CN109470398B - 一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元，包括：浮动输出电压调整模块，用于对浮动式传感器的输出电压进行调整；数据处理模块，连接所述浮动输出电压调整模块，用于采集调整后的所述输出电压并接受交流激励信号；浮动激励模块，连接所述数据处理模块，用于为所述浮动式传感器提供所述交流激励信号。本发明的流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集模块能够为浮动式传感器提供交流激励信号，并对浮动式传感器的输出电压进行滤波、鉴相、偏置调整以及放大，使得本发明的流体壁面剪应力测试仪的适应性强，响应时间短，能够实现对剪应力分布情况的精确测量。

Description

一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元

技术领域

本发明属于流体壁面剪应力测量技术领域，具体涉及一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元。

背景技术

随着现代实验流体力学测量技术的不断发展，流体壁面剪应力的新型测量技术得到了越来越多的关注。流体壁面剪应力的测量手段的提高对于飞行器、航行器的设计、测试具有重要意义：精确的测量剪应力可以评估飞行器巡航过程中的摩擦阻力，这对飞行器的结构设计、优化、增升减阻、提高飞行器的性能具有重要的作用。美国空军、海军高度重视壁面剪应力的精确测量技术，以期达到减小能量损耗、降低噪声、提高巡航速度和机动性的目的。此外，壁面剪应力的测量也是主动流动控制技术的基础，当飞行器表面流体发生分离时，分离点处的剪应力值为最小，流动分离可导致飞行器“失速”，更严重的则会导致空难，通过剪应力传感器可以直观的检测到流动分离，从而为流动控制提供依据，以防止或抑制流动分离的发生。因此微剪应力传感器对于监测飞行器周围流体的运动状态，判断是否发生分离，维护飞行器的安全飞行也具有十分重要的作用。

剪应力的测量分为间接测量和直接测量两种方式，间接测量主要通过测量近壁面处的压力梯度、速度梯度、热交换以及其他参数建立与剪应力的关系；直接测量时所用到的传感器一般都具有浮动单元，剪应力作用于浮动单元，浮动单元的位移与剪应力的大小成比例。

但是，现有的流体壁面剪应力测试仪的浮动式传感器的测量原理是将流体流经器件表面产生的剪应力直接转化为差动电容输出的电压信号，这种测量方式只能用于粗略测量剪应力分布情况，难以满足流体壁面剪应力精确测量要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元，包括：

浮动输出电压调整模块，用于对浮动式传感器的输出电压进行调整；

数据处理模块，连接所述浮动输出电压调整模块，用于采集调整后的所述输出电压并接受交流激励信号；

浮动激励模块，连接所述数据处理模块，用于为所述浮动式传感器提供所述交流激励信号。

在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块为现场可编程门阵列。

在本发明的一个实施例中，所述浮动输出电压调整模块包括模数转换器、放大模块、偏置信号产生模块、鉴相模块、带通滤波器，其中，所述模数转换器、所述放大模块、所述偏置信号产生模块、所述鉴相模块和所述带通滤波器依次连接。

在本发明的一个实施例中，所述偏置信号产生模块包括前级放大电路、相位基准产生电路、鉴相器电路和低通滤波电路，其中，所述前级放大电路和所述相位基准产生电路分别与所述鉴相器电路连接，所述鉴相器电路与所述低通滤波电路连接。

本发明的一个实施例中，所述浮动输出电压调整模块还包括鉴相前级放大模块，所述鉴相前级放大模块连接于所述鉴相模块和所述带通滤波器之间。

本发明的一个实施例中，所述数据处理模块还分别连接至所述放大模块和所述偏置信号产生模块。

本发明的一个实施例中，所述浮动激励模块包括频率合成模块、低通滤波器、差分驱动模块，其中，所述频率合成模块、所述低通滤波器和所述差分驱动模块依次连接，所述差分驱动模块还与所述鉴相模块连接。

本发明的一个实施例中，所述频率合成模块为直接数字式频率合成器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集模块能够为浮动式传感器提供交流激励信号，并对浮动式传感器的输出电压进行滤波、鉴相、偏置调整以及放大，使得本发明的流体壁面剪应力测试仪的适应性强，响应时间短，能够实现对剪应力分布情况的精确测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种浮动调理采集单元的模块框图；

图2为本发明实施例提供的另一种浮动调理采集单元的模块框图；

图3为本发明实施例提供的一种偏置信号产生模块的电路图；

图4为发明实施例提供的一种前级放大电路图；

图5为本发明实施例提供的一种相位基准产生电路图；

图6为本发明实施例提供的一种鉴相器电路图；

图7为本发明实施例提供的一种低通滤波电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种浮动调理采集单元的模块框图。本发明实施例提供的流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元包括：

浮动输出电压调整模块，用于对浮动式传感器的输出电压进行调整；

数据处理模块，连接所述浮动输出电压调整模块，用于采集调整后的所述输出电压并接受交流激励信号；

浮动激励模块，连接所述数据处理模块，用于为所述浮动式传感器提供所述交流激励信号。

本实施例的浮动调理采集单元能够给流体壁面剪应力测试仪的浮动式传感器提供交流激励信号，通过浮动调理采集单元能够对浮动式传感器进行激励，提高浮动式传感器的测量精度。同时对浮动式传感器的输出电压能够进行放大滤波、鉴相、偏置调整以及放大处理，最后经数据处理模块将处理后的输出电压传送给流体壁面剪应力测试仪的通信控制模块，便于实时获取浮动式传感器的数据。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种浮动调理采集单元的模块框图。具体地，数据处理模块为现场可编程门阵列，现场可编程门阵列与浮动输出电压调整模块的模数转换器连接，通过现场可编程门阵列控制模数转换器进行数据采集，并对模数转换器采集的数据进行数据打包并进行发送至上位机进行监测，并且，现场可编程门阵列与浮动激励模块的频率合成模块连接，用于对上位机发送的指令进行解析，并将解析后的指令进行传输，其中，指令一般为上位机发送的交流激励信号进行传输，并对Flash存储器进行读写控制以及对电位计的控制。

优选地，现场可编程门阵列的型号为EP3C40F780C8芯片。

浮动式传感器的输出电压首先经浮动输出电压调整模块的带通滤波器对输出电压的信号进行滤波，滤除部分干扰和噪声，以提高鉴相器的动态范围。浮动式传感器输出电压的信号在通过鉴相模块进行鉴相前需要进行交流放大，将其放大到足以推动鉴相模块工作的电平。

通过鉴相模块能够鉴别出输入至鉴相模块信号的相位差，该鉴相模块是对浮动式传感器经鉴相前级放大模块放大的输出电压的信号与浮动激励模块提供给浮动式传感器的交流激励信号进行鉴别。浮动激励模块提供的交流激励信号通过浮动激励模块的差分驱动模块传送至鉴相模块，其中交流激励信号也为提高给传感器的模拟电压信号。

优选地，鉴相模块的型号为AD630鉴相器，AD630鉴相器是一款高精度平衡调制器，结合了灵活的换流架构，内部电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，保证了其工作的精确性和稳定性。它的信号处理应用包括平衡调制和解调，同步检波，相位检测，正交检波，相敏检波，锁相放大，和方波乘法。AD630鉴相器内部可以被认为是集成了两个前置放大器，一个用来选通前置放大器的精密比较器，一个作为多路选择开关以及输出级积分运算放大器。拥有高切换速度和快速稳定的线性放大器，由于比较器的响应时间快速，可使开关失真降至最低。此外，还有极低的通道间串扰。AD630鉴相器通常用于高精度的信号处理以及动态范围宽的仪器设备。AD630鉴相器经常用作为平衡调制器。配置的不同在于10KΩ的反馈电阻(14引脚)和补偿电容(12引脚)。如果一个双边带抑制载波波形被施加到信号输入端和载波信号是施加到参考输入端，那么上述的平衡调制器拓扑也将作为一个平衡的解调器。此环境下的输出为基带调制信号，高阶载体部分通过带通滤波过滤掉了。利用AD630鉴相器就是应用了此功能。

偏置信号产生模块是对经鉴相模块得到的浮动式传感器输出电压的信号和模拟电压信号进行偏置调整。在交流耦合应用中，得到的正弦输出信号必须进行偏置，以便使其位于模数转换器的输入范围内。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种偏置信号产生模块的电路图。偏置信号产生模块包括前级放大电路、相位基准产生电路、鉴相器电路和低通滤波电路。偏置信号产生模块通过前级放大电路和相位基准产生电路与鉴相模块连接，通过低通滤波电路与放大模块连接。

前级放大电路用于将传感器反馈信号在通过鉴相器电路鉴相之前进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动鉴相器工作的电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高鉴相器的动态范围。

在电路工作中，送入传感器的参考正弦信号和传感器输出的正弦信号会产生一个相位差。传感器输出的信号经过前级放大电路后与参考正弦信号一起送到鉴相器电路，鉴相器电路输出的电压信号经过单端转差分运放后送到信号采集电路。偏置信号电路由乘法电路和滤波电路构成，以输入传感器的参考正弦信号为sin(wt)为例，sin(wt+angle)是参考正弦信号流经传感器后输出的信号，两者的相位差为angle，两者经过相乘得到：

Vout＝sin(wt)*sin(wt+angle)＝(cos(angle)-cos(2wt+angle))/2；

Vout中有一个交流分量和一个直流分量，我们需要的是直流分量cos(angle),它包含了相位的信息，滤波电路采用高选择性与其通带中的线性相位相结合，使其适用于数据通信和数据采集系统中的滤波，从而产生偏置信号。

请参见图4，图4为发明实施例提供的一种前级放大电路图，该电路包括第一运算放大器，其第2引脚经第二电阻接地，第3引脚连接传感器的输出电压信号，第4引脚经并联的第二电容和第三电容接地，第6引脚依次经第三电阻、第四电阻、第六电容接地，第7引脚经并联的第四电容和第五电容接地，第三电阻与第四电阻连接的节点与第2引脚之间并接有第一电阻和第一电容。

优选地，第一运算放大器的型号为OPA192，其第2引脚为反向输入A端，第3引脚为正相输入A端，第4引脚为接地端，第6引脚为输出端，第7引脚为反向输入B端。第一电阻和第二电阻均为1KΩ，第三电阻和第四电阻均为50Ω，第一电容为390pF，第二电容为0.1uF，第三电容为10uF，第四电容为0.1uF，第五电容为10uF，第六电容为5.6nF。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种相位基准产生电路图，该电路包括第二运算放大器，其第2引脚经第六电阻连接第一节点，第3引脚经第八电容连接第一节点，第3引脚经第七电阻接地，第4引脚接地，第6引脚经第八电阻连接第二节点，第2引脚与第6引脚之间连接有第七电容，第2引脚与第二节点之间连接有第五电阻，第7引脚经并联的第九电容和第十电容接地。

优选地，第二运算放大器的型号为OPA192，其第2引脚为反向输入端，第3引脚为正相输入端，第4引脚为接地端，第6引脚为输出端，第7引脚为反向输入B端。第五电阻和第六电阻均为10KΩ，第八电阻为50Ω，第七电容为390pF。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种鉴相器电路图，该电路包括高精度平衡调制器，其第1引脚接地，第8引脚经并联的第十一电容和第十二电容接地，第9引脚经第九电阻连接第二节点，第9引脚经第十三电容接地，第10引脚接地，第11引脚经并联的第十四电容和第十五电容接地，第12引脚依次经第十电阻、第十一电阻、第十二电阻接地，第13引脚连接至第十电阻与第十一电阻之间的节点，第十电阻与第十一电阻之间的节点作为输出端，第14引脚连接至第十一电阻与第十二电阻之间的节点，第15引脚分别连接第19引脚和第20引脚，，第16引脚与第17引脚连接，第17引脚经第十三电阻连接第三节点，第17引脚经第十六电容接地。

优选地，高精度平衡调制器的型号为AD630，第十一电容为10uF，第十二电容为0.1uF，第十三电容为5.6uF，第十四电容和第十五电容10uF，第十六电容为5.6nF，第三节点与前级放大电路连接。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种低通滤波电路图，该电路包括：第一电感、第二电感、第十七电容、第十八电容和第十九电容，第一电感与第二电感连接，第十七电容、第十八电容和第十九电容的一端均接地，另一端依次连接第一电感远离第二电感的一端、第一电感与第二电感之间的节点、第二电感远离第一电感的一端。

通过放大模块对偏置调整后的浮动式传感器输出电压的信号和模拟电压信号进行放大处理，之后再将经放大处理正弦输出信号传送至模数转换器进行采集。

优选地，放大模块的型号为THS452放大器。设定模数转换器的采集电压范围是+/-2.5V，因此采用THS452放大器将0～5V的电压信号转换为+/-2.5V电压，以便模数转换器进行数据采集。

模数转换器有单端输入和差分输入两种模式，差分输入可有效抑制零漂和消除信号共模干扰，所以将模数转换器设置为差分输入工作模式。由于正弦输出信号比较微弱，所以在模数转换器进行采样之前需对正弦输出信号进行调理，以滤除环境噪声，提高共模抑制比。

模数转换器主要作用是将浮动式传感器输出电压的信号进行采样，并将模拟电压信号转化为数字信号。

优选地，模数转换器的型号为ADS1274。本测试仪需求提出要使用24位AD芯片，采样率不低于50KHz且要求每个模块的4通道同步采集，所以该模数转换器的AD芯片选用24位高精度的模数转换器，AD芯片可实现4通道同步采样，采用差动输入方式，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，具有62KHz的带宽，采样率最高可达128KHz。

该模数转换器主要包括电源模块、信号调理模块、基准电压产生模块及4通道信号同步采集，其中信号调理电路配合模数转换器的高性能AD芯片实现同步采集4通道传感器的电压信号，通过LVDS环网总线，再通过现场可编程门阵列将模数转换器采集的输出电压的信号和数字信号的数据搬移到存储器中，然后数字信号处理模块(Digital SignalProcessing，简写DSP)对读取的AD芯片的数据进行编程，通过TCP/IP将相关数据传输到上位机。

电源模块是保证AD芯片数据采集精度和可靠性的基础。高分辨力的AD芯片易受电源纹波的影响，虽然ADS1274内部设有相应的抗干扰措施，但稳定的电源将有利于其发挥最佳性能。该浮动调理采集单元中需要使用5V、3.3V和1.8V三种电压，其中3.3V和1.8V电压直接由电源新品型号为TPS65053产生，5V电压由15V电压经过可控精密稳压源TL431产生。

在浮动式传感器的输出电压输入至模数转换器之前还需要对该浮动式传感器的输出电压信号进行确认。

浮动式传感器所需要的激励是交流激励信号，其中交流激励信号为正弦交流激励信号，主要由频率合成模块产生439KHz的正弦波进行滤波驱动后给浮动式传感器作为激励。

其中，频率合成模块为直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，简写为DDS)，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

直接数字式频率合成器主要作用是为浮动式传感器提供439KHz的正弦交流激励信号，本浮动调理采集模块选用AD9834芯片来实现DDS的功能。AD9834芯片是一款75MHz、低功耗DDS器件。能够产生高性能正弦波和三角波输出。其芯片内还集成一个比较器，支持产生方波以用于时钟发生。影响频率和相位调制的方法是通过串行接口加载寄存器，然后通过软件或FSELECT/PSELECT引脚切换寄存器。AD9834通过一个三线式串行接口写入数据，通过DSP来控制DDS，写入DDS频率控制字，能非常快捷的改变输出信号的频率及相位，并且DDS的分辨率高。该串行接口能够以最高40MHz的时钟速率工作，并且与DSP和微控制器标准兼容。

具体地，与频率合成模块相连接的为低通过滤器，通过低通过滤器滤除部分干扰和噪声。再通过差分驱动模块消除共模干扰，最后将交流激励信号传送至浮动式传感器进行激励。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种流体壁面剪应力测试仪的浮动调理采集单元，浮动调理采集单元能够给流体壁面剪应力测试仪的浮动式传感器提供交流激励信号，其特征在于，包括：

浮动输出电压调整模块，用于对浮动式传感器的输出电压进行调整；

数据处理模块，连接所述浮动输出电压调整模块，用于采集调整后的所述输出电压并接受交流激励信号；

浮动激励模块，连接所述数据处理模块，用于为所述浮动式传感器提供所述交流激励信号；

所述浮动输出电压调整模块包括模数转换器、放大模块、偏置信号产生模块、鉴相模块、带通滤波器，其中，所述模数转换器、所述放大模块、所述偏置信号产生模块、所述鉴相模块和所述带通滤波器依次连接；

所述偏置信号产生模块包括前级放大电路、相位基准产生电路、鉴相器电路和低通滤波电路，其中，所述前级放大电路和所述相位基准产生电路分别与所述鉴相器电路连接，所述鉴相器电路与所述低通滤波电路连接；

所述浮动输出电压调整模块还包括鉴相前级放大模块，所述鉴相前级放大模块连接于所述鉴相模块和所述带通滤波器之间；

所述数据处理模块还分别连接至所述放大模块和所述偏置信号产生模块；

所述浮动激励模块包括频率合成模块、低通滤波器、差分驱动模块，其中，所述频率合成模块、所述低通滤波器和所述差分驱动模块依次连接，所述差分驱动模块还与所述鉴相模块连接；

所述浮动式传感器的输出电压首先经所述浮动输出电压调整模块的带通滤波器对输出电压的信号进行滤波，滤除部分干扰和噪声，以提高鉴相器的动态范围，所述浮动式传感器输出电压的信号在通过所述鉴相模块进行鉴相前需要进行交流放大，将其放大到足以推动所述鉴相模块工作的电平；

通过所述鉴相模块能够鉴别出输入至所述鉴相模块信号的相位差，该所述鉴相模块是对所述浮动式传感器经鉴相前级放大模块放大的输出电压的信号与所述浮动激励模块提供给所述浮动式传感器的交流激励信号进行鉴别，所述浮动激励模块提供的交流激励信号通过所述浮动激励模块的差分驱动模块传送至鉴相模块，其中交流激励信号也为提供给传感器的模拟电压信号。

2.根据权利要求1所述的采集单元，其特征在于，所述数据处理模块为现场可编程门阵列。

3.根据权利要求2所述的采集单元，其特征在于，所述频率合成模块为直接数字式频率合成器。

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