采集電路，5單片機，6信號處理電路，7外部傳感器接口，8孔，9蓋板，10顯示屏，11電池監測電路，12電池組，13存儲芯片，14通訊接口，15按鍵，16外殼，17電源插孔，18插孔具體實施方式
本發明包括配有通訊接口14、存儲芯片13及設置在外殼16上的顯示屏10和按鍵15的含有軟件程序的單片機5，并經A/D采集電路4與具有互為正交的x、y、z軸的加速度傳感器1相連，其輸出信號由信號處理電路6經A/D采集電路4轉換后輸入至單片機5，單片機5將所采集到的各種參數存儲至存儲芯片13。
為了擴大量程的測量范圍，加速度傳感器1也可以多于1個，如同時設置1.5G和10G兩個不同量程的加速度傳感器。
考慮到能夠同時測量溫度參數，將溫度傳感器2連接到A/D采集電路4的輸入端，也就是A/D采集電路4連接有溫度傳感器2。
進一步為了同時測量氣壓參數，將氣壓傳感器連接到A/D采集電路4的另一輸入端，也就是A/D采集電路4連接有氣壓傳感器3。
如需要拓展其他測量功能，還在A/D采集電路4上連接至少一只與外部傳感器接口相連的插口18，即外部傳感器從設在外殼上的插孔輸入至A/D采集電路4，圖2中只標示出一個插孔18。
本發明由電池組12供電，電池監測電路11將電池組12的狀態傳入單片機5，外殼16上還設有電源插孔17、通訊接口14和用來綁扎的孔8，以及用來更換電池的蓋板9。
圖1為一種具體實施例的電路各組件連接示意圖。本發明由含有軟件程序的單片機5為系統的核心。單片機5可采用內置EEPROM、看門狗電路的類型。如果采用帶有A/D采集電路的單片機，則圖1中單片機5與多通道A/D采集電路4可以融為一體。單片機5通過液晶屏10和按鍵15與用戶進行交互，以便設置參數和啟動、停止等命令。正交三軸加速度傳感器1是由三個互為正交排列的加速度傳感器1組成，加速度傳感器1可以選擇單傳感器芯片進行組合，也可以選擇由兩個或三個已經按正交排列封裝好的組合傳感器芯片，或者選擇市售的正交三軸加速度傳感器。根據量程的不同，采用1.5G到10G甚至100G的不同量程的傳感器。加速度傳感器1的三個軸向的輸出信號分別接入到信號處理電路6，該電路由通用整形放大電路和通用峰值保持電路構成，峰值保持電路可以保存信號的最大和最小值，并由單片機5輸出的清零端連線來控制峰值保持電路的清零。
為了擴大量程的測量范圍，加速度傳感器1也可以多于一個，如同時設置1.5G和10G兩個不同量程的加速度傳感器1。
如圖3，信號處理電路6主要是由連接成電壓跟隨器的四只運算放大器A1～A4組成。A1的輸出端經過電阻R1二極管D1和A3的輸入端串連，且在A3的輸入端經過模擬開關K1和電容C1接地，組成的電路分支實現最大值保持功能。與其并聯的另一電路分支組成最小值保持電路。輸入端可以由兩只二極管D1D2作為輸入保護。其中模擬開關K1的常閉端連接運算放大器A4的輸入端，開關K1的常開端連接參考電壓輸入端Vr，模擬開關的控制端連接清零輸入端Vc。K2與K1功能相同。按信號流向，由輸入端Vin所輸入的信號，經過保護二極管D1、D2的限定，送入到電壓跟隨器A1和A2的輸入端，經過正向和反向兩只二極管D3、D4的作用，在兩只電容器C1、C2上分別存儲了輸入信號的最大和最小值。這兩個值經過A3和A4輸出至輸出端Vout1和輸出端Vout2。單片機的清零信號通過清零輸入端Vc控制模擬開關K1、K2的轉換端，將電容器C1、C2連接至Vr、Vr參考電壓輸入端，為V+電壓的一半。因為加速度傳感器1的輸出是在電源電壓的一半處附近變化的。
測量時，信號處理電路6是連續工作的，在沒有清零信號時，峰值保持電路保持上一次清零以來的最大傳感器輸出值，根據用戶設置的間隔，每若干毫秒或若干秒由單片機5通過多通道A/D采集電路4測量一次峰值保持電路的輸出值，測量完畢后再次清零，成為一個工作周期。
由于氣壓傳感器3和溫度傳感器2的變化不會十分劇烈，因此可以每隔若干分鐘由單片機5控制多通道A/D采集電路4測量一次氣壓和溫度。
單片機5將每次采集到的數據存儲到存儲芯片13中，存儲器的容量由最大測量時間來確定。例如可以監測六天的型號比只能監測三天的型號容量大一倍。存儲芯片13可以是焊接在本發明電路板上的，也可以采用市售的FLASH存儲卡以插座的方式與電路相連接，例如使用市售的CF卡、SD卡、MS卡等。本發明又附帶了一個數據通訊接口14，可以將存儲芯片13中的數據傳輸至計算機。此數據通訊接口14可以采用USB接口，有市售的成熟芯片可以采用。
本發明的電源由電池組12供電，電池電量狀況由電池充電及電量監測電路11采集并傳送至單片機5。
電路可以由環氧樹脂、氯丁橡膠一類的膠封固，以便增強防震能力。
本發明的外形如圖2所示。外殼16用金屬或塑料材料制成，在外殼16上安裝有液晶屏10和按鍵15，以便與設備進行交互。底部或周邊可以安裝溫度傳感器2，氣壓傳感器3，數據通訊接口14以及外接電源插孔17，外殼16底部有綁扎帶孔8以便使用時與被托運貨物固定在一起。另有電池組12的蓋板9在外殼16底部，在更換電池時使用。
作為單片機5中所運行的軟件的具體實施例可以參照圖4所示的程序流程圖。本發明開機后，首先對于外部存儲芯片13、A/D采集電路4和按鍵15以及顯示屏10進行自檢，如果正常，則顯示交互界面，等待用戶輸入參數。參數即是對測量間隔時間等參數進行設置。如果設置為一秒，則程序會每一秒鐘測量一次加速度傳感器的最大最小值，如果是一分鐘或十毫秒，則也按設置的參數進行測量。對于溫度和氣壓的傳感器也可以單獨設置，例如十分鐘測量一次。參數設置完畢后，進入測量的程序循環中。循環體中測量、保存、清零、延時幾個步驟使測量連續進行。在測量中，對于參數無變化的情形可以使用通用的壓縮算法使存儲器的使用減少，以便延長測量的最大長度。這些可以在輸入參數的界面進行設置。監測完成后，使用者可以結束測量，并查詢記錄中的傳感器的值，并可將數據另存至外部的計算機。
使用時，將本發明固定于被監測的托運物品上，并在承運商的監督下打開電源，設置相關參數，裝置開始監測，同時封閉包裝箱，并貼好封條。將待托運物品就遞交到承運商手中。待托運物品運到目的地后，由提貨人與承運人一起打開包裝，并查看本發明的顯示信息。如果屏幕顯示振動、溫度、氣壓、顛倒等項均沒有超標，則運輸過程就可認為是合格的。如果有一項或某幾項報警，則可將本裝置連接到計算機，查看超標的次數和數值，并可以根據此數值進行索賠。也可以不與承運商交涉，而由托運人自己將其放于托運物品中，以便對運輸質量進行監督。也可同時在一批貨物中放置若干本發明，作為對照監測。外接傳感器接口可以將外接的傳感器參數傳輸至本發明內，例如壓力、濕度等，或需要監測的電壓電流等外部測量參數。
另外也可將本裝置設置好后固定于車輛的車座椅上，然后按檢測要求所規定速度和路線行駛車輛，行駛完畢后將本發明所存儲的振動信息轉存至外部計算機，便能獲取整個過程中車輛的振動、傾斜等信息，此信息說明了車輛的舒適程度，也間接的反映了路況。
由此構筑的本發明，可以多參數同時記錄需要監測的目標物在行進或運輸過程中的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度等隨時間的變化，并可存儲至外部計算機查看、打印詳細變化過程，而且可多次使用，體積小，成本較低；另外可作為托運和承運方均認可的輸運狀態監督裝置，有很大社會效益和經濟效益。
權利要求
1.一種多功能輸運狀態監測記錄裝置，其特征是它包括配有通訊接口(14)、存儲芯片(13)及設置在外殼(16)上的顯示屏(10)和按鍵(15)的含有軟件程序的單片機(5)，并經A/D采集電路(4)與具有互為正交的x、y、z軸的加速度傳感器(1)相連，其輸出信號由信號處理電路(6)經A/D采集電路4轉換后輸入至單片機(5)，單片機(5)將所采集到的各種參數存儲至存儲芯片(13)。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征是上述的A/D采集電路(4)連有溫度傳感器(2)。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征是上述的A/D采集電路(4)連有氣壓傳感器(3)。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征是上述的A/D采集電路(4)上連接至少一只與外部傳感器接口相連的插孔(18)。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征是加速度傳感器(1)至少為一只。
6.一種多功能輸運狀態監測記錄裝置的監測方法首先將該裝置緊固于被監測的目標上，再打開電源，通過按鍵和顯示屏的交互設置測量參數，然后確認參數，開始連續測量，最后查看所存儲的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度信息，必要時可通過通訊接口將數據存儲于外部的計算機中詳細查看。
全文摘要
本發明涉及一種對行進中或輸運過程中的振動、傾斜、倒置、氣壓、溫度環境進行測量和記錄的一種多功能振動和姿態監測記錄裝置。包括配有通訊接口、存儲芯片及設置在外殼上的顯示屏和按鍵的含有軟件程序的單片機，并經A/D采集電路與具有互為正交的x、y、z軸的加速度傳感器相連，其輸出信號由信號處理電路經A/D采集電路轉換后輸入至單片機，單片機將所采集到的各種參數存儲至存儲芯片。本發明可以多參數同時記錄需要監測的被測目標的狀態參數隨時間的變化，并可將狀態的詳細變化過程存儲至外部計算機，而且本發明可多次使用，成本低，體積小，而作為托運和承運方均認可的輸運狀態監督裝置，有很大社會效益和經濟效益。
文檔編號G01H1/00GK1696621SQ20051007974
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月28日 優先權日2005年6月28日
發明者張凱臨, 付圣雪 申請人:中國海洋大學