CN102620643A - 一种用于测量桩基微应变的一体化lvdt位移传感器 - Google Patents

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李荣正
周亮
蒋梅芬
唐毅
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李建国
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Abstract

本发明公开了一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，它包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、信号放大器和单片机，所述LVDT位移传感器的激励信号输入端与所述稳幅振荡器的输出端相连；所述LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述信号放大器的输入端相连；所述单片机的采集电压信号输入端与所述信号放大器的输出端相连。本发明采用的LVDT位移传感器具有相当优良的共模抑制能力，例如温度变化类参量在本发明位移传感器的输出响应中被转化为共模量，因此对于温度变化这种共模量具有优良的抑制能力，可以几乎不受温度漂移的影响；可直接输出位移量，无需二次转化计算；具有极其精细的测量分辨率和线性度。

Description

一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器
技术领域
本发明涉及一种位移传感器电路，尤其涉及一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器缩写，以下简称LVDT)位移传感器。
背景技术
建筑领域中对桩基微应变测量的传统方式是通过采用一种称为钢弦式应力传感器来实现的。其原理是：在一根两端被绷紧的钢弦上施以激励电脉冲时，该钢弦产生激振；假定该钢弦被固定在某一刚体空腔内，当该刚体受到外力作用时将发生形变，刚体的形变将导致内置钢弦的二个固定端点间的距离发生微小变化，当钢弦受到电脉冲激励时，钢弦将发生激振，其振荡频率亦发生相应的变化，通过对比当今测定频率与前次测定频率，依据经验公式换算出应变值。
从简述的原理中可以清晰看出钢弦式应力传感器具有以下不可弥补的缺陷：
(1)由于钢弦的两端是紧绷的，始终受到张力作用，因此钢弦会发生自然形变，从而导致其输出固有频率的变化；
(2)钢弦式应力计输出信号的一致性较差，其输出响应与钢弦的绷紧程度、钢弦材质的一致性有关，因此每个传感器需独立校正；
(3)钢弦式传感器的输出信号具有明显的温度漂移特征；
(4)在桩基应变测量时，需将被测钢筋截断，钢弦式传感器被焊接在钢筋的二个断口间，因此在桩基载荷时，若钢弦式传感器的弹性模量与被测钢筋不一致，则测量值不具指导施工的意义；
(5)测量值需经过经验参数进行二次换算，精度较差，不具有可比性和一致性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，该一体化LVDT位移传感器测量精度高、几乎不受温度漂移影响。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，它包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、信号放大器和单片机，所述LVDT位移传感器的激励信号输入端与所述稳幅振荡器的输出端相连，所述LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述信号放大器的输入端相连，所述单片机的采集电压信号输入端与所述信号放大器的输出端相连，所述单片机的信号输出端与外部设备相连；其中：
所述稳幅振荡器产生并输出稳幅的正弦波激励信号；
所述LVDT位移传感器接收所述稳幅振荡器输出的正弦波激励信号，检测并输出一个与衔铁位移呈线性关系的交流电压；
所述信号放大器接收所述LVDT位移传感器输出的交流电压，实施全波整流，放大输出一个与衔铁位移呈线性关系的直流电压；
所述单片机采样所述信号放大器输出的直流电压信号，并将该电压信号进行数字化处理，以RS232方式向外输出数字信号。
上述的一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，其中，所述单片机输出的数字信号为10位数字信号或12位数字信号。
本发明位移传感器与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明采用的LVDT位移传感器具有相当优良的共模抑制能力，例如温度变化类参量在本发明位移传感器的输出响应中被转化为共模量，因此对于温度变化这种共模量具有优良的抑制能力，可以几乎不受温度漂移的影响。
2.可直接输出位移量，无需二次转化计算。
3.具有极其精细的测量分辨率和线性度。
附图说明
图1是本发明一体化LVDT位移传感器的原理框图；
图2是本发明一体化LVDT位移传感器的电路结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
请参阅图1，图中示出了本发明用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器的原理结构，它包括稳幅振荡器1、LVDT位移传感器2、信号放大器3和单片机4，LVDT位移传感器2的激励信号输入端与所述稳幅振荡器1的输出端相连，LVDT位移传感器2的检测信号输出端与信号放大器3的输入端相连，单片机4的采集电压信号输入端与信号放大器3的输出端相连，单片机4的信号输出端与外部设备相连。
其中，单片机4的型号为10位的STC12C5404AD，信号放大器3的型号为TL084。
请参阅图1，图中示出了本发明用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器的电路结构。由集成运算放大器IC1：A(TL084)和电容构成的2.5KHz稳幅振荡器1开始工作，输出的正弦波经集成运算放大器IC1：B(TL084)放大后形成3伏(有效值)的正弦波激励信号，用以激励LVDT位移传感器2的初级线圈。LVDT位移传感器2输出的检测信号(即与衔铁位移呈线性关系的交流电压)被信号放大器3的集成运算放大器IC1：C(TL084)实施全波整流，并经信号放大器3的集成运算放大器IC1：D(TL084)7.5倍放大后，输出一个与衔铁位移呈线性关系的直流电压信号，馈送至单片机4(STC12C5404AD)的采集电压信号输入端端口。同时，通电后单片机4(STC12C5404AD)开始工作，经2秒延时后采样电压信号；实施2秒延时的目的是等待稳幅振荡器1输出信号的稳定。经单片机4(STC12C5404AD)数字化处理后的10位数字信号以RS232方式输出。
基准源集成电路IC3(REF3040)为单片机4的AD转换提供了4.096伏的电压基准。由上述电路可以计算传感器的测量灵敏度：已知LVDT位移传感器2的灵敏度是伏.毫米/91毫伏，且线性良好，即：在1伏正弦有效值信号激励下、位移发生1毫米变化时，输出响应为91毫伏(有效值)；因此，在3伏(有效值)的激励下、位移变化1毫米时，输出响应为273毫伏(有效值)；换言之，位移发生1微米变化时将输出0.273毫伏的信号。该信号经全波整流，并经7.5倍放大后，形成2.048毫伏的信号。假定传感器的机械变化动态范围为2毫米，则最大输出信号为2.048毫伏×2000＝4.096伏。已知单片机4(STC12C5404AD)为10位AD精度，因此在4.096伏基准源的条件下，对应每个量化单位的电压值为4.096毫伏，该值恰好等同于LVDT位移传感器2发生2微米变化时、经7.5倍放大处理后得到的输出信号值；理论上，采用本发明对LVDT位移传感器测量信号的折合处理误差为2微米。
实施例2
原理框图结构与实施例1相同，但单片机4的型号为12位的CC2530，其理论测量精度达到0.5微米。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，其特征在于，它包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、信号放大器和单片机，所述LVDT位移传感器的激励信号输入端与所述稳幅振荡器的输出端相连，所述LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述信号放大器的输入端相连，所述单片机的采集电压信号输入端与所述信号放大器的输出端相连，所述单片机的信号输出端与外部设备相连；其中：
所述稳幅振荡器产生并输出稳幅的正弦波激励信号；
所述LVDT位移传感器接收所述稳幅振荡器输出的正弦波激励信号，检测并输出一个与衔铁位移呈线性关系的交流电压；
所述信号放大器接收所述LVDT位移传感器输出的交流电压，实施全波整流，放大输出一个与衔铁位移呈线性关系的直流电压；
所述单片机采样所述信号放大器输出的直流电压信号，并将该电压信号进行数字化处理，以RS232方式向外输出数字信号。
2.如权利要求1所述的一种用于测量桩基微应变的一体化LVDT位移传感器，其特征在于，所述单片机输出的数字信号为10位数字信号或12位数字信号。
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