CN110631467A - 多通道自适应高精度lvdt数据采集测量系统及方法 - Google Patents

多通道自适应高精度lvdt数据采集测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统及方法，系统包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、运动方向判别单元和微处理器单元，恒频恒幅信号发生单元与通道选通及LVDT驱动单元连接，通道选通及LVDT驱动单元与接入选通低噪声前置放大单元连接，接入选通低噪声前置放大单元分别与真有效值快速采样单元和运动方向判别单元连接，真有效值快速采样单元和运动方向判别单元分别与微处理器单元连接，微处理器单元分别与通道选通及LVDT驱动单元和程控增益单元连接，程控增益单元和接入选通低噪声前置放大单元连接。

Description

多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统及方法
技术领域
本发明属检测仪器制造领域，涉及到一种适用于工程微应变监测的多通道自适应LVDT 数据采集测量系统及其方法。
背景技术
目前，在工程建筑、桥梁、水库大坝等领域广泛应用着一种称为振弦式的应变传感器。 振弦式应变传感器以其结构简单，抗干扰能力强的优点，尤其在岩土工程领域得到了普遍应 用。
然而，振弦式应变传感器也因其明显的技术缺陷成为了引起业界广泛争论的议题。以拉 紧的金属弦作为敏感元件的振弦式应变传感器，当弦的长度确定后，其固有振动频率的变化 量即可表证弦所受拉力的大小，通过一定的换算可得到频率与受力间的一定关系。随着对振 弦式应变传感器不断深入研究分析，结合在工程中应用的实际失效案例，振弦式应变传感器 其固有的物理缺陷也逐渐被揭示出来：1、振弦式应变传感器不适宜使用于长期监测。众所 周知，任何物体在受到外力作用时都将发生变形；同时，任何物体在温差发生变化的情况下 都会发生涨缩现象，振弦式应变传感器也无例外地受到上述因素影响。振弦式应变传感器的 振弦是被拉紧并固定在两端弹性膜片上，因此，振弦的两端均受到一定的张力和重力的叠加 影响；振弦不可避免地将发生形变。被拉紧的振弦其内部分子间或离子间的相对位置将发生 蠕动变化，同时产生原子间及分子间的附加内力以抵消外力，并试图恢复到形变前的状态。 达到平衡时，附加内力将与所受外力大小相等，方向相反。就理论而言，在载荷条件下，理 想的单晶体金属材料的内应力在弹性极限范围内不会发生永久性塑变。然而，由于实际使用 的金属材料属于多晶结构，因而存在着大量内部晶体缺陷；在温差变化不大的场合，由于晶 体位相差异以及原子的近程扩散作用，材料将发生微观塑变；当温差增大时，材料内部将出 现原子长程扩散及晶格位错滑移趋向剧烈的现象，随着时间的推移，微观塑变的不断累积将 演化为宏观塑变。金属在弹性应力范围内会产生微观塑变，可以从晶体内位错近程滑移、溶 质原子定向溶解、定向空位流、晶体滑动等机理而获得成功解释。发生在金属丝上的物理机 理同样也会发生在振弦式应变传感器中两端绷紧的振弦上。2、振弦式应变传感器温度效应 严重。由于振弦式应变传感器的线热膨胀系数与材料、机械加工精度、形状等关联，因而， 使用前，需要对振弦式应变传感器进行单体标定和补偿。3、振弦式应变传感器不适于使用 在复杂变形的测量场合。依据材料力学及弹性力学钢体在受到外力作用时发生形变但体积不 变理论，如果钢体在受到压力时轴向将发生压缩形变，但遵循体积不变原理，径向方向必然 会发生膨胀形变，径向膨胀的效果与钢体的形状、材料有关，因此，径向膨胀变化是沿轴向 的分布函数。如果轴向变化的分布函数不均匀，那么装在钢体上振弦式应变传感器中的振弦 将会发生扭曲现象，这可以折合成轴向的附加外力，导致振弦式应变传感器的测量不准确。 因此，在使用振弦式应变传感器作工程应力等检测中屡有失效就不足为奇了。
在各种建筑工程中对应变及应力的监测是十分重要的测量指标，通过对建筑工程中所使 用的各种材料、基坑围护中所使用的各种支撑在受力状况下应变或者应力精确测定，客观地 反映建筑构件在受力状况下的真实情况，为工程施工及使用运行过程提供可靠、准确的数据， 因此，研究开发一种精度高、与径向变化无关、温度系数小、自动化程度高(无需人工干涉)、 数据交互便利的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集系统及其测量方法是十分必要的。
发明内容
理想的工程微应变监测系统应该是：1、测量数据精确可靠，2、为用户提供便利的信息 交互方式，3、原则上无需人工干预监测系统的能量供应，4、柔顺的监测频度设置。
本发明旨在为工程检测提供一种拥有太阳能及电源适配器补充能量、极其精确的轴向检 测精度、对径向变形不敏感、对各种LVDT传感器的量程-增益具有自定标功能、对处理系统 增益具有自适应功能、极小的温度系数、无线远程GPRS数据交互、近程无线或有线组网功 能、便利的人机交互界面的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法。
为了充分阐述及理解本发明的原理及采用的技术方法，需要了解目前在工程建设中微应 变应力监测的方式。
以深基坑开挖钢结构支撑为例。在深基坑开挖过程中，为防止基坑边缘塌方，需要在开 挖基坑的四周构筑钢筋混凝土连续墙，由于土体压力巨大，需要对构筑的连续墙进行适当的 支撑，通常有两种方式构成支撑梁：钢筋混凝土支撑梁及钢结构支撑梁。钢结构支撑梁是国 际上广泛采用的施工方式，也是我国在深基坑开挖维护工程中支撑方法的趋势。精确测定钢 支撑结构的钢支撑梁的受力状况(形变状况)关系到整个工程施工的安全性，借助精确测定 钢支撑梁的受力(变形)量，还可达到反向验证设计计算的正确性、降低工程造价的目的。 采用高精度、高灵敏的LVDT微应变传感器对钢结构支撑梁的应力和微应变监测，这些LVDT 微应变传感器被安置在支撑梁的关键受力部位(安置位置需符合圣维南原理)。各监测点传感 器的测量数据通过电缆连接方式传递至监测管理站。
本发明涉及到一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法。
所述的多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统用于实现：以时分多路方式 对32通道(实施例，视需要可扩展通道数)的LVDT传感器实现恒频稳幅激励、LVDT传感器输出响应信号调理(包括系统增益自适应、LVDT传感器自动标定、采用快速真有效值处理提取各通道LVDT的最终调理信号、传感器运动方向判别、16位A/D采样及计算)、以短程 无线方式实现各监测点间的无线组网、提供蓝牙无线方式的数据交互、提供远程GPRS无线 数据交互、提供太阳能及电源适配器充电功能、为相关单元提供高稳定低噪声供电电源。所述的LVDT传感器组由若干LVDT传感器及相应机械构建组成。
当多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统通电后，该系统中的微处理器等 待接收对该系统工作模式的设定指令，设定指令中包括需要采样的LVDT传感器的个数及独 立编号、采样的频度、各单体传感器测量数据的上限及下限的报警信息。可以通过三种方式 接收工作模式设定参数：1、经由外接串口对该系统的微处理器实行现场编程，2、通过本系 统配置的液晶触摸显示屏与微处理器间提供的人机交互，3、通过GPRS远程无线数据交互网 络与系统间的交互。多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统接收到工作参数后， 首先采集本系统的供电状况信息，若本系统所配置的锂电池组供电正常，则进入对接入的各 LVDT传感器的初始化过程；否则将通过远程无线GPRS网络向异地发出系统需要补充电能 的信息。由于各类LVDT传感器在相同输入激励下，具有不同的输出响应(灵敏度不同)，初 始化过程包括：1.自动测定各接入LVDT传感器的灵敏度，并存入系统非易失性内存，以实现 自动定标功能；2.根据各LVDT传感器灵敏度的测定值自动调整该传感器进行数据调理处理过 程中的增益，实现数据调理的自适应功能。
经初始化、并当设定的测量时间到达后，本发明在所配置的微处理器控制下通过选通集 成模拟开关、以分时方式对接入的各LVDT传感器实施测量：微处理器对相关集成模拟开关 给出编码地址，相应通道的LVDT传感器被接入系统。微处理器通过所配置的晶振时钟源分 频后得到重复频率极其稳定的n KHZ的数字脉冲信号，该数字脉冲信号经多重反馈带通滤波 器后得到双极性正弦形式的基波，该基波经漏斗型仪器放大器放大驱动后激励相关被选中的 LVDT传感器的初级绕组；被选中的LVDT传感器送出的双端响应信号同样经相应的集成模拟 开关选通后，被读入零漂移仪器放大器；此时，该零漂移仪器放大器的增益由微处理器根据 该被选中LVDT传感器初始化时存储在非易失性内存中的灵敏度参数自动配置。
经零漂移仪器放大器放大、转化处理后变为单端的测量信号，再通过多重反馈带通滤波 器得以进一步净化后。1.该信号被快速采样高精度真有效值处理电路转换为直流信号，最终 经16位AD转换后，获得高精度测量值；2.LVDT传感器输出的双端信号，每一端相对电路 参考地(电路地)的电压分别被方向判别电路进行运动方向判定。本发明是通过以下方式来 实现测量信号的方向判别的：将LVDT传感器输出响应的双端信号，其每端的对地电压UA、 UB分别经缓冲后(为了不影响差分测量值)，被实行比例减法处理，因此即便UOA、UOB 的差值很小，经比例差分减法处理后仍然可以得到可观的差值UC，该UC经集成比较器后得 到“0”或“1”信号，该“0”或“1”信号代表了LVDT传感器衔铁的二个相对运动的方向。
重复上述操作过程直到所有接入的LVDT传感器全部被采样之后，各传感器的采样数据 连同相应的环境温度数据一并通过配置的各种通讯电路发送后，本次测量结束，系统进入休 眠状态，直到下一个测量时间到达时自动唤醒。所述的通信电路接收到多通道自适应自定标 高精度LVDT数据采集测量系统发送来的测量数据后，按照选定的通信模式发送测量信息， 其中，远程无线GPRS通信是默认的、不可更改的；而短程无线通讯蓝牙和WIFI是可选的。 为确保多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统的测量精度，本系统采用了自带 有16位AD采样的ARM M7微处理器(STM32H750)，因此，对系统供电的稳定性及基准 源要求较高，本发明采用了温度漂移系数小于等于2ppm/℃的超高精度基准源(ADR4530)。
为了适应长期无人值守的监测环境，该多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量 系统采用了37安时、4.2V大容量并联锂电池组供电，辅之太阳能充电电路并配有电源适配 器充电接口。为了安全适量地对并联锂电池组充电，开发了专用于本发明的高容量并联锂电 池组太阳能及交流混合充电管理系统，为本发明实现充电的太阳能及交流混合充电管理系统 的最大充电电流为1.5安，即以所配电池组容量的C/18.5对并联锂电池组充电，原则上2个 晴朗日即可完成能量的补充。所配37安时并联锂电池组可以在每天全负荷监测24次的情况 下，维持本发明1.5个月以上的足够工作电源；期间仅需出现二个晴朗日，电池组便能恢复全 能量。因此，多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统原则上无需人工干预恢复 能量补充，考虑到天气因素的不可预知性，本发明还配置有电源适配器充电端口。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：采用零漂 移仪器放大器实现将LVDT传感器输出的双端信号转化为单端信号，为了进一步抑制双端信 号转为单端信号的温度漂移，对零漂移仪器放大器的增益与环境温度实施线性补偿。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：采用了一 种快速采样真有效值处理方式以获取、换算LVDT传感器的输出信号，摒弃了采用相敏检波 来处理LVDT传感器信号的传统方式。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：采用了太 阳能充电、高容量锂电池储能、配有电源适配器提供能量接口的供电方式，原则上无需人为 干预便能实现系统的长期正常运行。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，对LVDT传感器处理 流程为：采用恒频恒幅标准信号源(6.0P-P伏，2.5KHz正弦波)作为具有二种增益系数的漏斗型放大器的输入信号。LVDT传感器经漏斗放大器驱动后，其输出响应经程控增益零漂移 仪器放大器、抑噪带通滤波器、快速采样真有效值等环节调理后，被微处理器的16位A/D采 样。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：初始化时 采用具有二种增益系数(0.8，0.4)的漏斗型放大器驱动LVDT传感器，以获取各接入LVDT 传感器的输出响应系数。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是确定一种通 用LVDT传感器的输出响应系数SS及灵敏度KS为基准(以深圳市信为科技发展有限公司 的SDVG20-VA量程为2.5毫米产品为例)：
将程控增益零漂移仪器放大器设定在某一固定增益A(实施例中A＝2)，恒频2.5KHz、 恒幅3.0VRMS(伏)标准信号源接入漏斗型放大器0.8增益系数的输入端(VIN0.8)驱动LVDT 传感器，其输出响应经AD采样值后得到V0.8S；恒频恒幅标准信号源接入漏斗型放大器驱动 LVDT传感器0.4增益系数的输入端(VINS0.4)，其输出响应经AD采样值后得到V0.4S；所 以输出响应增量：▽VS＝D0.8S-D0.4S，输入信号增量：▽VIN＝VIN0.8-VIN0.4＝(3× 0.8)-(3×0.4)，KS＝▽VS/▽VIN，KS为通用LVDT传感器的输出响应系数。将上述 得到的KS存入微处理器的非易失性内存。
使用0.2微米精度的测微台架，程控增益零漂移仪器放大器设定在某一固定增益A(实施 例中A＝2)，恒频恒幅标准信号源接入漏斗型放大器驱动LVDT传感器0.8增益系数的输入端。 将通用LVDT传感器锁紧在测微台架上，此时得到输出响应VCWS1。调节测微台架变化0.2 微米，获得输出响应VCWS2；运算▽V＝VCWS2–VCWS1，得到VDCW＝▽V(0.2 微米)；VDCW为通用LVDT传感器变化0.2微米对应的输出电压幅值(A/D转换后的电压 值)。将上述得到的KS、VDCW存入微处理器的非易失性内存。该一、二初始化步骤一经完 成，后续生产的采集系统只需将KS、VDCW值直接存入内存并引用。
本发明投入运行时，首先会经历初始化过程(以后的使用中、或断电、或替换损坏的传 感器，系统都会启动初始化操作)。通过高性能集成模拟开关依次选中接入的LVDT传感器， 并在程控放大器增益A的条件下，依次自动对接入的LVDT传感器重复▽VIN＝VIN0.8- VIN0.4，以及▽
▽VOUTN＝VOUTN0.8-VOUTN0.4，KN＝▽VOUTN/▽VIN操作，从而获得了各接 入传感器的KN；该KN同样被自动存入微处理器中的非易失性内存中(除非某LVDT传感 器失效被替换或取消，这些值不会改变)。测量时，本发明自动对选中的通道N(对应某一具 体LVDT传感器)的LVDT的测量值按照其对应的KN与标准K值比较，比较后的系数作为 微处理器选择程控增益零漂移仪器放大器增益的依据，从而使得不同灵敏度的LVDT传感器 得到合适的增益AN放大(不至发生饱和)。注意：正常测量时，漏斗型放大器始终处于0.8 增益系数输入状态。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：通过上述 措施得到的各LVDT传感器的KN还被以来实现自动定标。具体过程如下：根据各接入LVDT 传感器得到的KN值确定了微处理器自动选择程控增益零漂移仪器放大器的增益AN，得到 AD转换值DATN，运算DZHN＝DATN×A/AN，即：DZHN是将测量值DATN折合成通用 LVDT使用的增益A的值；再运算LN＝(DZHN×KS/KN)×0.2微米，即为第N个接入LVDT 传感器的位移测量值，由此实现了自动定标。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：采用晶振 分频的方式产生频率极其精准的方波信号，该方波信号馈至集成模拟开关的控制输入端，集 成模拟开关的数据输入端接入了基准源，在该方波信号控制下，集成模拟开关输出恒频恒幅 的斩波信号。采用多重反馈带通滤波方式来抽取该斩波信号的基波，该恒频恒幅基波作为 LVDT传感器的驱动器的输入激励信号。
一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统及方法，其特征是：采用蓝牙 方式为使用手机用户提供信息交互，采用LORA无线通信方式实现各监测点间的局域组网， 采用远程无线GPRS的方式为异地监测站提供信息交互。
多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通 及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、 运动方向判别单元和微处理器单元，所述恒频恒幅信号发生单元的输出端与所述通道选通及 LVDT驱动单元的输入端连接，所述通道选通及LVDT驱动单元的输出端与所述接入选通低噪 声前置放大单元的输入端连接，所述接入选通低噪声前置放大单元的输出端分别与所述真有 效值快速采样单元的输入端和所述运动方向判别单元的输入端连接，所述真有效值快速采样 单元的输出端和所述运动方向判别单元的输出端分别与所述微处理器单元的输入端连接，所 述微处理器单元的输出端分别与所述通道选通及LVDT驱动单元的输入端和所述程控增益单 元的输入端连接，所述程控增益单元的输出端和所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端 连接。
进一步，所述恒频恒幅信号发生单元包括集成模拟开关和零漂移运算放大器，所述微处 理器单元输出的方波信号控制所述集成模拟开关的通断，使所述集成模拟开关输出的信号为 恒频恒幅的方波信号，所述零漂移运算放大器和所述集成模拟开关相连接，用于将恒频恒幅 的方波信号转换为恒频恒幅的双极性正弦波信号。
进一步，所述通道选通及LVDT驱动单元包括集成模拟开关和集成漏斗型仪器放大器， 所述微处理器单元控制所述集成模拟开关，将恒频恒幅的双极性正弦波信号连接到所述集成 漏斗型仪器放大器的输入端，以使所述微处理器单元获取接入的LVDT传感器的响应系数。
进一步，所述接入选通低噪声前置放大单元包括零漂移低噪声可变增益仪器放大器和电 阻，所述微处理器单元根据存储的灵敏度值，为所述零漂移低噪声可变增益仪器放大器选择 增益匹配的电阻来调整LVDT传感器的响应系数。
进一步，所述真有效值快速采样单元包括集成真有效值芯片，用于将所述接入选通低噪 声前置放大单元的输出正弦波信号快速转换为高精度直流信号。
进一步，所述运动方向判别单元包括三个集成运算放大器和一个集成比较器，LVDT传感 器双端输出响应的两个信号分别通过所述集成运算放大器进行放大，两个放大后的信号通过 另一所述集成运算放大器进行比例差分，所述集成运算放大器输出信号作为由所述集成比较 器构成准过零比较器的输入信号。
进一步，还包括显示及通信单元，与所述微处理器单元连接。
多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，包括：
获取时钟信号；
基于时钟信号，采集校正灵敏度后的传感器的输出信号；
基于输出信号，得到所述传感器的检测信息，所述检测信息包括测量数值和运动方向；
其中，所述传感器为LVDT传感器。
进一步，所述获取时钟信号包括：
设定工作参数；
基于工作参数，得到时钟信号。
进一步，所述设定工作参数包括以下方式的一种：
JTAG接口设定工作参数；
人机交互设定工作参数；
GPRS远程无线数据交互设定工作参数。
进一步，所述工作参数包括以下方式的一种或多种组合：
传感器数量、采集频度、采集时间、测量数值的上下限的报警信息。
进一步，所述时钟信号为晶振分频得到稳频信号。
进一步，所述基于时钟信号，采集校正灵敏度后的所述传感器的输出信号包括：
获取所述传感器的激励信号。
进一步，所述获取所述传感器的激励信号包括：
将基准源进行斩波，得到数字信号；
抽取所述数字信号的基波；
放大基波，得到所述传感器的激励信号。
进一步，所述基于输出信号，得到所述传感器的测量数值包括：
放大输出信号，得到测量信号；
净化测量信号；
转换测量信号为直流信号。
进一步，所述基于输出信号，得到所述传感器的运动方向包括：
基于所述传感器的双端输出响应信号的比较，得到所述传感器的运动方向信息。
进一步，所述传感器的双端输出响应信号的比较包括：
放大两个双端输出响应信号比较的差值。
进一步，所述校正所述传感器的灵敏度包括：
将所述传感器的灵敏度调整到与标准值相等，其中，所述标准值为设定的。
进一步，所述将所述传感器的灵敏度调整到与标准值相等包括：
调整所述传感器灵敏度对应的放大倍数。
进一步，所述调整所述传感器灵敏度对应的放大倍数包括：
切换选择电阻，调整所述放大倍数。
由于采用了上述技术处理及测量方法，本发明的效果是明显的：
1、采用零漂移仪器放大器以及线性补偿，获得更精准的测量数据。
2、采用了快速真有效值处理方式以获取、换算LVDT传感器的输出信号。
3、本发明的数据调理电路增益对接入本发明、具有各种输入～输出响应(灵敏度)的 LVDT传感器具有自适应功能。
4、本发明对接入的各种输入～输出响应(灵敏度)的LVDT传感器具有自标定功能。
5、采用了太阳能及工网混合供电方式为配置的大容量锂电池组充电，原则上无需人工干 预系统的长期运行。
6、采用晶振分频的方式为LVDT传感器提供频率极其精准的原始激励信号、采用集成模 拟开关对基准源斩波方式稳定原始激励信号的幅度、采用多重反馈带通滤波方式来抽取原始 激励信号中的基波、双基准源的方式为LVDT传感器提供精准的输入激励信号。
7、采用蓝牙、LORA、GPRS无线方式为用户提供通讯服务；采用网口、RS485方式为用户提供有线通讯服务。
8、本发明采用液晶触摸屏、及远程无线GPRS方式为用户提供人机交互。
为了进一步了解本发明的性能、特征，结合以下实施例及附图作详细说明。
附图说明
图1是本发明所述多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统的结构框图；
图2是本发明所述恒频恒幅信号发生单元和通道选通及LVDT驱动单元连接的电路图；
图3是本发明所述集成模拟开关IC20的电路图；
图4是本发明所述集成模拟开关IC21的电路图；
图5是本发明所述集成模拟开关IC22的电路图；
图6是本发明所述集成模拟开关IC23的电路图；
图7是本发明所述集成模拟开关IC24的电路图；
图8是本发明所述集成模拟开关IC25的电路图；
图9是本发明所述集成模拟开关IC26的电路图；
图10是本发明所述选通低噪声前置放大单元和真有效值快速采样单元连接的电路图；
图11是本发明所述微处理器IC12的电路图；
图12是本发明所述运动方向判别单元的电路图；
图13是本发明所述微处理器IC14的电路图；
图14是本发明所述高精度集成基准源IC13的电路图；
图15是本发明所述集成升压变换芯片IC4的电路图；
图16是本发明所述集成升压变换芯片IC5、集成低压差芯片IC6和集成低压差芯片IC7 连接的的电路图；
图17是本发明所述集成降压芯片IC8的电路图；
图18是本发明所述集成极性变换芯片IC9和负电源低压差芯片IC10连接的电路图；
图19是本发明所述太阳能充电电路图；
图20是本发明所述交直流变换电路图。
具体实施方式
本发明所述实施例的主要技术参数为：a、32LVDT采样通道。b、采用带自由活动端的 LVDT传感器，并且该LVDT传感器两端被固定在被测物上，LVDT两端(固定端)的长度150毫米。c、采用GPRS远程无线数据交互、蓝牙近程数据交互方式。d、被测物轴线运动方 向与LVDT传感器斜铁运动方向一致。e、测量环境温度范围为-10℃-65℃。f、相邻两次采 样时间间隔为1小时。
请参阅图2至图20。一种多通道自适应自定标高精度LVDT数据采集测量系统，由恒频恒幅信号发生单元1、通道选通及LVDT驱动单元2、接入选通低噪声前置放大单元3、程 控增益单元4、真有效值快速采样单元5、运动方向判别单元6、微处理器单元7、显示及通 信单元8、变换电源单元9、混合充电单元10组成。
请继续参阅图2至图20。所述的恒频恒幅信号发生单元1为LVDT传感器提供频率稳定、 振幅稳定的正弦波激励信号源。其实现原理是利用微处理器分频所得2.5KHz输出方波信号通 过低输出阻抗集成模拟开关对基准电压源进行斩波，然后通过二阶带通滤波器将恒频恒幅的 斩波信号变换为双极性正弦波信号VIN；因此正弦波信号VIN亦为恒频恒幅的。所述的恒频 恒幅信号发生单元1的输入与微处理器单元7、混合充电及电源变换电源9的输出连接，其 输出与通道选通及LVDT驱动单元2的输入顺序连接。
所述的通道选通及LVDT驱动单元2用以在微处理器的控制下通过低输出阻抗的集成模 拟开关依次将各LVDT传感器接入电路，并使用漏斗型仪器放大器放大驱动LVDT传感器。 本发明在初始化状态时，首先微处理器单元7中的微处理器控制模拟开关将恒频恒幅信号发 生单元1输出的恒频恒幅双极性正弦波信号VIN(频率为2.5KHz、振幅为3.0VRMS)连接 到漏斗型仪器放大器增益系数为0.8的输入端，即VIN0.8，从而得到某一接入LVDT传感器 N在0.8增益系数下的输出响应Y0.8N，将Y0.8N存入微处理器单元7中的微处理器内存；然后，同样在微处理器的控制下，将恒频恒幅信号发生单元1输出的恒频恒幅双极性正弦波信号连接到漏斗型仪器放大器增益系数为0.4的输入端，即VIN0.4，从而得到某一接入LVDT传感器在0.4增益系数下的输出响应Y0.4N，将Y0.4N存入微处理器单元7中的微处理器内存；结合输入的双极性正弦波信号被赋予的0.8和0.4衰减系数得到的：▽VIN＝VIN0.8-VIN0.4，▽YOUTN＝Y0.8N-Y0.4N，微处理器通过计算▽YOUTN/VIN，便得到了该LVDT 传感器的响应系数；依次重复上述操作，直到获取所有接入传感器的响应系数。同时，微处 理器根据所得各LVDT的响应系数，在某一LVDT传感器N被选通接入时，选择相应的信号 调理电路的增益系数，从而实现了由技术特征段落所描述的自定标、线路增益自适应的目的。
所述的接入选通低噪声前置放大单元3及程控增益单元4用以对各依次接入的LVDT赋 以相应的放大增益。接入选通低噪声前置放大单元3的输入与通道选通及LVDT驱动单元2 的输出顺序连接，接入选通低噪声前置放大单元3中的零漂移低噪声可变增益仪器放大器担 任放大任务，其增益由受微处理器控制的外围增益匹配电阻决定。前置放大器其输出与真有 效值快速采样单元5及运动方向判别单元6的输入连接。当某一LVDT传感器被选中、接入 时，微处理器单元7中的微处理器依据初始化时存储在内存中的关于该LVDT传感器的灵敏 度值，为零漂移低噪声可变增益仪器放大器选择相关的增益匹配电阻。
所述的运动方向判别单元6的输入与接入选通低噪声前置放大单元3的输出连接，其输 出与微处理器单元7的输入连接。运动方向判别单元6用以判断被测物体在外力作用下发生 形变的方向(压缩或伸展)。
真有效值快速采样单元5由真有效值集成电路及超低输出阻抗集成模拟开关组成，其输 入与接入选通低噪声前置放大单元3的输出连接，其输出与微处理器单元7的输入顺序连接。 真有效值快速采样单元5用以将接入选通低噪声前置放大单元3的输出正弦信号转换为直流 电压，辅之于高速超低输出阻抗集成模拟开关的快速放电完成快速采样功能。
所述的显示及通信单元8用以实现有线、短距及长距无线通信，实现数据、控制指令的 双向交互。的输入与微处理器单元7的输出连接，其输出分别连接到RS485、GPRS、LORA、 BLUETEETH通信模块。
所述的混合充电及电源变换电源9用以为本发明的所有组成单元提供多组高质量稳压供 电、为配置的大容量锂电池组提供交流或太阳能混合充电功能。
请继续参阅图2至图20。下面进一步详述本发明各电路单元的组成及原理。
如图2所示，所述的恒频恒幅信号发生单元1由低输出阻抗集成模拟开关IC15(ADG801)、零漂移运算放大器IC16：A(AD8639)、电阻R46、R47、R48、R49、R50， 电容C58、C59、C60组成。低输出阻抗集成模拟开关IC15(ADG801)的供电输入端(VDD) 及信号输入端均连接均连接到基准源+3R，因此低输出阻抗集成模拟开关IC15(ADG801) 接通时，其信号输出端(D)的输出信号幅值为+3R。微处理器单元7输出的2.5KHz方波信 号(OSC)控制低输出阻抗集成模拟开关IC15(ADG801)的通断，于是其输出的+3R基准 源被斩波成一连串频率为2.5KHz、幅度为+3R的恒频恒幅方波信号。零漂移运算放大器IC16： A(AD8639)及其外围无源元件构成了多重反馈带通滤波器，其中心频率为2.5KHz，于是， 零漂移运算放大器IC16：A(AD8639)输出恒频恒幅的双极性正弦波，确保了关于LVDT激 励信号的稳定性。
以下描述内容因电路处理的联动关系，所以合并描述通道选通及LVDT驱动单元2和接 入选通低噪声前置放大单元3。
如图2至图4所示，所述的通道选通及LVDT驱动单元2由集成低输出阻抗模拟开关IC17 (ADG1636)、集成漏斗型仪器放大器IC18(AD8475)、集成模拟开关IC19(ADG1636)、 集成模拟开关IC20(ADG1606)、集成模拟开关IC21(ADG1606)组成。
如图5至图10所示，所述的接入选通低噪声前置放大单元3由集成模拟开关IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(ADG1606)、IC25(ADG1606)、IC26(ADG1636)、 IC27(ADG1408)，零漂移仪器放大器IC28(INA188)、零漂移运算放大器IC16：B(AD8639)， 电阻R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63、R64、 R65、R66、R67、R68、R69、R70、R71、R72、R73、R74、R75、R76、R77，电容C61、 C62、C63等组成。
分三个初始化阶段描述：
初始化阶段一
假定已经用前述方法获得了通用LVDT传感器的KS、VDCW值，并永久性存入微处理器 内存。
各传感器初次接入系统必须执行初始化过程，系统断电后重启时，本发明会通过配置的 触摸显示屏提示“是否需要初始化”的互动信息。初始化的目的是获取各接入LVDT传感器 的输出响应系数，并与微处理器单元7中的微处理器IC12(STM32H750)存储的通用LVDT 传感器的灵敏度(以深圳市信为科技发展有限公司的SDVG20-VA量程为2.5毫米产品为基 准)比较，确定各接入传感器输出信号的计算(微处理器自动计算)、对单体传感器提供适当 的前置增益。
执行初始化阶段一时，首先微处理器单元7向集成模拟开关IC17(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出高电平(CS)，向IC19(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出高电平(CS1)， 向集成模拟开关IC26(ADG1636)的“1、9”使能脚送出高电平(ENK)。向集成模拟开关 IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(ADG1606)、 C25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“0，0，0，0”逻辑电平，送出ENA 使能信号为高电平“1”，送出ENB能信号为高电平“0”。向集成模拟开关IC27(ADG1408) 的通道选通端脚(1、16、15)送出“0，0，0”(选中增益为2)，向IC27(ADG1408)的 使能端脚“2”送出高电平“1”。上述设置意味着：不使用扩展33～64通道(IC27(ADG1408) 的使能端脚“2”为低电平“0”时，意味着使用扩展33～64通道)、依次选择1～16通道中 的第一个(通道1)LVDT传感器、漏斗型仪器放大器的输入被置于0.8增益系数VIN0.8、选 定通道选通及LVDT驱动单元2默认增益为“2”倍、测定第一个(通道1)LVDT在漏斗型 仪器放大器输入增益为0.8时的输出响应V1 S0.8；该值被“永久性”存入微处理器单元7 中微处理器IC12(STM32H750)的内存。然后，其它条件不变，微处理器单元7向集成模 拟开关IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24 (DG1606)、IC25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“1，0，0，0”选通信 号，即选中第二个(通道2)LVDT传感器；测定第二个LVDT在漏斗型仪器放大器输入增益为0.8(VIN0.8)时的输出响应V2S0.8；该值被“永久性”存入微处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。直至选通信号变化为“1，1，1，1，)，即测定到第十六个(通 道16)接入LVDT传感器在漏斗型仪器放大器输入增益为0.8(VIN0.8)时的输出响应 V16S0.8，并保存。
然后，微处理器单元7向集成模拟开关IC17(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出高 电平(CS)，向IC19(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出低电平“0”(CS1)，向集成模 拟开关IC26(ADG1636)的“1、9”使能脚送出高电平(ENK)。向集成模拟开关IC20 (ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(ADG1606)、 C25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“0，0，0，0”逻辑电平，送出ENA 使能信号为高电平“0”，送出ENB能信号为高电平“1”。向集成模拟开关IC27(ADG1408) 的通道选通端脚(1、16、15)送出“0，0，0”(选中增益为2)，向IC27(ADG1408)的 使能端脚“2”送出高电平“1”。上述设置意味着：不使用扩展33～64通道(IC27(ADG1408) 的使能端脚“2”为低电平“0”时，意味着使用扩展33～64通道)、依次选择17～32通道 中的第十七个(通道17)LVDT传感器、漏斗型仪器放大器的输入被置于0.8(VIN0.8)增益 系数、选定通道选通及LVDT驱动单元2默认增益为“2”倍、测定第十七个(通道17)LVDT 在漏斗型仪器放大器输入增益为0.8(VIN0.8)时的输出响应V17S0.8；该值被“永久性” 存入微处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。然后，其它条件不变，微处 理器单元7向集成模拟开关IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(DG1606)、IC25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“1，0，0，0”选通信号，即选中第十八个(通道18)LVDT传感器；测定第十八个LVDT在漏 斗型仪器放大器输入增益为0.8(VIN0.8)时的输出响应V18S0.8；该值被“永久性”存入 微处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。直至选通信号变化为“1，1，1， 1，)，即测定到第三十二个(通道32)接入LVDT传感器在漏斗型仪器放大器输入增益为0.8 (VIN0.8)时的输出响应V32S0.8，并保存。
初始化阶段二
执行初始化阶段一时，首先微处理器单元7向集成模拟开关IC17(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出低电平“0”(CS)，向IC19(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出高电平 (CS1)，向集成模拟开关IC26(ADG1636)的“1、9”使能脚送出高电平(ENK)。向集成 模拟开关IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、 IC24(ADG1606)、C25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“0，0，0，0”逻 辑电平，送出ENA使能信号为高电平“1”，送出ENB能信号为高电平“0”。向集成模拟开 关IC27(ADG1408)的通道选通端脚(1、16、15)送出“0，0，0”(选中增益为2)，向 IC27(ADG1408)的使能端脚“2”送出高电平“1”。上述设置意味着：不使用扩展33～64 通道(IC27(ADG1408)的使能端脚“2”为低电平“0”时，意味着使用扩展33～64通道)、 依次选择1～16通道中的第一个(通道1)LVDT传感器、漏斗型仪器放大器的输入被置于 0.4(VIN0.4)增益系数、选定通道选通及LVDT驱动单元2默认增益为“2”倍、测定第一 个(通道1)LVDT在漏斗型仪器放大器输入增益为0.4时的输出响应V1S0.4；该值被“永 久性”存入微处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。然后，其它条件不变， 微处理器单元7向集成模拟开关IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、 IC23(ADG1606)、IC24(DG1606)、IC25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“1，0，0，0”选通信号，即选中第二个(通道2)LVDT传感器；测定第二个LVDT在漏 斗型仪器放大器输入增益为0.4(VIN0.4)时的输出响应V2S0.4；该值被“永久性”存入微 处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。直至选通信号变化为“1，1，1，1，)， 即测定到第十六个(通道16)接入LVDT传感器在漏斗型仪器放大器输入增益为0.4(VIN0.4) 时的输出响应V16S0.4，并保存。
然后，微处理器单元7向集成模拟开关IC17(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出低 电平“0”(CS)，向IC19(ADG1636)的“1、9”使能端脚送出低电平“0”(CS1)，向集 成模拟开关IC26(ADG1636)的“1、9”使能脚送出高电平(ENK)。向集成模拟开关IC20 (ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(ADG1606)、C25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“0，0，0，0”逻辑电平，送出ENA 使能信号为高电平“0”，送出ENB能信号为高电平“1”。向集成模拟开关IC27(ADG1408) 的通道选通端脚(1、16、15)送出“0，0，0”(选中增益为2)，向IC27(ADG1408)的 使能端脚“2”送出高电平“1”。上述设置意味着：不使用扩展33～64通道(IC27(ADG1408) 的使能端脚“2”为低电平“0”时，意味着使用扩展33～64通道)、依次选择17～32通道 中的第十七个(通道17)LVDT传感器、漏斗型仪器放大器的输入被置于0.4(VIN0.4)增益 系数、选定通道选通及LVDT驱动单元2默认增益为“2”倍、测定第十七个(通道17)LVDT 在漏斗型仪器放大器输入增益为0.4(VIN0.4)时的输出响应V17S0.4；该值被“永久性”存 入微处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。然后，其它条件不变，微处理 器单元7向集成模拟开关IC20(ADG1606)、IC21(ADG1606)、IC22(ADG1606)、IC23(ADG1606)、IC24(DG1606)、IC25(ADG1606)的端脚“17、16、15、14”送出“1， 0，0，0”选通信号，即选中第十八个(通道18)LVDT传感器；测定第十八个LVDT在漏 斗型仪器放大器输入增益为0.4(VIN0.4)时的输出响应V18S0.4；该值被“永久性”存入微 处理器单元7中微处理器IC12(STM32H750)的内存。直至选通信号变化为“1，1，1，1，)， 即测定到第三十二个(通道32)接入LVDT传感器在漏斗型仪器放大器输入增益为0.4 (VIN0.4)时的输出响应V32S0.4，并保存。
初始化阶段三
在初始化阶段三期间，微处理器单元7中的微处理器IC12(STM32H750)运算采集到的上述数据：▽Vin＝(VIN0.8-VIN0.4)，▽VNS＝(VNS0.8–VNS0.4)，KN＝▽VNS /▽Vin。其中：KN～第N个传感器的输出响应系数，N＝1，2，……32。在本发明完成初 始化进入正常测量模式时，该KN值确定了各接入传感器的灵敏度、决定了相应LVDT传感 器输出响应的计算方式、决定了接入选通低噪声前置放大单元3、程控增益单元4需提供的合 适增益。本发明关于对各类LVDT传感器自动标定的据深圳信为科技发展有限公司的 SDVG20-VA量程为2.5毫米产品为基准，该传感器在该司同系列产品中具有最高的灵敏度， 因此接入选通低噪声前置放大单元3、程控增益单元4为其提供最低的2倍增益。增益自适 应控制通过以下过程得以执行：已知微处理器7中的微处理器IC12(STM32H750)中存储 有关于SDVG20-VA量程为2.5毫米产品的输出响应系数KS、VDCW值，运算依据前述的 自适应及自定标方式便可得到通用LVDT传感器以外的其它接入LVDT传感器的测量值。
当某一LVDT传感器被接入系统，并且经初始化后得到输出响应系数KX。接入选通低噪 声前置放大单元3中的零漂移仪器放大器IC27(INA188)的增益计算公式G＝1+50KΩ/RG， 式中：G为增益，RG为设置零漂移仪器放大器IC27(INA188)增益的外接匹配电阻。本发明中根据某一传感器初始化时得到的KX值确定接入选通低噪声前置放大单元3自动对应的增益BX，由BX通过微处理器计算、判断选定零漂移仪器放大器IC28(INA188)应该为该 传感器提供BN的增益，微处理器根据该BN值选通集成模拟开关IC25(ADG1636)的相关 通道，该通道的输出端串接了相应的电阻网络，该选中的电阻网络即为零漂移仪器放大器IC28(INA188)的外接增益匹配电阻。微处理器根据以下叙述选通集成模拟开关IC25(ADG1636)的相关通道的：计算αX＝KX/KS(通常，总满足关系1≤αX)，根据αX，作βX＝1/ αX运算，βX即为该接入传感器所需要的增益系数。微处理器中存储有系数βN(N＝1，2，… 8)(β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7、β8、)对应增益(2，4，8，10，15，20，40， 81)，比较βX，βN≤βX≤βN+1，如果βX＝βN或βN+1，则βX取βN或βN+1值； 如果βN＜βX＜βN+1，则取βN值。微处理器IC12(STM32H750)将始终保持这些βX 值，除非重新初始化或停电重启。微处理器计算某接入LVDT传感器测量值：假定量化读入 值折算为CN，接入选通低噪声前置放大单元3为其提供βN增益，实际初始化得βX，则最 终测量值修正为CN×(βX/βN)。
如图10所示，所述的真有效值快速采样单元5由集成真有效值芯片IC29(AD8436)、超低输出阻抗集成模拟开关芯片IC30(ADG801)，电阻R78、R79、R80，电容C64、C65、 C66、C67、C68、C69、C70组成；用以实现将接入选通低噪声前置放大单元3的输出正弦 波信号快速转换为高精度直流信号。真有效值快速采样单元5的输出(直流信号)与微处理 器单元7的A/D输入端连接。传统上，采用相敏检波方法获取LVDT传感器的输出信号。考 虑到高精度信号处理场合，相敏检波方式需在电路中使用晶体二极管、以及二极管在小信号 处理时的不利特性(正向压降、正向压降随环境温度的漂移)，采用真有效值快速采样可以有 效避开相敏检波方式的不利因素。本发明中采用了集成真有效值转换芯片AD8436实现将正 弦波转换为直流。为了确保集成真有效值转换芯片AD8436输出低噪声直流信号，需要在其 输出端加上惯性系数较大的滤波环节，由此将影响到后续A/D采样的采样速率。为了解决高 精度信号处理及快速采样的矛盾，本发明对集成真有效值转换芯片AD8436输出端串接的惯性元件网络采用了快速释放存储电荷的方式：实施方法是使用一片输出阻抗仅0.4Ω的集成模 拟开关芯片IC29(ADG801)，在微处理器完成了对真有效值转换芯片AD8436输出低噪声直 流信号的A/D转换后，快速释放真有效值转换芯片AD8436输出端串接的惯性滤波网络的残 余电压。通过这种技术手段，可以将采样率从1HZ/秒提高到1KHz/秒。
如图12所示，所述的运动方向判别单元6用以判断LVDT传感器受到外力时衔铁的运动 方向。本发明利用了LVDT传感器双端输出响应的分别相对于电路参考地获得的VOA、VOB 信号实现关于衔铁运动方向的判别：LVDT传感器双端输出响应VOA-VOB用来作数据测量 差分信号所用，VOA和VOB是二个输出相位相同的信号，LVDT传感器由激励输入线包和二个相同的输出线包TA和TB组成，二个输出线包TA和TB对称地处于输入激励线包的二 边，假定它们的对电路参考地的输出分别为VOA和VOB。当衔铁的中点处于LVDT传感器 激励线包的中点时，对输出响应VOA和VOB做差分处理，此时输出为零；当在外力作用下 衔铁离开中点偏向TA方向运动时，VOA输出振幅增加，VOB输出振幅减小。因此，可以通 过使用VOA和VOB的正或负半波判断衔铁的运动方向：当VOA的全波整流值减去VOB的 全波整流值大于零时，衔铁偏向TA运动，反之亦然。所示例中，为了极力减少对测量数据的 影响，VOA和VOB信号分别被集成运算放大器IC31：A(OPA1654)、IC31：D(OPA1654) 施以高阻抗输入的同相跟随处理。集成运算放大器IC31：B(OPA1654)、IC31：C(OPA1654)、 电阻R81、R82、R83、R86、R87、R88，二极管D15、D16、D17、D18构成了二路精密 整流电路，对集成运算放大器IC31：A(OPA1654)、IC31：D(OPA1654)的输出分别施以 精密全波整流，变双极性正弦波为二路脉动直流信号。集成运算放大器IC32(AD8638)、电 阻R84、R85、R89、R90构成了差分比例放大器，二路脉动直流信号VDA和VDB分别通 过电阻R84及R89进入集成运算放大器IC32(AD8638)的同相端和反相端。二路脉动直流 信号经集成运算放大器IC32(AD8638)构成的比例差分处理后，其输出信号作为由集成比 较器IC33：A(LM293)构成的准过零比较器的输入信号。当VOA-VOB大于零，则集成比 较器IC33：A输出高电平“1”，反之，输出低电平“0”，由此实现了衔铁的运动方向判断。
如图13和图14所示，所述的微处理器单元7由微处理器IC14(STM32F750)、高精度集成基准源IC13(ADR4530)、复位开关K2、电容C47、C48、C49、C50、C51、C52、 C53、C54、C55、C56、C57，电阻R40、R41、R42、R43、R44、R45，稳压二极管W2 (2AP9)、W3(2AP9)、W4(2AP9)、W5(2AP9)、W6(2AP9)、W7(2AP9)，晶体振 荡器JZ1(32.768KHz)、JZ2(25MHz)组成。微处理器单元7用以完成接入通道选通控制、 传感器灵敏度标定、自适应增益控制、通信模块信息交互及控制、触摸显示屏交互等全部系 统运行的数据交互、宏观控制。
如图11所示，显示及通信单元8本发明配置了触摸液晶显示屏构成人机交互功能，使用 微处理器IC12(STM32F750)资源端口“89、90”端脚(RX1，TX1)。本发明配置有GPRS 串口，使用IC12(STM32F750)资源端口“51、52”端脚(RX3，TX3)；本发明配置有RS485 串口，使用IC12(STM32F750)资源端口“53、54”端脚(RX2，TX2)；本发明配置有LORA 模块，使用IC12(STM32F750)资源端口“46、47”端脚(RX4，TX4)。
如图15至图18所示，所述的变换电源9由集成升压变换芯片IC4(TPS55340)、IC5(TPS55340)，集成低压差芯片IC6(ADP3330-5)、IC7(ADP3330-5)，集成降压芯片IC8(LM2594)，集成极性变换芯片IC9(TPS63700)、负电源低压差芯片IC10(LT19645-5)， 贴片功率电感L4、L5、L6、L7，电阻R27、R28、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、 R36、R37、R38，电容C18、C18、C20、C20、C20、C20、C20、C20、C20、C20、C20、 C20、C30、C30、C30、C30、C30、C30、C30、C30、C30，续流二极管D11、D12、D13、 D14，开关K1等组成；为各组成电源提供所需的+5P、+5.0、+5D、-5.0、+3.3伏稳定直流 电源。变换电源9的输入电压为3～4.2伏(即单组锂电池组输出)。其中+5P为大屏幕触摸 液晶屏、GPRS远程无线通信模块提供输出电流高达1.5A的直流单元；+5.0及-5.0为本发明 的线性电路提供高稳定工作电源；+5D为本发明的数字电路部分提供直流稳压电源；+3.3为 处理器提供工作电源。
所述的混合充电单元10混合充电单元采用交流适配器和太阳能发电方式对系统配置的锂 电池组实行混合充电，在充电顺序上，交流适配器处于优先模式。通常，为所述系统配置的 高容量锂电池组(充满电4.2伏37.2AH)在无能量补偿的情况下可维持系统一个月的正常工 作；期间，仅需二天晴朗日便可充满电池组，原则上无须人为干涉系统的电能供给。在特殊 情况下，可以采用交流适配器为电池组充电，在采用交流适配器为电池组充电的场合，本混 合充电单元会自动封锁太阳能发电输出。
如图19所示，所述的混合充电单元10中的太阳能充电部分由太阳能充电芯片IC1(BQ24650)、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13， 电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11，熔断丝F1、F2，晶体二极 管D1(SS510)、D2(SS510)、D3(SS15)，功率场效应管BG1(IRF7351)，贴片功率电 感L1，负温度系数热敏电阻R8，发光二极管LD1、LD2组成。该太阳能充电部分使用开路 输出电压为21.5伏、正常输出功率20瓦的太阳能电池板为为37.2AH、4.2伏的锂电池组充 电。
如图20所示，交～直流变换部分由单片交～直流变换芯片IC2(TOP266)、三端稳压器 (TL431)，电阻14、15、16、17、18、19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26， 电容C12、C13、C14、C15、C16、C17，电解电容E1、E2、E3、E4、E5，熔断丝F3， 电感L2、L3，高频变压器T1，线性光耦OP1(TLV817)，晶体二极管D4、D5、D6、D7、 D8、D9、D10，瞬态稳压管W1(P6KE200)等组成。通常情况下由太阳能充电部分为锂电 池组提供充电电量，如果长期无法获得太阳能充电，则可以使用交～直流适配器充电；适配 器的输出设计为24伏，因此，当接入适配器时就会通过防反偏二极管D1和D2自动封锁太 阳能的输出。
本发明提供的方法实现了对于使用各类LVDT传感器的高精度工程微应变、微尺度变化、 力学量等监测、对于大量使用LVDT重重关卡的场合提供了一种便利的定标手段，极大地降 低了繁琐的对大量LVDT传感器的高精度标定工作，为自动监测、检测场合提供了快速、高 精度自适应测量的方法。本发明尤其适用于工程监测、核设施(设备)、航空设备、发动机等 环境恶劣，需要高精度快速测量的场合。

Claims (20)

1.多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，包括恒频恒幅信号发生单元、通道选通及LVDT驱动单元、接入选通低噪声前置放大单元、程控增益单元、真有效值快速采样单元、运动方向判别单元和微处理器单元，所述恒频恒幅信号发生单元的输出端与所述通道选通及LVDT驱动单元的输入端连接，所述通道选通及LVDT驱动单元的输出端与所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接，所述接入选通低噪声前置放大单元的输出端分别与所述真有效值快速采样单元的输入端和所述运动方向判别单元的输入端连接，所述真有效值快速采样单元的输出端和所述运动方向判别单元的输出端分别与所述微处理器单元的输入端连接，所述微处理器单元的输出端分别与所述通道选通及LVDT驱动单元的输入端和所述程控增益单元的输入端连接，所述程控增益单元的输出端和所述接入选通低噪声前置放大单元的输入端连接。
2.如权利要求1所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述恒频恒幅信号发生单元包括集成模拟开关和零漂移运算放大器，所述微处理器单元输出的方波信号控制所述集成模拟开关的通断，使所述集成模拟开关输出的信号为恒频恒幅的方波信号，所述零漂移运算放大器和所述集成模拟开关相连接，用于将恒频恒幅的方波信号转换为恒频恒幅的双极性正弦波信号。
3.如权利要求2所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述通道选通及LVDT驱动单元包括集成模拟开关和集成漏斗型仪器放大器，所述微处理器单元控制所述集成模拟开关，将恒频恒幅的双极性正弦波信号连接到所述集成漏斗型仪器放大器的输入端，以使所述微处理器单元获取接入的LVDT传感器的响应系数。
4.如权利要求3所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述接入选通低噪声前置放大单元包括零漂移低噪声可变增益仪器放大器和电阻，所述微处理器单元根据存储的灵敏度值，为所述零漂移低噪声可变增益仪器放大器选择增益匹配的电阻来调整LVDT传感器的响应系数。
5.如权利要求4所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述真有效值快速采样单元包括集成真有效值芯片，用于将所述接入选通低噪声前置放大单元的输出正弦波信号快速转换为高精度直流信号。
6.如权利要求1所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，所述运动方向判别单元包括三个集成运算放大器和一个集成比较器，LVDT传感器双端输出响应的两个信号分别通过所述集成运算放大器进行放大，两个放大后的信号通过另一所述集成运算放大器进行比例差分，所述集成运算放大器输出信号作为由所述集成比较器构成准过零比较器的输入信号。
7.如权利要求1所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量系统，其特征在于，还包括显示及通信单元，与所述微处理器单元连接。
8.多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，包括：
获取时钟信号；
基于时钟信号，采集校正灵敏度后的传感器的输出信号；
基于输出信号，得到所述传感器的检测信息，所述检测信息包括测量数值和运动方向；
其中，所述传感器为LVDT传感器。
9.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述获取时钟信号包括：
设定工作参数；
基于工作参数，得到时钟信号。
10.如权利要求9所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述设定工作参数包括以下方式的一种：
JTAG接口设定工作参数；
人机交互设定工作参数；
GPRS远程无线数据交互设定工作参数。
11.如权利要求9所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述工作参数包括以下方式的一种或多种组合：
传感器数量、采集频度、采集时间、测量数值的上下限的报警信息。
12.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述时钟信号为晶振分频得到稳频信号。
13.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述基于时钟信号，采集校正灵敏度后的所述传感器的输出信号包括：
获取所述传感器的激励信号。
14.如权利要求13所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述获取所述传感器的激励信号包括：
将基准源进行斩波，得到数字信号；
抽取所述数字信号的基波；
放大基波，得到所述传感器的激励信号。
15.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述基于输出信号，得到所述传感器的测量数值包括：
放大输出信号，得到测量信号；
净化测量信号；
转换测量信号为直流信号。
16.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述基于输出信号，得到所述传感器的运动方向包括：
基于所述传感器的双端输出响应信号的比较，得到所述传感器的运动方向信息。
17.如权利要求16所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述传感器的双端输出响应信号的比较包括：
放大两个双端输出响应信号比较的差值。
18.如权利要求8所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述校正所述传感器的灵敏度包括：
将所述传感器的灵敏度调整到与标准值相等，其中，所述标准值为设定的。
19.如权利要求18所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述将所述传感器的灵敏度调整到与标准值相等包括：
调整所述传感器灵敏度对应的放大倍数。
20.如权利要求19所述的多通道自适应高精度LVDT数据采集测量方法，其特征在于，所述调整所述传感器灵敏度对应的放大倍数包括：
切换选择电阻，调整所述放大倍数。
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