CN105486334A - 一种关于振弦传感器频率的快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，包括改进的激振信号获取电路、激励电路、信号调理电路；改进的激振信号获取电路包括高压电源变换器、电子开关、稳压电容C1、限流电阻R1和储能电容C2；所述高压电源变换器依次和电子开关、限流电阻R1相串联；所述稳压电容C1一端连接在所述高压电源变换器和电子开关之间，稳压电容C1另一端接地；所述储能电容C2一端和限流电阻R1一端相连，储能电容C2另一端接地。本发明的充电时间是通过电感电路给电容充电时间的千分之一，远远小于通过电感电路给电容的充电时间。这样就能以更快的速度获得使振弦传感器工作的激振信号，更快速地得到测量结果，实现了振弦传感器频率的快速测量。
Description
技术领域
本发明属于电子信息测量技术领域，涉及一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，尤其涉及一种能够快速获取激振信号的装置，这个信号就是使振弦传感器起振的激振信号。
背景技术
振弦传感器基于钢弦自振频率随张力变化而变化的工作原理，其输出为频率信号，具有抗干扰能力强，适合远距离传输的优点，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中有着广泛的应用。
振弦传感器频率检测的工作过程一般分为三步：(1)激振信号的获取：当前市场上振弦传感器激震信号的获取一般采取通过电感电路不断给电容充电的方法，给电容充电使其电压升高到所需要的值(一般100V～150V)，充电时间大致为1s，即1000ms。(2)激励振弦传感器做自由振动：电容作为储能器件对振弦传感器进行放电激励，使振弦传感器作自由振动，这一过程大概100ms；(3)信号调理、计算出传感器振荡频率：信号调理电路对传感器的输出信号进行处理，CPU对处理过的信号计算出振荡频率，这一过程大概需要250ms。然后系统开始下一个周期的工作过程：获取激振信号，激励振弦传感器振动，信号调理并计算出振荡频率。
可见，在整个测频过程中，激振信号的获取占用了整个测频时间的70％以上([1000/(1000+100+250)]*100％＝74.1％)，使得整个测量过程时间较长，所以如何快速地获取高电压激振信号成为减少测量时间的最有效方法。
发明内容
为了克服获取高电压激振信号速度太慢的问题，本发明的目的是提供一种能快速给电容充电的方法，进而能够快速获取激振信号的振弦传感器频率的快速测量装置。
本发明的技术方案是：一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，包括激励电路、信号调理电路；在所述激励电路、信号调理电路之前还包括改进的激振信号获取电路；
所述改进的激振信号获取电路包括高压电源变换器、电子开关、稳压电容C1、限流电阻R1和储能电容C2；所述高压电源变换器依次和电子开关、限流电阻R1相串联；所述稳压电容C1一端连接在所述高压电源变换器和电子开关之间，稳压电容C1另一端接地；所述储能电容C2一端和限流电阻R1输出一端相连，储能电容C2另一端接地；所述高压电源变换器上电后进行电压的转换，然后在控制信号VK的作用下使得电子开关接通，高压直流电通过电阻R1完成电容C2瞬时充电。
进一步，所述高压电源变换器包括：升压型DC-DC控制芯片IC1，N沟道功率场效应管，肖特基二极管D1，电感L1，电容C3、C4、C5、C6，电阻R2、R3、R4和Rf。所述DC-DC控制芯片IC1的V+端通过Rf接低电压输入端VIN，VIN与地之间接电容C3，V+与SGND之间接电容C4，VREF与地之间接电容C5。N沟道功率场效应管Q1的栅极接IC1的EXTH和EXTL端，源极接IC1的CS端和电阻R2的一端，R2的另一端接地，Q1的漏极分别连接电感L1的一端和二极管的正极，电感L1的另一端接VIN，二极管D1的负端即为高电压输出端VOUT，电阻R3的一端接VOUT，另一端接IC1的FB端和R4，R4的另一端接地，电容C6的正端接VOUT，负端接地。
进一步，所述电子开关包括：PNP三极管Q2，NPN三极管Q3，二极管D2，电阻R5、R6、R7和R8。电阻R5的一端接高压电源变换器的输出端VOUT，另一端接三极管Q2的发射极，电阻R6的两端分别接Q2的发射极和基极，电阻R7的两端分别接Q2的基极和Q3的集电极，Q3的发射极接地，基极接R8的一端，R8的另一端为控制开关信号VK，Q2的集电极为电子开关输出信号VOUTI，D2的负极接输出信号VOUTI，正极接地。
进一步，所述升压型DC-DC控制芯片IC1采用MAX773。
进一步，所述激励电路中，电阻R11和晶体管Q13的发射极相连，电阻R23的两端分别和晶体管Q13的发射极和基极相连，电阻R14和晶体管Q12的基极相连，晶体管Q12的发射极接地，晶体管Q12的集电极和晶体管Q13的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q13的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R15、电阻R16的一端，电阻R15的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R16的另一端和电容C13的一端相连，电容C13的另一端接地。
进一步，所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R18、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R17相连。
本发明的有益效果是：当系统开始工作时，接通电子开关，高压电源变换器输出的高电压立即通过100欧电阻对1uF电容进行充电，充电到所要求的电压值的时间仅需要1ms左右，此充电时间是通过电感电路给电容充电时间的千分之一，远远小于通过电感电路给电容的充电时间。这样就能以更快的速度获得使振弦传感器工作的激振信号，更快速地得到测量结果，实现了振弦传感器频率的快速测量。
附图说明
图1为振弦传感器频率快速测量框图；
图2为快速获取激振信号的电路框图；
图3为高压电源变换器电路原理图；
图4为电子开关电路原理图；
图5为激励电路原理图；
图6信号调理电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出了一种能够快速获取使振弦传感器起振的激振信号的方法，实现了振弦传感器的快速测量。
如图1所示，本发明装置包括：改进的激振信号的获取电路、激励电路、信号调理电路依次相连接；CPU控制信号送入改进的激振信号的获取电路，振弦传感器和激励电路相连，激励电路将传感器信号输出送入信号调理电路，经过整形后信号输出至CPU。振弦传感器频率快速测量电路包括以下装置：(1)基于改进的激振信号的获取电路：主要由高压电源变换器、电子开关、220uF/250V稳压电容C1、100欧姆限流电阻R1和1uF/250V储能电容C2组成。充电到所要求的电压值的时间仅需要1ms左右。(2)激励电路：激励振弦传感器做自由振动，电容作为储能器件对振弦传感器进行放电激励，使振弦传感器作自由振动，这一过程大概100ms；(3)信号调理电路：信号调理、计算出传感器振荡频率，信号调理电路对传感器的输出信号进行处理，CPU对处理过的信号计算出振荡频率，这一过程大概需要250ms。
如图2所示，是本发明快速获取激振信号的电路框图，主要由高压电源变换器、电子开关、220uF/250V稳压电容C1、100欧姆限流电阻R1和1uF/250V储能电容C2组成。高压电源变换器的输入为+24V(VIN)，输出为+150V(VOUT)，电子开关的输入为VOUT，输出为VOUTI，均为+150V电压，电容C1的正极接VOUT，负极接地，电阻R1的一端接电子开关的输出端VOUTI，另一端即为给电容C2充电的电压VOUTO，电容C2的正极与VOUTO相连，负极接地。
如图3所示，高压电源变换器主要包括升压型DC-DC控制芯片MAX773(IC1)，N沟道功率场效应管选S19420DY(Q1)，肖特基二极管MUR115(D1)，电感L1，电容C3、C4、C5、C6，电阻R2、R3、R4和Rf。
在MAX773内部的分路电压调节器中，有一只稳定电压Vz＝6.3V的稳压管，其负极接V+，正极接SGND，所以使用时将SGND端接地，并在V+与SGND端接0.1uF电容C4。VREF与GND之间也接0.1uF电容C5。电阻Rf一端接低电压输入端VIN，另一端接MAX773的V+。N沟道功率场效应管Q1的栅极接IC1的EXTH和EXTL端，源极接IC1的CS端和电阻R2的一端，R2的另一端接地，Q1的漏极分别连接电感L1的一端和二极管的正极，电感L1的另一端接VIN，二极管D1的负端即为高电压输出端VOUT。电阻R3的一端接VOUT，另一端接IC1的FB端和R4，R4的另一端接地。输入端的电容C3和输出端的电容C6作为滤波去耦电容，起到了稳定电压的作用。
分路电压调节器的外接电阻Rf值依据公式Rf＝(V1-VZ)/IZ而定，式中的IZ＝1～20mA，当VI＝24V，IZ＝10mA时，Rf取值18KΩ。
分压电阻R3和R4依据公式V0＝(1+R3/R4)Vref确定，其中Vref＝1.5V，如果使输出电压VOUT＝150V时，R3和R4取值为R3＝990KΩ，R4＝10KΩ。电阻R3和R4采用了误差为±1％的金属膜电阻。
如图4所示，所述电子开关包括：PNP三极管A92(Q2)，NPN三极管A42(Q3)，二极管RS1G(D2)，电阻R5、R6、R7和R8。电阻R5的一端接高压电源变换器的输出端VOUT，另一端接三极管A92的发射极，电阻R6的两端分别接A92的发射极和基极，电阻R7的两端分别接A92的基极和A42的集电极，A42的发射极接地，基极接R8的一端，R8的另一端为控制开关信号VK，A92的集电极为电子开关输出信号VOUTI，RS1G的负极接输出信号VOUTI，正极接地。当电子开关信号VK为高电平时，NPN三极管A42导通，NPN三极管A92也随着导通，此时电子开关接通。
系统开始工作时，给高压电源变换器上电，输入为直流低电压信号+24V(VIN)，输出为直流高电压信号+150V(VOUT)，然后在控制信号VK的作用下，电子开关接通，高压直流电(+150V)通过电阻R1(100欧)给电容C2(1uf/250V)充电，充电时间大约只需要1毫秒。由背景技术得知：振弦传感器频率检测的工作过程经过激振信号的获取、激励振弦传感器做自由振动、信号调理并计算出振荡频率这三个步骤，而激振信号的获取在当前市场上振弦传感器激震信号的获取一般采取通过电感电路不断给电容充电的方法，给电容充电使其电压升高到所需要的值，本发明的频率测量时间由传统的大概1.3秒缩短为0.3秒，大大缩短了给电容充电的测量准备时间，实现了振弦传感器频率的快速测量。
上述N沟道功率场效应管Q1采用S19420DY。所述肖特基二极管D1采用MUR115。所述电阻R3和R4需采用误差为±1％的金属膜电阻。所述PNP三极管Q2采用A92，NPN三极管Q3采用A42，二极管D2采用RS1G。
如图5所示，所述激励电路中，电阻R11和晶体管Q13的发射极相连，电阻R23的两端分别和晶体管Q13的发射极和基极相连，电阻R14和晶体管Q12的基极相连，晶体管Q12的发射极接地，晶体管Q12的集电极和晶体管Q13的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q13的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R15、电阻R16的一端，电阻R15的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R16的另一端和电容C13的一端相连，电容C13的另一端接地。
如图6所示，所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R18、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R17相连。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，包括激励电路、信号调理电路；其特征在于，在所述激励电路、信号调理电路之前还包括改进的激振信号获取电路；
所述改进的激振信号获取电路包括高压电源变换器、电子开关、稳压电容C1、限流电阻R1和储能电容C2；
所述高压电源变换器依次和电子开关、限流电阻R1相串联；所述稳压电容C1一端连接在所述高压电源变换器和电子开关之间，稳压电容C1另一端接地；所述储能电容C2一端和限流电阻R1输出一端相连，储能电容C2另一端接地；所述高压电源变换器上电后进行电压的转换，然后在控制信号VK的作用下使得电子开关接通，高压直流电通过电阻R1完成电容C2瞬时充电。
2.根据权利要求1所述的一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，其特征在于，所述高压电源变换器包括升压型DC-DC控制芯片IC1，N沟道功率场效应管Q1，肖特基二极管D1，电感L1，电容C3、C4、C5、C6，电阻R2、R3、R4和Rf；
所述DC-DC控制芯片IC1的V+端通过Rf接低电压输入端VIN，VIN与地之间接电容C3，V+与SGND之间接电容C4，VREF与地之间接电容C5；N沟道功率场效应管Q1的栅极接IC1的EXTH和EXTL端，源极接IC1的CS端和电阻R2的一端，R2的另一端接地，Q1的漏极分别连接电感L1的一端和二极管D1的正极，电感L1的另一端接VIN，二极管D1的负端即为高电压输出端VOUT，电阻R3的一端接VOUT，另一端接IC1的FB端和R4，R4的另一端接地，电容C6的正端接VOUT，负端接地。
3.根据权利要求1所述的一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，其特征在于，所述电子开关包括PNP三极管Q2，NPN三极管Q3，二极管D2，电阻R5、R6、R7和R8；
电阻R5的一端接高压电源变换器的输出端VOUT，另一端接三极管Q2的发射极，电阻R6的两端分别接Q2的发射极和基极，电阻R7的两端分别接Q2的基极和Q3的集电极，Q3的发射极接地，基极接R8的一端，R8的另一端为控制开关信号VK，Q2的集电极为电子开关输出信号VOUTI，二极管D2的负极接输出信号VOUTI，正极接地。
4.根据权利要求2所述的一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，其特征在于，所述升压型DC-DC控制芯片IC1采用MAX773。
5.根据权利要求1所述的一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，其特征在于，所述激励电路中，电阻R11和晶体管Q13的发射极相连，电阻R23的两端分别和晶体管Q13的发射极和基极相连，电阻R14和晶体管Q12的基极相连，晶体管Q12的发射极接地，晶体管Q12的集电极和晶体管Q13的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q13的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R15、电阻R16的一端，电阻R15的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R16的另一端和电容C13的一端相连，电容C13的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的一种关于振弦传感器频率的快速测量装置，其特征在于，所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R18、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R17相连。
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