CN111106806A - 一种适用于lms采集系统的水击压力信号调理装置 - Google Patents

一种适用于lms采集系统的水击压力信号调理装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于液体火箭发动机试验技术领域，具体涉及一种适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置。为了解决现有水击压力采集系统测量通道容量少，信号采集频率低，且系统功能单一，占用资源较多的技术问题，包括主机箱、位于主机箱内的信号调理器母板、位于信号调理器母板上的供源及供源分配电路及插装在信号调理器母板上的n个信号调理板卡；该装置不仅具备对水击压力传感器进行多通道同步稳定供源和信号调理外，还具备不同接地信号间隔离功能，可以有效解决信号接地不同带来的信号间干扰问题，满足了LMS采集系统进行水击压力参数测量的要求，从而实现LMS采集系统对水击压力参数的采集。

Description

一种适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置
技术领域
本发明属于液体火箭发动机试验技术领域，具体涉及一种适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置。
背景技术
液体火箭发动机地面试验中，水击压力数据是衡量发动机起动和关机时刻流体对泵前管路、阀门等产生瞬时冲击的主要指标，在一定程度上反映水击对试验台泵前管路、阀门等的危害情况，同时，为泵前管路、阀门等关键部件的材料选择、焊接工艺以及强度设计等提供重要的参考依据。随着液体火箭发动机地面试验可靠性要求日益提高，水击压力数据的准确获得显得尤为重要。水击压力信号作为一种瞬态信号，其测量手段与温度、压力等稳态参数不同，信号采集频率一般不低于5kHz，采样速率越高，获得信号更加真实准确。
现有水击压力采集系统测量通道容量少，信号采集频率只有5kHz，且系统功能单一，占用资源较多。
发明内容
为了解决现有水击压力采集系统测量通道容量少，信号采集频率低，且系统功能单一，占用资源较多的技术问题，本发明提供一种水击压力信号调理装置，将该装置应用于LMS采集系统，实现水击压力信号的采集。本发明创新的将水击压力信号作为一种动态信号采集，利用LMS采集系统高采集速率(一般为25.6kHz以上)特点，将水击压力信号与振动、脉动压力等动态参数一并采集。
由于水击压力信号测量一般为采集后端接地，而振动、脉动压力等动态参数信号一般为前端传感器接地，若将水击压力原始信号直接接入LMS采集系统进行采集，受接地方式不同的影响，水击压力信号和振动、脉动压力信号均会引入干扰。因此，需要设计一种适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，不仅具备对水击压力传感器进行多通道同步稳定供源和信号调理外，还具备不同接地信号间隔离功能，可以有效解决信号接地不同带来的信号间干扰问题，以满足水击压力参数准确测量要求。
本发明的技术方案是提供一种水击压力信号调理装置，其特殊之处在于：包括主机箱、位于主机箱内的信号调理器母板、位于信号调理器母板上的供源及供源分配电路及插装在信号调理器母板上的n个信号调理板卡；其中n为大于等于1的正整数；
所述信号调理板卡上设有信号调理电路、信号隔离电路及水击压力传感器供源接口；
所述信号调理电路包括两级差分式放大电路；第一级差分式放大电路包括两个精密的运算放大器，水击压力传感器的信号正负端分别与两个精密的运算放大器的同相输入端连接，水击压力传感器的输出信号以平衡对称差动输入方式输入第一级差分式放大电路；
第二级差分式放大电路包括一个精密的运算放大器，采用差动放大方式；第一级差分式放大电路的输出与第二级差分式放大电路的输入之间设有可调电阻矩阵，用于调节第二级差分式放大电路的放大倍数；
所述信号隔离电路采用隔离芯片；水击压力传感器信号依次通过信号调理电路、信号隔离电路处理后输出；
所述供源模块及供源分配电路，包括两组线性15V电源与m路稳压滤波电路，其中一组线性15V电源通过m路稳压滤波电路提供m路12V恒压源，用于水击压力传感器的供源；另外一组线性15V电源滤波后在信号调理器母板上对信号调理板卡上所有元器件提供±15V恒压源，其中m为大于等于n的自然数。
进一步地，所述隔离芯片为AD210AN，运放芯片选用精密的运算放大器，所述稳压滤波电路中稳压元件采用LM7812CT芯片。
进一步地，信号调理电路的放大倍数通过公式1计算：
Figure BDA0002315340300000021
其中R1串接第一精密运算放大器的反向输入端与输出端之间；R6串接在第三精密运算放大器的输出端与其同向输入端之间；，R4串接在第二精密运算放大器的输出端与第三精密运算放大器的同向输入端之间；Rp1可调电阻矩阵阻值。
进一步地，所述信号调理板卡采用单板双路信号输入输出方式，即一个信号调理板卡上包括两组信号调理电路、两组信号隔离电路及两组水击压力传感器供源接口；能够实现两个水击压力传感器信号的输出；其中n＝6，m＝12。
进一步地，该水击压力信号调理装置，还包括供源检测电路，所述供源检测电路包括琴键式开关与数码显示管，将各路水击压力传感器供源引入琴键式开关，采用数码显示管对当前所选水击压力传感器供源值进行显示。
进一步地，水击压力信号调理装置，还包括2000表，利用2000表对各个水击压力传感器供源进行检测。
进一步地，所述信号调理板卡上还设有并电阻Rb，在12V恒压源正端和水击压力传感器输出信号正端间设置并电阻Rb，并通过琴键式开关控制并电阻。
进一步地，并电阻后采集电压值的变化ΔU通过下式计算：
Figure BDA0002315340300000031
式中：E为水击压力传感器供源值，R为水击压力传感器桥臂阻值，Avd为信号调理电路的放大倍数。
进一步地，所述信号调理板卡上还设有双色二极管指示和状态检查电路，在线性15V电源两端处接入红色二极管D1，在并电阻检查电路中接入绿色二极管D2；
通道处于正常采集时，红色二极管亮，当琴键式开关被按下时，该通道处于并电阻状态，绿色二极管亮起，琴键式开关复原时，绿灯熄灭。
进一步地，所述信号调理器母板上设有n个信号调理板卡插槽；n个信号调理板卡分别通过插槽安装于信号调理器母板上；信号调理板卡与机箱前面板平行；信号调理板卡为金手指连接方式。
本发明的有益效果是：
本发明水击压力信号调理装置不仅具备对水击压力传感器进行多通道同步稳定供源和信号调理外，还具备不同接地信号间隔离功能，可以有效解决信号接地不同带来的信号间干扰问题，满足了LMS采集系统进行水击压力参数测量的要求，从而实现LMS采集系统对水击压力参数的采集，在优化测量手段的同时，进一步实现测量设备的集成化和功能多样化，优化系统和人员配置，提高工作效率，大幅降低工作成本。
附图说明
图1为信号调理电路示意图；
图2为信号隔离电路图；
图3为水击压力传感器供源电路图；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本实施例适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置包括主机箱，主机箱内设有信号调理器母板与信号调理板卡，信号调理器母板上设有6个信号调理板卡插槽，信号调理板卡通过该插槽固定在信号调理器母板上。为使用灵活、更换方便考虑，信号调理板卡设计为金手指连接方式，同时，参照据标准化机箱导轨长度，并充分考虑连接件配合尺寸，信号调理板卡尺寸选定为：100mm(高)×164mm(长)，板厚为1.6mm。
本实施例信号调理器母板可连接6块信号调理板卡(其他实施例中可根据具体情况调节信号调理板卡的数量)，为便于板卡的插拔，采用与机箱前面板平行安装方式，参考机箱尺寸，并充分考虑配合安装尺寸，信号调理器母板尺寸选定为：129.44mm(高)×274.57mm(长)，由于信号调理板卡采用金手指与信号调理器母板金手指插槽进行连接，因此，为保证信号调理器母板有较高的机械强度，信号调理器母板厚度选为2mm。由于采集设备放置于19寸机柜中，为方便使用，水击压力信号调理装置与采集设备应置于同一机柜内，同时，考虑标准化设计，信号调理装置机箱设计宽度为19英寸，高度为3U。
信号调理板卡上设有信号调理电路、信号隔离电路与水击压力传感器供源接口，本实施例信号调理板卡上包括两个信号调理电路、两个信号隔离电路与两个水击压力传感器供源接口，即每一个信号调理板卡包括2个数据输出通道。其他实施例中根据实际应用亦可以调节每一个信号调理板卡上各个电路的数量。
信号调理器母板上设有供源模块及供源分配电路，用于对所有水击压力传感器供电。
水击压力传感器输出信号一般为mv级信号，采集设备的电压测量量程为0～10V，当被测信号幅值为满量程1/2时，测量效果最好，因此，需要对水击压力传感器输出信号进行放大。同时水击压力传感器校验一般采用现场校验方式，校验获取的传感器灵敏度为线性灵敏度，为保证较高的测量精度，信号调理电路必须有较高的线性度。因此，如图1所示，本实施例运放芯片选用精密的运算放大器，同时，考虑最大限度降低信号干扰，组成两级差分式放大电路。第一级放大电路包括两个精密的运算放大器，采用同相放大方式，平衡对称差动输入级，其中水击压力传感器的信号正负端分别与两个精密的运算放大器的同相输入端连接；第二级放大电路包括一个精密的运算放大器，采用差动放大方式，引入负反馈，使增益更加稳定，噪声、失真、输出阻抗降低，输入阻抗增大。同时，为实现放大倍数可调，在第二级放大电路差动输入端引入手动可调电阻矩阵，通过不同阻值的组合，实现放大倍数调节。其中电路放大倍数见公式1：
Figure BDA0002315340300000051
在第一级放大电路的两个精密运算放大器的反向输入端之间设有电阻矩阵RP1、RP2(手动可选)，在第一精密运算放大器的反向输入端与输出端之间串接电阻R1，在第二精密运算放大器的反向输入端与输出端之间串接电阻R2；在第一精密运算放大器的输出端与第三精密运算放大器的反向输入端之间串接电阻R3，在第二精密运算放大器的输出端与第三精密运算放大器的同向输入端之间串接电阻R4；在第三精密运算放大器的输出端与其同向输入端之间串接电阻R6，在第三精密运算放大器的输出端与其反向输入端之间串接电阻R5，其中，R3、R4阻值相同，R5、R6阻值相同。
考虑到水击压力信号与振动、脉动压力等动态信号接地方式不同，需要对水击压力信号进行隔离。信号隔离电路采用AD210AN隔离芯片，电路如图2所示，它体积小，有高共模隔离性能、三端隔离功能(输入，输出和电源)、极低的非线性度：±0.005％max、高精度：±0.1％max、频带宽：20kHz Full-Power(-3dB)、低增益温漂：±15ppm/℃max、高共模抑制比：120dB(G＝100V/V)，满足动态参数测量需要。
本实施例信号调理装置需要提供12路相互独立的+12V恒压源来满足12只水击压力传感器同时工作需要；此外，需要对所有有源元器件提供±15V恒压源。所有供源功能均在信号调理器母板上实现。本实施例采用线性15V电源通过二次稳压和滤波后对水击压力传感器供+12V恒压源，稳压元器件采用LM7812CT，单个水击压力传感器供源电路如图3所示。在信号调理器母板供源分配电路中完成对12路水击压力传感器供源通道的分配。同时，另采用一组线性15V恒压源，滤波后在信号调理器母板上对8块子板上所有元器件提供±15V恒压源。两组线性15V恒压源相互独立，互不干扰。
为了更加直观、方便地对各水击压力传感器供源进行独立监测，在各路传感器供源端引入多路可选拨断开关(琴键开关)，并采用数码管对当前所选传感器供源值进行LED显示。同时，在信号调理装置面板上设有供源检测孔，可使用2000表等较精密仪器对各路传感器供源进行较精确测量。第一种监测方法更为直观、简便地反映传感器供源状态，可作为信号调理装置工作状态检查依据。第二种监测方法与第一种监测方法相比，需要借助外部较精密检测设备，但第二种方法更为精确，可作为信号调理器工作性能检查依据。信号调理装置上同时具备这两种检测功能，可更为全面掌握信号调理器工作状态和性能。
另外，为了便于检查各通道的工作状态，如图1所示，在信号调理板卡设计时，加入并电阻功能，即在+12V恒压源正端和水击压力传感器输出信号正端间设置并电阻电路，并通过琴键式开关控制并电阻Rb，为便于计算并电阻后信号采集输出值的变化，结合水击压力传感器信号输出桥臂阻值，所并电阻Rb选用固定的电阻值360Ω。并电阻后采集电压值的变化ΔU可由公式2得到。
Figure BDA0002315340300000061
式中：E为水击压力传感器供源值，R为水击压力传感器桥臂阻值，Avd由式公式1计算得到。
此外，在信号调理板卡上设计了双色二极管指示和状态检查电路，通道处于正常采集时，红灯亮，当琴键式开关被按下时，该通道处于并电阻状态，绿灯亮起，琴键式开关复原时，绿灯熄灭。同时，可以通过观察采集值的变化来判断测量通道的状态。
本实施例信号调理板卡选用22针金手指插件板，采用单板双路信号输入输出方式，水击压力传感器供源相互独立且双路信号调理电路相互独立，其中一个水击压力传感器的信号输入、调理输出，水击压力传感器供源输出以及电路供源使用1～11脚，另外一个水击压力传感器的信号输入、调理输出，供源输出以及电路供源使用12～22脚。
金手指各脚定义如下：
1脚：水击压力传感器1信号输入正端；2脚：水击压力传感器1信号输入负端；3脚：+15V(元器件电源正)；4脚：-15V(元器件电源负)；5脚：GND(元器件电源地)；6脚：调理信号1输出正端；7脚：调理信号1输出负端；9脚：水击压力传感器1供源+12V；10脚：水击压力传感器1供源0V；11脚：水击压力传感器1供源+15V(稳压前15V电源正)；12脚：水击压力传感器2信号输入正端；13脚：水击压力传感器2信号输入负端；14脚：+15V(元器件电源正)；15脚：-15V(元器件电源负)；16脚：GND(元器件电源地)；17脚：调理信号2输出正端；18脚：调理信号2输出负端；20脚：水击压力传感器2供源+12V；21脚：水击压力传感器2供源0V；22脚：水击压力传感器2供源+15V(稳压前15V电源正)。

Claims (10)

1.一种适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：包括主机箱、位于主机箱内的信号调理器母板、位于信号调理器母板上的供源及供源分配电路及插装在信号调理器母板上的n个信号调理板卡；其中n为大于等于1的正整数；
所述信号调理板卡上设有信号调理电路、信号隔离电路及水击压力传感器供源接口；
所述信号调理电路包括两级差分式放大电路；第一级差分式放大电路包括两个精密的运算放大器，水击压力传感器的信号正负端分别与两个精密的运算放大器的同相输入端连接，水击压力传感器的输出信号以平衡对称差动输入方式输入第一级差分式放大电路；
第二级差分式放大电路包括一个精密的运算放大器，采用差动放大方式；第一级差分式放大电路的输出与第二级差分式放大电路的输入之间设有可调电阻矩阵，用于调节第二级差分式放大电路的放大倍数；
所述信号隔离电路采用隔离芯片；水击压力传感器信号依次通过信号调理电路、信号隔离电路处理后输出；
所述供源模块及供源分配电路，包括两组线性15V电源与m路稳压滤波电路，其中一组线性15V电源通过m路稳压滤波电路提供m路12V恒压源，用于水击压力传感器的供源；另外一组线性15V电源滤波后在信号调理器母板上对信号调理板卡上所有元器件提供±15V恒压源，其中m为大于等于n的自然数。
2.根据权利要求1所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：所述隔离芯片为AD210AN，运放芯片选用精密的运算放大器，所述稳压滤波电路中稳压元件采用LM7812CT芯片。
3.根据权利要求2所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：信号调理电路的放大倍数通过公式1计算：
Figure FDA0002315340290000011
其中R1串接第一精密运算放大器的反向输入端与输出端之间；R6串接在第三精密运算放大器的输出端与其同向输入端之间；，R4串接在第二精密运算放大器的输出端与第三精密运算放大器的同向输入端之间；Rp1可调电阻矩阵阻值。
4.根据权利要求3所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：所述信号调理板卡采用单板双路信号输入输出方式，即一个信号调理板卡上包括两组信号调理电路、两组信号隔离电路及两组水击压力传感器供源接口；能够实现两个水击压力传感器信号的输出；其中n＝6，m＝12。
5.根据权利要求4所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：还包括供源检测电路，所述供源检测电路包括琴键式开关与数码显示管，将各路水击压力传感器供源引入琴键式开关，采用数码显示管对当前所选水击压力传感器供源值进行显示。
6.根据权利要求4所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：还包括2000表，利用2000表对各个水击压力传感器供源进行检测。
7.根据权利要求4所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：所述信号调理板卡上还设有并电阻Rb，在12V恒压源正端和水击压力传感器输出信号正端间设置并电阻Rb，并通过琴键式开关控制并电阻。
8.根据权利要求7所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：并电阻后采集电压值的变化ΔU通过下式计算：
Figure FDA0002315340290000021
式中：E为水击压力传感器供源值，R为水击压力传感器桥臂阻值，Avd为信号调理电路的放大倍数。
9.根据权利要求7所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：所述信号调理板卡上还设有双色二极管指示和状态检查电路，在线性15V电源两端处接入红色二极管D1，在并电阻检查电路中接入绿色二极管D2；
通道处于正常采集时，红色二极管亮，当琴键式开关被按下时，该通道处于并电阻状态，绿色二极管亮起，琴键式开关复原时，绿灯熄灭。
10.根据权利要求9所述的适用于LMS采集系统的水击压力信号调理装置，其特征在于：所述信号调理器母板上设有n个信号调理板卡插槽；n个信号调理板卡分别通过插槽安装于信号调理器母板上；信号调理板卡与机箱前面板平行；信号调理板卡为金手指连接方式。
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