CN110057473B

CN110057473B - 一种单线圈振弦传感器的激振电路及其测量电路

Info

Publication number: CN110057473B
Application number: CN201910361191.7A
Authority: CN
Inventors: 李芳苑
Original assignee: Nanjing College of Information Technology
Current assignee: Changzhou Xingqi Electronic Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN110057473A

Abstract

本发明公开了一种单线圈振弦传感器的激振电路，包括单线圈振弦传感器、起振电路和反馈电路，本发明公开了一种单线圈振弦传感器的测量电路，包括单线圈振弦传感器的激振电路和信号处理电路。优点：本单线圈振弦传感器的激振电路及其测量电路不仅能使单线圈振弦传感器的振荡幅度不变而且可以实现连续测量，提高了测试结果的准确度和时效性。

Description

一种单线圈振弦传感器的激振电路及其测量电路

技术领域

本发明涉及振弦传感器测量领域，具体为一种单线圈振弦传感器的激振电路。

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，根据导线切割磁力线产生电流电压的电磁感应原理，获得输出频率测量信号，具有结构简单、精度高、抗干扰能力强，适合长距离传输的特点，被广泛运用与大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测。

振弦传感器一般分为单线圈振弦传感器、双线圈振弦传感器。本发明主要涉及单线圈振弦传感器。目前现有技术的单线圈振弦传感器测量的工作过程分为三步：

(1)传感器激振信号产生：当前市场上的振弦传感器的激振信号的获取一般采用充电电容的方式获得所需的电压；

(2)激励振弦传感器做自由振荡：充电电路断开，电容作为储能元件对振弦传感器进行放电激励，使振弦传感器做自由振荡；电容放电过程中，能量释放的越来越少，导致振弦传感器振荡幅度越来越小，从而易导致测量电路检测不到振荡信号或检测的振荡信号不准确，故现有技术中的测量电路仅检测刚开始振荡的信号；电容放电结束后，需进行充电，此时振弦传感器需等待电容充满电放电时才会再次做自由振荡；

(3)信号的拾取和处理：钢弦在自由振荡时，切割磁力线产生电流电压输出基础信号；基础信号经过整流、滤波、运放电路的信号处理后，计算芯片对处理信号进行计算分析，得出振荡频率。

可见，在整个过程中，现有技术中单线圈振弦传感器是以一种升压、激振、测量的间断检测方法进行测量，故测量数据为离散型数据，测量结果的准确度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术中提及的现有技术中单线圈振弦传感器的振荡幅度会随电容放电而逐渐减小，且不能连续振荡的技术问题。

本发明提出一种单线圈振弦传感器的激振电路，能使单线圈振弦传感器的振荡幅度不变且能实现连续振荡。

本发明所采取的技术方案是：

一种单线圈振弦传感器的激振电路，包括：

单线圈振弦传感器；

起振电路，所述起振电路连接所述单线圈振弦传感器；

反馈电路，所述反馈电路连接所述起振电路，所述反馈电路放大所述起振电路的输出信号，所述反馈电路连接所述单线圈振弦传感器。

进一步地，所述反馈电路包括变压器T1和三极管T2，所述变压器T1的初级线圈一端连接电源，所述变压器T1的初级线圈另一端连接三极管T2的集电极，所述变压器T1的次级线圈的一端接地，所述变压器T1的次级线圈的另一端连接所述起振电路的输出端，所述三极管T2的基极连接所述起振电路的输出端，所述三极管T2的发射极接地。反馈电路中采用变压器，变压器的输入端连接起振电路的输出端，变压器的输出端连接单线圈振弦传感器，变压器不仅可以放大起振电路的输出信号，同时变压器作为储能元件，在电容放电结束进行充电时为单线圈振弦传感器提供信号，使其继续保持振荡。

进一步地，反馈电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，所述电阻R1一端连接电源，另一端连接三极管T2的基极；所述电阻R2一端接地，另一端连接三极管T2的基极；所述电阻R3一端接地，另一端连接三极管T2的发射极；所述电阻R4的一端连接所述变压器T1的次级线圈，另一端连接所述起振电路的输出端；所述电阻R5和所述电阻R6串联后的一端连接所述起振电路的输出端，另一端接地；所述电容C1一端连接所述三极管T2的基极，另一端连接在所述电阻R5和所述电阻R6之间。反馈电路中采用电阻R4，电阻R4为可调电阻，电阻R4的一端连接变压器的次级线圈，电阻R4的另一端连接单线圈振弦传感器，电阻R4可以调节单线圈振弦传感器的振荡幅度。

进一步地，所述电阻R4为可调电阻。

进一步地，所述起振电路包括升压电路，所述升压电路包括第一控制信号、三极管Q3、电阻R25、电感L1、稳压电容C10和储能电容C23，所述第一控制信号连接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的基极经电阻R25连接电源，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的集电极经所述电感L1连接电源，所述稳压电容C10的一端连接所述电源，所述稳压电容C10的另一端接地，所述储能电容C23的正极连接所述三极管Q3的集电极，所述储能电容C23的负极接地。

进一步地，所述起振电路还包括单线圈振弦传感器接入电路，所述单线圈振弦传感器接入电路包括第二控制信号、电阻R12、三极管Q4、电阻R30、三极管Q5和电阻R11，所述第二控制信号经所述电阻R12连接所述三极管Q4的基极，所述三极管Q4的发射极接地，所述三极管Q4的集电极经电阻R30连接所述三极管Q5的基极，所述三极管Q5的发射极连接所述升压电路的输出端，所述电阻R11的两端分别连接所述三极管Q5的发射极和基极，所述三极管Q5的集电极连接所述单线圈振弦传感器。采用第二控制信号控制起振电路是否给单线圈振弦传感器供电，当起振电路已经使单线圈振弦传感器处于振荡状态，可通过第二控制信号输出低电平控制三极管Q4和三级管Q5截止，从而控制起振电路停止为单线圈振弦传感器供电，能够节省能量消耗。

本发明为解决现有技术中单线圈振弦传感器的测量电路不能连续测量的问题，提供了一种单线圈振弦传感器的测量电路，能使单线圈振弦传感器实现连续振荡，从而可以进行连续测量。

一种单线圈振弦传感器的测量电路，包括单线圈振弦传感器的激振电路和信号处理电路，所述信号处理电路连接所述单线圈振弦传感器。

进一步地，所述信号处理电路包括整流滤波电路，所述整流滤波电路连接所述单线圈振弦传感器，所述整流滤波电路包括电阻R8、开关二极管D4、电阻R9、电容C18、电阻R33、电容C25和电阻R34，所述单线圈振弦传感器经所述电阻R8连接所述开关二极管D4的a脚，同时所述开关二极管D4的a脚连接电源，所述开关二极管D4的b脚接地，所述开关二极管D4的c脚经所述电阻R9连接所述单线圈振弦传感器，同时所述开关二极管D4的c脚经所述电容C18接地，所述电阻R33和所述电容C25串联后的一端连接所述单线圈振弦传感器，所述电阻R33和所述电容C25串联后的另一端接地，所述电阻R34的一端连接所述单线圈振弦传感器，所述电阻R34的另一端接地。

进一步地，所述信号处理电路还包括放大电路，所述放大电路的输入端连接所述整流滤波电路的输出端；放大电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、运算放大器U5C、运算放大器U5D、电阻R10、电阻R27、电阻R14和电阻R28，整流滤波电路的输出端连接运算放大器U5A的同相输入端，运算放大器U5A构成电压跟随器，运算放大器U5A的输出端经电阻R10连接运算放大器U5B的反相输入端，电阻R27的两端分别连接运算放大器U5B的反相输入端和输出端，运算放大器U5B的输出端经电阻R14连接运算放大器U5C的反相输入端，电阻R28的两端分别连接运算放大器U5C的反相输入端和输出端，运算放大器U5C的输出端连接运算放大器U5D的反向输入端，运算放大器U5D的输出端将检测的放大后的单线圈振弦传感器输出信号输出给处理器。

进一步地，放大电路还包括基准电压电路，基准电压电路包括电阻R31、电阻R13和3.3V电压，电阻R31和电阻R13串联后的一端连接3.3V电压，另一端接地，电阻R13的电压作为基准电压分别输出给运算放大器U5B、运算放大器U5C和运算放大器U5D的同相输入端，以便使4个运算放大器(运算放大器U5A、运算放大器U5B、运算放大器U5C、运算放大器U5D)能够对正弦信号进行放大。

本发明的有益效果是：

1、本单线圈振弦传感器的激振电路，采用反馈电路将起振电路的输出信号进行放大，并将放大后的信号输出给单线圈振弦传感器，解决了现有技术中单线圈振弦传感器的振荡幅度随电容放电逐渐减小的问题，本发明的激振电路能使单线圈振弦传感器振荡幅度保持不变。

2、本单线圈振弦传感器的测量电路，因为单线圈振弦传感器的激振电路能使单线圈振弦传感器振荡幅度不变且连续振荡，因此测量电路可以进行连续测量，提高了测试结果的准确度及时效性。

附图说明

图1是实施例1的单线圈振弦传感器的激振电路的原理框图。

图2是实施例1中反馈电路的电路图。

图3是实施例1中起振电路的电路图。

图4是实施例2的单线圈振弦传感器的测量电路的原理框图。

图5是实施例2中整流电路的电路图。

图6是实施例2中放大电路的电路图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图6和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的一种单线圈振弦传感器的激振电路的原理框图，包括单线圈振弦传感器、起振电路和反馈电路，其中，起振电路连接单线圈振弦传感器，起振电路为单线圈振弦传感器提供起振信号，反馈电路连接起振电路，反馈电路放大起振电路的输出信号，反馈电路连接单线圈振弦传感器，将起振电路的输出信号放大后输出给单线圈振弦传感器，在起振电路不工作时，反馈电路继续为单线圈振弦传感器提供振荡信号，保证单线圈振弦传感器振荡幅度不变且实现连续振荡。

具体地，如图2所示，反馈电路包括电阻R1、三极管T2、电阻R2、电阻R3、变压器T1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，电阻R1一端连接电源，另一端连接三极管T2的基极；电阻R2一端接地，另一端连接三极管T2的基极；电阻R3一端接地，另一端连接三极管T2的发射极；变压器T1的初级线圈一端连接电源，变压器T1的初级线圈另一端连接三极管T2的集电极，变压器T1的次级线圈的一端接地，变压器T1的次级线圈的另一端经电阻R4连接起振电路的输出端；电阻R5和电阻R6串联后的一端连接起振电路的输出端，另一端接地；电容C1一端连接三极管T2的基极，另一端连接在电阻R5和电阻R6之间。电阻R4为可调电阻，可以调节单线圈振弦传感器的振荡幅度。

如图2所示，为使反馈电路更好的工作，本实施例提供的反馈电路还包括电容C3和电容C2，电容C3的正极连接电源，电容C3的负极接地，电容C2与电阻R3并联。

如图3所示，本实施例起振电路包括升压电路和单线圈振弦传感器接入电路。

如图3所示，升压电路包括第一控制信号、三极管Q3、电阻R25、电感L1、稳压电容C10和储能电容C23，该第一控制信号为控制器输出的PWM波，第一控制信号连接三极管Q3的基极，三极管Q3的基极经电阻R25连接电源，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极经电感L1连接电源，稳压电容C10的一端连接电源，稳压电容C10的另一端接地，储能电容C23的正极连接三极管Q3的集电极，储能电容C23的负极接地。

如图3所示，单线圈振弦传感器接入电路包括第二控制信号、电阻R12、三极管Q4、电阻R30、三极管Q5和电阻R11，该第二控制信号为控制器输出，第二控制信号经电阻R12连接三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极经电阻R30连接三极管Q5的基极，三极管Q5的发射极连接升压电路的输出端，电阻R11的两端分别连接三极管Q5的发射极和基极，三极管Q5的集电极连接单线圈振弦传感器。

如图3所示，为使本实施例提供的起振电路更好的工作，起振电路还包括二极管D5、二极管D6和二极管D8，二极管D5的阳极连接三极管Q3的集电极，二极管D5的阴极连接电容C23的正极，二极管D6的阴极连接三极管Q3的集电极，二极管D6的阳极接地，二极管D8的阴极连接三极管Q5的集电极，二极管D8的阳极接地。

实施例1的工作原理：

控制器输出第一控制信号(PWM波)给三级管Q3，以三级管Q3和电感L1为核心的放大电路为储能电容C23充电，储能电容C23充满电为150V。

当控制器输出第二控制信号为高电平，三极管Q4导通，三级管Q5导通，储能电容C23开始放电，单线圈振弦传感器开始振荡，随着储能电容C23能量逐渐减小，单线圈振弦传感器振荡幅度会逐渐减小，通过反馈电路将储能电容C23的输出信号进行放大后输出给单线圈振弦传感器，保证单线圈振弦传感器振荡幅度不变。同时反馈电路中的变压器T2具有储能作用，在储能电容C23充电的时候，变压器T2为单线圈振弦传感器提供振荡信号，保证单线圈振弦传感器可以连续振荡，当然，当起振电路使单线圈振弦传感器已经工作在振荡状态，也可以通过第二控制信号控制三极管Q2和三极管Q3截止，使起振电路停止为单线圈振弦传感器供电，通过反馈电路不断的接收单线圈振弦传感器输出信号后经反馈电路放大后再输出给单线圈振弦传感器，使其保持一定幅度连续振荡。

实施例2

如图4所示，图4示出了本发明实施例提供的一种单线圈振弦传感器的测量电路的原理框图，包括实施例1的一种单线圈振弦传感器的激振电路和信号处理电路，信号处理电路连接单线圈振弦传感器，信号处理电路用于检测单线圈振弦传感器的输出信号并进行整流滤波、放大后输出给处理器。

如图4所示，信号处理电路包括整流滤波电路和放大电路。整流滤波电路连接单线圈振弦传感器，放大电路的输入端连接整流滤波电路的输出端。

如图5所示，整流滤波电路包括电阻R8、开关二极管D4、电阻R9、电容C18、电阻R33、电容C25和电阻R34，单线圈振弦传感器经电阻R8连接开关二极管D4的a脚，同时开关二极管D4的a脚连接电源，开关二极管D4的b脚接地，开关二极管D4的c脚经电阻R9连接单线圈振弦传感器，同时开关二极管D4的c脚经电容C18接地，电阻R33和电容C25串联后的一端连接单线圈振弦传感器，电阻R33和电容C25串联后的另一端接地，电阻R34的一端连接单线圈振弦传感器，电阻R34的另一端接地，单线圈振弦传感器输出信号经整流滤波电路后，输出信号频率低于4.8KHz。

如图6所示，放大电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、运算放大器U5C、运算放大器U5D、电阻R10、电阻R27、电阻R14和电阻R28，整流滤波电路的输出端连接运算放大器U5A的同相输入端，运算放大器U5A构成电压跟随器，运算放大器U5A的同相输入端接电压，运算放大器U5A的输出端经电阻R10连接运算放大器U5B的反相输入端，电阻R27的两端分别连接运算放大器U5B的反相输入端和输出端，运算放大器U5B的输出端经电阻R14连接运算放大器U5C的反相输入端，电阻R28的两端分别连接运算放大器U5C的反相输入端和输出端，运算放大器U5C的输出端连接运算放大器U5D的反向输入端，运算放大器U5D的输出端将检测的放大后的单线圈振弦传感器输出信号输出给处理器。

如图6所示，本实施例放大电路还包括基准电压电路，基准电压电路包括电阻R31、电阻R13和3.3V电压，电阻R31和电阻R13串联后的一端连接3.3V电压，另一端接地，电阻R13的电压作为基准电压分别输出给运算放大器U5B、运算放大器U5C和运算放大器U5D的同相输入端，以便使上述的4个运算放大器能够对正弦信号进行放大。

如图6所示，为使本实施例的放大电路更好的工作，本实施例提供的放大电路还包括电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C27和电容C24，电容C19一端连接电阻R10，电容C19另一端连接运算放大器U5B的反相输入端，电容C20的一端连接电阻R14，电容C20的另一端连接运算放大器U5C的反相输入端，电容C21并联电阻R27，电容C22并联电阻R28，电容27并联电阻R13，电容C24并联电阻R13。

实施例2的工作原理：

本实施例应用实施例1的一种单线圈振弦传感器的激振电路，因为单线圈振弦传感器的激振电路可以实现振荡幅度不变且连续振荡，所以应用此种激振电路的测量电路可以实现连续测量，故测量结果准确度和时效性更高。

凡本发明说明书中未作特别说明的均为现有技术或者通过现有的技术能够实现，应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种单线圈振弦传感器的激振电路，其特征在于：包括：

单线圈振弦传感器；

起振电路，所述起振电路连接所述单线圈振弦传感器；

反馈电路，所述反馈电路连接所述起振电路，所述反馈电路放大所述起振电路的输出信号，所述反馈电路连接所述单线圈振弦传感器；

所述反馈电路包括变压器T1和三极管T2，所述变压器T1的初级线圈一端连接电源，所述变压器T1的初级线圈另一端连接三极管T2的集电极，所述变压器T1的次级线圈的一端接地，所述变压器T1的次级线圈的另一端连接所述起振电路的输出端，所述三极管T2的基极连接所述起振电路的输出端，所述三极管T2的发射极接地。

2.根据权利要求1所述的单线圈振弦传感器的激振电路，其特征在于，反馈电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C1，所述电阻R1一端连接电源，另一端连接三极管T2的基极；所述电阻R2一端接地，另一端连接三极管T2的基极；所述电阻R3一端接地，另一端连接三极管T2的发射极；所述电阻R4的一端连接所述变压器T1的次级线圈，另一端连接所述起振电路的输出端；所述电阻R5和所述电阻R6串联后的一端连接所述起振电路的输出端，另一端接地；所述电容C1一端连接所述三极管T2的基极，另一端连接在所述电阻R5和所述电阻R6之间。

3.根据权利要求2所述的单线圈振弦传感器的激振电路，其特征在于，所述电阻R4为可调电阻。

4.根据权利要求1所述的单线圈振弦传感器的激振电路，其特征在于，所述起振电路包括升压电路，所述升压电路包括第一控制信号、三极管Q3、电阻R25、电感L1、稳压电容C10和储能电容C23，所述第一控制信号连接所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的基极经电阻R25连接电源，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的集电极经所述电感L1连接电源，所述稳压电容C10的一端连接所述电源，所述稳压电容C10的另一端接地，所述储能电容C23的正极连接所述三极管Q3的集电极，所述储能电容C23的负极接地。

5.根据权利要求4所述的单线圈振弦传感器的激振电路，其特征在于，所述起振电路还包括单线圈振弦传感器接入电路，所述单线圈振弦传感器接入电路包括第二控制信号、电阻R12、三极管Q4、电阻R30、三极管Q5和电阻R11，所述第二控制信号经所述电阻R12连接所述三极管Q4的基极，所述三极管Q4的发射极接地，所述三极管Q4的集电极经电阻R30连接所述三极管Q5的基极，所述三极管Q5的发射极连接所述升压电路的输出端，所述电阻R11的两端分别连接所述三极管Q5的发射极和基极，所述三极管Q5的集电极连接所述单线圈振弦传感器。

6.一种单线圈振弦传感器的测量电路，其特征在于，包括权利要求1-5所述的单线圈振弦传感器的激振电路和信号处理电路，所述信号处理电路连接所述单线圈振弦传感器。

7.根据权利要求6所述的单线圈振弦传感器的测量电路，其特征在于，所述信号处理电路包括整流滤波电路，所述整流滤波电路连接所述单线圈振弦传感器，所述整流滤波电路包括电阻R8、开关二极管D4、电阻R9、电容C18、电阻R33、电容C25和电阻R34，所述单线圈振弦传感器经所述电阻R8连接所述开关二极管D4的a脚，同时所述开关二极管D4的a脚连接电源，所述开关二极管D4的b脚接地，所述开关二极管D4的c脚经所述电阻R9连接所述单线圈振弦传感器，同时所述开关二极管D4的c脚经所述电容C18接地，所述电阻R33和所述电容C25串联后的一端连接所述单线圈振弦传感器，所述电阻R33和所述电容C25串联后的另一端接地，所述电阻R34的一端连接所述单线圈振弦传感器，所述电阻R34的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的单线圈振弦传感器的测量电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括放大电路，所述放大电路的输入端连接所述整流滤波电路的输出端；放大电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、运算放大器U5C、运算放大器U5D、电阻R10、电阻R27、电阻R14和电阻R28，整流滤波电路的输出端连接运算放大器U5A的同相输入端，运算放大器U5A构成电压跟随器，运算放大器U5A的输出端经电阻R10连接运算放大器U5B的反相输入端，电阻R27的两端分别连接运算放大器U5B的反相输入端和输出端，运算放大器U5B的输出端经电阻R14连接运算放大器U5C的反相输入端，电阻R28的两端分别连接运算放大器U5C的反相输入端和输出端，运算放大器U5C的输出端连接运算放大器U5D的反向输入端，运算放大器U5D的输出端将检测的放大后的单线圈振弦传感器输出信号输出给处理器。

9.根据权利要求8所述的单线圈振弦传感器的测量电路，其特征在于，放大电路还包括基准电压电路，基准电压电路包括电阻R31、电阻R13和3.3V电压，电阻R31和电阻R13串联后的一端连接3.3V电压，另一端接地，电阻R13的电压作为基准电压分别输出给运算放大器U5B、运算放大器U5C和运算放大器U5D的同相输入端。