CN107167651A - 一种电压信号采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压信号采集系统及方法，涉及电压信号采集技术领域。该系统包括交流电源、电压信号传感器、便携式终端和数据采集箱。该系统中电压信号传感器与数据采集箱相连，数据采集箱与便携式终端相连，数据采集箱和便携式终端均与交流电源相连。通过本发明的系统既能通过高速同步采集卡完成瞬态电压信号的数据采集，数据同步采集时最小采集速率125/s，最大采集速率250k/s，也能完成常规间断电压信号的数据采集，最小采集周期可达0.5s，经过验证，该系统能够满足复杂条件下电压信号的同步和间断的电压数据采集。

Description

一种电压信号采集系统及方法

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，特别是涉及一种电压信号采集系统及方法。

背景技术

随着经济大开发及“丝绸之路经济带”的不断深入和发展，在我国黄土高原地区高速公路、高速铁路、机场及新城等大规模的基础建设得到了长足的发展。但在实际工程中发现，绝大部分黄土地基都面临着承载力不足、沉降变形过大及黄土湿(振)陷等工程地质问题，所以黄土地基大多需要进行前期处理及后期沉降变形监测。总结目前黄土地区的地基处理方法，主要有强夯法、预压法、改良法、振冲法及桩基础法，具有操作简单方便、施工周期短及工程造价低等特点的强夯法被广泛使用。强夯法在带来巨大经济效益的同时，也产生了黄土滑坡、崩塌、地裂缝、噪音污染及地下油气管道破裂等次生害。为了使强夯法在处理黄土地基时经济效益和社会效益达到最大化，需要对强夯过程中振动波加速度、动土压力及速度等传播衰减规律进行探讨。

现有的用于黄土于黄土区强夯振动测试电压信号的采集系统主要是利用电压信号传感器连接采集卡，最后接到电脑上进行信号的采集，但是一次强夯衰减周期仅为0.04-0.08s左右，而现有的型号采集软件的信号采集周期很长，信号采集速度慢，往往很难在这么短时间内完成信号采集。

综上所述，现有的电压信号采集系统的电压信号采集是异步的，且电压信号采集的周期较长，电压信号采集的速度较慢。

发明内容

本发明实施例提供一种电压信号采集系统及方法，用以解决现有技术中存在电压信号采集是异步的，且电压信号采集的周期较长，电压信号采集的速度较慢的问题。

本发明实施例提供一种电压信号采集系统，包括：包括交流电源、电压信号传感器、数据采集箱及便携式终端；

所述数据采集箱为密闭箱体，所述数据采集箱的第一内侧面设有第一防水涂层，所述数据采集箱的第二内侧面设有第二防水涂层，所述数据采集箱的第三内侧面设有第三防水涂层，所述数据采集箱的第四内侧面设有第四防水涂层，所述数据采集箱的内顶面设有第五防水涂层，所述数据采集箱的内底面设有第六防水涂层；所述数据采集箱的外表面设有第七防水涂层；

所述第一防水涂层上设有第一竖直固定挡板；所述第二防水涂层上设有第二竖直固定挡板；所述第三防水涂层上设有第三竖直固定挡板；所述第四防水涂层上设有第四竖直固定挡板；所述第五防水涂层上设有第一水平固定挡板；所述第六防水涂层上设有第二水平固定挡板；

所述第一竖直固定挡板上设有第一绝缘橡胶，所述第一绝缘橡胶上设有三相电源快接插头、可调稳压电源模块及高灵敏型保险丝座，所述第二竖直固定挡板上设有第二绝缘橡胶，所述第二绝缘橡胶上设有五芯航空接头和多通道供电端子板，所述第三竖直固定挡板上设有第三绝缘橡胶，所述第三绝缘橡胶上设有USB快接接头、高速同步采集板卡和多通道U型排母，所述第一水平固定挡板上设有第四绝缘橡胶，所述第四绝缘橡胶上设有多通道U型排母、电压信号放大板、隔离电源转换模块和单连多控开关，所述第二水平固定挡板上设有第五绝缘橡胶，所述第五绝缘橡胶上设有多通道无纸记录仪；

所述三相电源快接插头、可调稳压电源模块和所述高灵敏型保险丝座依次连接，所述高灵敏保险丝座分别与五芯航空接头、单连多控开关连接，所述单连多控开关分别与多通道无纸记录仪、和隔离电源转换模块连接，所述五芯航空接头与所述多通道无纸记录仪连接，所述隔离电源转换模块与电压信号放大板连接，所述电压信号放大板与所述多通道供电端子板连接，所述多通道供电端子板与所述五芯航空接头相连，所述电压信号放大板与所述多通道U型排母连接，所述多通道U型排母与所述高速同步采集板卡连接，所述高速同步采集板卡与所述USB快速接头连接，所述USB快速接头与便携式终端连接，所述便携式终端和所述三相电源快接插头均与交流电源连接；

所述电压信号传感器与所述五芯航空接头连接。

较佳地，所述数据采集箱为长方形铝合金箱体。

较佳地，所述隔离电源转换模块将直流电压转换为直流电压，且输出的直流电压为±15v。

较佳地，所述多通道U型排母的通道个数大于等于32。

较佳地，所述多通道供电端子板的通道个数大于等于32个。

本发明实施例提供一种电压信号采集方法，包括：

S1、将电压信号传感器通过五芯航空接头连接到数据采集箱上；

S2、判断是否进行同步电压信号的采集，若确定进行同步电压信号的采集则执行步骤S3，若确定进行异步电压信号的采集，则执行步骤S4；

S3、将单连多控开关、隔离电源转换模块和电压信号放大板依次连接，且将五芯航空接头、多通道供电端子板、电压信号放大板、多通道U型排母、高速同步采集板卡依次连接，将高速同步采集板卡通过USB快接接头与便携式终端连接进行电压信号的采集；

S4、判断是否需要改变电压信号的采集速率，当确定需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S5，当确定不需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S6；

S5、将五芯航空接头和单连多控开关均与多通道无纸记录仪连接、多通道无纸记录仪和便携式终端依次连接进行电压信号的采集；

S6、将单连多控开关与多通道无纸记录仪连接进行电压信号的采集；

S7、基于不同的采集方式采集的电压，所述物理量包括：力、位移、速度、加速度或者气压；

当同步连续采集电压信号时，根据采集的电压按照如下公式(1)计算物理量：

其中，在所述公式(1)中，x为物理量，U₁为信号放大后的电压值，K为放大倍数，k为电压信号传感器率定系数，δ为电压放大后电压信号传感器率定系数，

当非同步连续采集电压信号时，根据采集的电压按照如下公式(2)计算物理量：

x＝kU₂+b (2)

其中，在所述公式(2)中，x为物理量，U₂为异步采集时的电压值，k为电压信号传感器率定系数，b为电压信号传感器的电压为0时所对应的修正值。

较佳地，所述步骤S2中若确定进行同步电压信号的采集之后，还包括：

判断采集的电压信号是否为微型电压信号；

若确定采集的电压信号是微型电压信号，则打开隔离电源转换模块；

若确定采集的电压信号不是微型电压信号，则关闭隔离电源转换模块。

较佳地，步骤S3还包括：通过便携式终端调节电压信号的采集速率。

本发明的电压信号采集系统结构简洁明了，操作快捷方便，方法易实施，信号采集精度高，满足复杂条件下的数据采集要求，在电压信号同步连续采集时，最少时能够直接采集电压每一秒125个随时间变化的数据点，最多时能够直接采集电压每一秒250k个随时间变化的数据点，根据采集的电压能准确的得到物理量随时间的变化情况，可轻易得到物理量时程曲线及衰减规律曲线。在不要求电压信号同步连续采集时，仅需要通过多通道无纸记录仪便可完成数据采集，最小采集周期达0.5s。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电压信号采集系统的结构主视图；

图2为本发明实施例提供的一种电压信号采集系统的系统的电路原理连接框图；

图3为本发明实施例提供的一种电压信号采集方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电压信号采集系统的结构俯视图。

附图标记说明：

1、交流电源；2、三相电源快接接头；3、可调稳压电源模块；4、高灵敏保险丝座；5、单连多控开关；6、五芯航空接头；7、多通道无纸记录仪；8、隔离电源转换模块；9、多通道供电端子板；10、电压信号放大板；11、多通道U型排母；12、第一限位螺丝；13、高速同步采集板卡；14、USB快接接头；15、便携式终端；16、第二限位螺丝；17、电压信号传感器。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种电压信号采集系统，用于黄土区强夯振动测试中，如图1所示，该系统包括：交流电源1、电压信号传感器17、数据采集箱及便携式终端15。

具体地，如图1和图4所示，该数据采集箱为密闭箱体，该数据采集箱的第一内侧面设有第一防水涂层，该数据采集箱的第二内侧面设有第二防水涂层，该数据采集箱的第三内侧面设有第三防水涂层，该数据采集箱的第四内侧面设有第四防水涂层，该数据采集箱的内顶面设有第五防水涂层，该数据采集箱的内底面设有第六防水涂层；该数据采集箱的外表面设有第七防水涂层。

可选地，数据采集箱为长方形铝合金箱体。

具体地，如图1所示，该第一防水涂层上设有第一竖直固定挡板；该第二防水涂层上设有第二竖直固定挡板；该第三防水涂层上设有第三竖直固定挡板；该第四防水涂层上设有第四竖直固定挡板；该第五防水涂层上设有第一水平固定挡板；该第六防水涂层上设有第二水平固定挡板；该第一竖直固定挡板上设有第一绝缘橡胶，该第一绝缘橡胶上设有三相电源快接插头2、可调稳压电源模块3及高灵敏型保险丝座4，该第二竖直固定挡板上设有第二绝缘橡胶，该第二绝缘橡胶上设有五芯航空接头6和多通道供电端子板9，该第三竖直固定挡板上设有第三绝缘橡胶，该第三绝缘橡胶上设有USB快接接头14、高速同步采集板卡13和多通道U型排母11，该第一水平固定挡板上设有第四绝缘橡胶，该第四绝缘橡胶上设有多通道U型排母11、电压信号放大板10、隔离电源转换模块8和单连多控开关5，该第二水平固定挡板上设有第五绝缘橡胶，该第五绝缘橡胶上设有多通道无纸记录仪7。

可选地，隔离电源转换模块8为直流转直流±15v输出。

可选地，多通道U型排母11的通道个数大于等于32。

可选地，多通道供电端子板9的通道个数大于等于32个。

其中，通过第一限位螺丝12将数据采集箱的第二内侧面、第二竖直固定挡、第二绝缘橡胶和多通道供电端子板9按照从下到上的顺序进行固定。

需要说明的是，第一限位螺丝12的直径为2mm。

另外，通过第二限位螺丝16将数据采集箱的第一内侧面、第一竖直固定挡、第一绝缘橡胶和可调稳压电源模块3按照从下到上的顺序进行固定。

需要说明的是，第二限位螺丝16直径的为5mm。

图2为本发明实施例提供的一种电压信号采集系统的电路原理连接框图，具体地，如图2所示，该三相电源快接插头2、可调稳压电源模块3和该高灵敏型保险丝座4依次连接，该高灵敏保险丝座4分别与五芯航空接头6、单连多控开关5连接，该单连多控开关5分别与多通道无纸记录仪7、和隔离电源转换模块8连接，该五芯航空接头6与该多通道无纸记录仪7连接，该隔离电源转换模块8与电压信号放大板10连接，该电压信号放大板10与该多通道供电端子板9连接，该多通道供电端子板9与该五芯航空接头6相连，该电压信号放大板10与该多通道U型排母11连接，该多通道U型排母11与该高速同步采集板卡13连接，该高速同步采集板卡13与该USB快速接头14连接，该USB快速接头14与便携式终端15连接，该便携式终端15与该多通道无纸记录仪7连接；该电压信号传感器17与该五芯航空接头6连接。

其中，电压信号传感器17为微型电压信号传感器，对应的电压信号放大板10为微型电压信号放大板。

其中，试验之前按照项目数据采集要求及目的对电压信号传感器18进行前期改造工作，主要包括传感器防水性能、加工质量检查及屏蔽电缆焊接等。再将其通过五芯航空接头6与数据采集箱体连接，依次进行交流电源1与三相电源快接接头2连接，三相电源快接接头2与可调稳压电源模块3连接，多通道可调稳压电源模块3与高灵敏保险丝座4连接，高灵敏保险丝座4共有两路，一路与五芯航空接头相连，负责压信号传感器18的供电，另一路与单连多控开关5连接，单连多控开关5连接一分为二，主要负责后期电信信号数据采集卡的供电，由图1可知，其中上路与多通道无纸记录仪7连接，其下路与隔离电源转换模块8相连，由图2所知，若要进行异步电压信号采集，单连多控开关5控制上路接通下路关闭即可完成数据采集；反之，若要进行同步电压信号采集，单连多控开关5控制上路关闭下路接通且要依次进行后续流程才可完成电压信号采集，后续工作依次是五芯航空接头6与多通道信号转接端子板9相连，多通道信号转接端子板9与信号放大板10相连，信号放大板10通过多通道U型排母11与高速同步采集卡13相连，高速同步采集卡13相连通过USB快接接头14与便携式终端15相连即可完成数据采集。为了保证采集的(微型)电压信号的精度，所有附图标记之间均采用屏蔽电缆连接，此外，弯曲的电缆在供电时产生的磁场会对(微型)造成一定的干扰，所以电缆连接时要尽可能保证它不弯曲，不形成闭合圈。

本发明电压信号采集系统的使用方法包括以下步骤：

1)数据采集箱体的安装；主要包括箱体内无纸记录仪、(微型)电压信号放大板及高速同步采集卡等主要采集元器件的安装与调试；

2)(微型)电压传感器的标定：因为传感器大多对水分、温度及湿度等环境因素非常敏感，所以使用前首先对每个传感器依次进行检查及标定工作，得到所有传感器不同环境因素下的标定曲线；

3)试验系统的连接：按照项目试验数据采集要求，将系统所对应的各结构进行合理连接并进行采集前检查；

4)数据采集：按照采集方法进行电压的采集。

图3为本发明实施例提供的一种电压信号采集方法的流程示意图。

S1、将电压信号传感器通过五芯航空接头连接到数据采集箱上；

S2、判断是否进行同步电压信号的采集，若确定进行同步电压信号的采集则执行步骤S3，若确定进行异步电压信号的采集，则执行步骤S4；

S3、将单连多控开关、隔离电源转换模块和电压信号放大板依次连接，且将五芯航空接头、多通道供电端子板、电压信号放大板、多通道U型排母、高速同步采集板卡依次连接，将高速同步采集板卡通过USB快接接头与便携式终端连接进行电压信号的采集；

其中，若确定进行同步电压信号的采集之后，还包括步骤(1)-步骤(3)：

步骤(1)、判断采集的电压信号是否为微型电压信号。

步骤(2)、若确定采集的电压信号是微型电压信号，则打开隔离电源转换模块后执行步骤S2。

步骤(3)、若确定采集的电压信号不是微型电压信号，则关闭隔离电源转换模块后执行步骤S2。

S4、判断是否需要改变电压信号的采集速率，当确定需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S5，当确定不需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S6。

S5、将五芯航空接头和单连多控开关均与多通道无纸记录仪连接、多通道无纸记录仪和便携式终端依次连接进行电压信号的采集。

S6、将单连多控开关与多通道无纸记录仪连接进行电压信号的采集。

S7、基于采集的电压计算物理量，所述物理量包括：力、位移、速度、加速度或者气压。

5)采集系统关闭：试验数据采集完成后，按照连接顺序逆向拆除。

6)基于采集的电压计算物理量，按照采集方式的不同可分为一下两种情况。

(a)同步电压信号的采集，即同步连续采集电压信号时，根据采集的电压对物理量计算如下：

其中：x为物理量，x可以为力、位移、速度、加速度或者气压；U₁-信号放大后的电压值(v)；K-放大倍数；k-电压信号传感器率定系数(**/v)；δ-电压放大后传感器率定系数(**/v)，

(b)异步电压信号的采集，即非同步连续采集电压信号时，根据采集的电压对物理量计算如下：

x＝kU₂+b (2)

其中：x为物理量，x可以为力、位移、速度、加速度及气压……；U₂-异步采集时的电压值(v)；k-电压信号传感器率定系数；b-传感器电压为0时所对应的修正值(**)。

需要说明的是，当物理量为力时，上述的**表示的力单位；当物理量为位移时，上述的**表示的位移单位；当物理量为速度时，上述的**表示的速度单位，依次类推当物理量为气压时，上述的**表示的气压单位。

综上，该(微型)电压信号采集系统结构简单，操作方便，测量精度高。该系统既可以满足常规条件下(微型)电压信号采集，也可以满足复杂条件下的(微型)电压信号采集。在间断非连续采集条件下，采集周期低至0.5s，在连续高速采集条件下，最低采集速率125个/s，最高采集速率250k/s。可见，该系统具有更强大的(微型)电压信号采集能力。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种电压信号采集系统，其特征在于，包括交流电源(1)、电压信号传感器(17)、数据采集箱及便携式终端(15)；

所述数据采集箱为密闭箱体，所述数据采集箱的第一内侧面设有第一防水涂层，所述数据采集箱的第二内侧面设有第二防水涂层，所述数据采集箱的第三内侧面设有第三防水涂层，所述数据采集箱的第四内侧面设有第四防水涂层，所述数据采集箱的内顶面设有第五防水涂层，所述数据采集箱的内底面设有第六防水涂层；所述数据采集箱的外表面设有第七防水涂层；

所述第一防水涂层上设有第一竖直固定挡板；所述第二防水涂层上设有第二竖直固定挡板；所述第三防水涂层上设有第三竖直固定挡板；所述第四防水涂层上设有第四竖直固定挡板；所述第五防水涂层上设有第一水平固定挡板；所述第六防水涂层上设有第二水平固定挡板；

所述第一竖直固定挡板上设有第一绝缘橡胶，所述第一绝缘橡胶上设有三相电源快接插头(2)、可调稳压电源模块(3)及高灵敏型保险丝座(4)，所述第二竖直固定挡板上设有第二绝缘橡胶，所述第二绝缘橡胶上设有五芯航空接头(6)和多通道供电端子板(9)，所述第三竖直固定挡板上设有第三绝缘橡胶，所述第三绝缘橡胶上设有USB快接接头(14)、高速同步采集板卡(13)和多通道U型排母(11)，所述第一水平固定挡板上设有第四绝缘橡胶，所述第四绝缘橡胶上设有多通道U型排母(11)、电压信号放大板(10)、隔离电源转换模块(8)和单连多控开关(5)，所述第二水平固定挡板上设有第五绝缘橡胶，所述第五绝缘橡胶上设有多通道无纸记录仪(7)；

所述三相电源快接插头(2)、可调稳压电源模块(3)和所述高灵敏型保险丝座(4)依次连接，所述高灵敏保险丝座(4)分别与五芯航空接头(6)、单连多控开关(5)连接，所述单连多控开关(5)分别与多通道无纸记录仪(7)、和隔离电源转换模块(8)连接，所述五芯航空接头(6)与所述多通道无纸记录仪(7)连接，所述隔离电源转换模块(8)与电压信号放大板(10)连接，所述电压信号放大板(10)与所述多通道供电端子板(9)连接，所述多通道供电端子板(9)与所述五芯航空接头(6)相连，所述电压信号放大板(10)与所述多通道U型排母(11)连接，所述多通道U型排母(11)与所述高速同步采集板卡(13)连接，所述高速同步采集板卡(13)与所述USB快速接头(14)连接，所述USB快速接头(14)与便携式终端(15)连接，所述便携式终端(15)和所述三相电源快接插头(2)均与交流电源(1)连接；

所述电压信号传感器(17)与所述五芯航空接头(6)连接。

2.如权利要求1所述的电压信号采集系统，其特征在于，所述数据采集箱为长方形铝合金箱体。

3.如权利要求1所述的电压信号采集系统，其特征在于，所述隔离电源转换模块(8)将直流电压转换为直流电压，且输出的直流电压为±15v。

4.如权利要求1所述的电压信号采集系统，其特征在于，所述多通道U型排母(11)的通道个数大于等于32。

5.如权利要求1所述的电压信号采集系统，其特征在于，所述多通道供电端子板(9)的通道个数大于等于32个。

6.一种电压信号采集方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将电压信号传感器通过五芯航空接头连接到数据采集箱上；

S2、判断是否进行同步电压信号的采集，若确定进行同步电压信号的采集则执行步骤S3，若确定进行异步电压信号的采集，则执行步骤S4；

S3、将单连多控开关、隔离电源转换模块和电压信号放大板依次连接，且将五芯航空接头、多通道供电端子板、电压信号放大板、多通道U型排母、高速同步采集板卡依次连接，将高速同步采集板卡通过USB快接接头与便携式终端连接进行电压信号的采集；

S4、判断是否需要改变电压信号的采集速率，当确定需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S5，当确定不需要改变电压信号的采集速率时，执行步骤S6；

S5、将五芯航空接头和单连多控开关均与多通道无纸记录仪连接、多通道无纸记录仪和便携式终端连接进行电压信号的采集；

S6、将单连多控开关与多通道无纸记录仪连接进行电压信号的采集；

S7、基于不同的采集方式采集的电压计算物理量，所述物理量包括：力、位移、速度、加速度或者气压；

当同步连续采集电压信号时，根据采集的电压按照如下公式(1)计算物理量：

<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>K</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，在所述公式(1)中，x为物理量，U₁为信号放大后的电压值，K为放大倍数，k为电压信号传感器率定系数，δ为电压放大后电压信号传感器率定系数，

当非同步连续采集电压信号时，根据采集的电压按照如下公式(2)计算物理量：

x＝kU₂+b (2)

其中，在所述公式(2)中，x为物理量，U₂为异步采集时的电压值，k为电压信号传感器率定系数，b为电压信号传感器的电压为0时所对应的修正值。

7.如权利要求6所述的电压信号采集方法，其特征在于，所述步骤S2中若确定进行同步电压信号的采集之后，还包括：

判断采集的电压信号是否为微型电压信号；

若确定采集的电压信号是微型电压信号，则打开隔离电源转换模块；

若确定采集的电压信号不是微型电压信号，则关闭隔离电源转换模块。

8.如权利要求6所述的电压信号采集方法，其特征在于，步骤S3还包括：通过便携式终端调节电压信号的采集速率。