CN114964337B - 一种微悬臂梁传感器信号放大装置及其数控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，本发明公开了一种微悬臂梁传感器放大装置及其数控系统。该微悬臂梁传感器信号放大装置，其包括壳体和电路板；壳体的第一面上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口；电路板的第一部件从壳体的第二面上插入壳体，并与接口电连接；壳体的第二面为与壳体的第一面相对的一面；电路板上排布有信号放大电路。如此，得到的微悬臂梁传感器信号放大装置具有加长微悬臂梁传感器与其数控系统的连接距离、扩大微悬臂梁传感器的使用范围、提高测量准确度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种微悬臂梁传感器信号放大装置及其数控系统。
背景技术
微悬臂梁是一种一端悬空一端固定的板条状机械结构，常被用作生化传感器。微悬臂梁传感器的原理为通过实时闭环跟踪其谐振频率的变化来测量其各项物理化学参数变化。而微悬臂梁传感器的原始数据只是微弱的电压值，因此需要一套能够结合数据特性参数的数控系统来对微悬臂梁传感器进行数据采集与控制。
现有技术中，适用于微悬臂梁传感器的数控系统可分为两类，第一类为由硬件锁相环的闭口模拟电路组成的数控系统，第二类为基于软件锁相环的数控系统。其中，第二类基于软件锁相环的数控系统通常为基于Labview的数控系统，相比于第一类硬件锁相环的模拟电路系统具有便于修改调整，可编程化，不需搭配额外的仪器设备，噪声较低、自动计算频率相位系数等优点，但依然存在以下缺陷：微悬臂梁传感器的原始响应信号非常小且为模拟信号，通常为毫伏级，在数据传输中，很容易受噪声干扰，导致数控系统对环境的要求非常高，悬臂梁传感器与设备之间的连接距离必须非常短才能使数控系统正常工作；传统数控系统噪声水平在0.2Hz-1Hz左右，无法达到更小的噪声以达到更精确的测量。
发明内容
本发明要解决的是现有的微悬臂梁传感器与其数控系统的连接距离短、使用范围受限、测量准确度低的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种微悬臂梁传感器信号放大装置，包括壳体和电路板；
壳体的第一面上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口；
电路板的第一部件从壳体的第二面上插入壳体，并与接口电连接；壳体的第二面为与壳体的第一面相对的一面；
电路板上排布有信号放大电路。
进一步的，壳体的第二面与电路板之间设置有密封胶，密封胶用于将壳体密封。
进一步的，电路板未插入壳体的第二部件上设置有排线插座，排线插座用于接入与外部设备相接的排线。
进一步的，壳体的材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、不锈钢、聚醚醚酮(PEEK)。
进一步的，壳体与微悬臂梁传感器的反应腔体匹配，以使反应腔体形成密闭空间。
本申请在另一方面公开了一种微悬臂梁传感器的数控系统，包括微悬臂梁传感器、数据采集控制模块以及如上任一所述的微悬臂梁传感器信号放大装置；
微悬臂梁传感器通过插入微悬臂梁传感器信号放大装置的接口，与微悬臂梁传感器信号放大装置电连接；
数据采集控制模块的第一接口与排线连接，排线接入微悬臂梁传感器信号放大装置的排线插座，以使微悬臂梁传感器信号放大装置与数据采集控制模块电连接。
微悬臂梁传感器信号放大装置将微悬臂梁传感器的响应信号放大后发送给数据采集控制模块；
数据采集控制模块通过排线和微悬臂梁传感器信号放大装置，将激励信号发送给微悬臂梁传感器。
进一步的，数据采集控制模块包括信号生成模块、信号传输模块、控制模块；
信号生成模块、信号传输模块、控制模块依次连接；
信号生成模块上设有第一接口与排线连接，排线接入微悬臂梁传感器信号放大装置的排线插座；
控制模块用于确定频率控制信息，并将频率控制信息发送给信号传输模块；
信号传输模块用于将频率控制信息发送给信号生成模块；
信号生成模块用于根据频率控制信息生成激励信号，并通过排线将激励信号发送给微悬臂梁传感器信号放大装置。
进一步的，信号生成模块包括信号放大模块，信号放大模块用于通过排线接收响应信号，并对响应信号做放大滤波处理，将处理后的响应信号发送给信号传输模块；
信号传输模块用于采集信号生成模块生成的激励信号和信号放大模块处理后的响应信号，得到数字激励信号和数字响应信号，并发送给控制模块；
控制模块根据数字激励信号和数字响应信号确定频率控制信息。
进一步的，控制模块包括显示模块，显示模块保存并显示数字响应信号的参数；参数包括数字响应信号的谐振频率和相位差。
进一步的，信号生成模块的晶振的频率为16兆赫兹。
采用上述技术方案，本申请提供的微悬臂梁的数控系统具有如下有益效果：
本申请公开的一种微悬臂梁传感器信号放大装置，其包括壳体和电路板；壳体的第一面上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口；电路板的第一部件从壳体的第二面上插入壳体，并与接口电连接；壳体的第二面为与壳体的第一面相对的一面；电路板上排布有信号放大电路。如此，得到的微悬臂梁传感器信号放大装置具有加长微悬臂梁传感器与其数控系统的连接距离、扩大微悬臂梁传感器的使用范围、提高测量准确度的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种微悬臂梁的数控系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种微悬臂梁的数控系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种微悬臂梁的数控系统的结构示意图。
以下对附图作补充说明：
1-壳体；第一面-11；接口-12；第二面-13；电路板-2；第一部件21；第二部件-22；排线插座-23；
10-微悬臂梁传感器；20-数据采集控制模块；210-第一接口；220-信号生成模块；230-信号传输模块；240-控制模块；30-微悬臂梁传感器信号放大装置；40-排线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
图1示出了本申请实施例提供的一种微悬臂梁传感器信号放大装置的结构示意图，如图1所示，该微悬臂梁传感器信号放大装置，包括壳体1和电路板2。其中壳体1的第一面11上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口12；电路板2从壳体1的第二面13上插入壳体1，并与接口12电连接。壳体1的第二面13与壳体1的第一面11相对。
电路板2被壳体1分为两个部分，其中第一部件21完全插入壳体1中，第二部件22未插入壳体1，暴露在外界环境中。
作为一种可选的实施方式，壳体1在第一面11与第二面13之间的侧壁可以是任何形状，例如圆柱形、长方体等规则形状，也可以是其他不规则形状。
作为一种可选的实施方式，壳体1的侧壁的形状与大小与连接的微悬臂梁传感器的反应腔体匹配，壳体1将反应腔体的开口处完全堵上，使反应腔体形成密闭空间，防止反应腔体里的气体外溢，影响检测结果。
作为一种可选的实施方式，壳体1的第二面13与电路板2之间填充有密封胶。密封胶将壳体1的第二面与电路板2之间的缝隙完全封住，从而使壳体1密封，保证壳体1内部的气密性。
作为一种可选的实施方式，该密封胶可以是硅胶，或者其他能够将壳体1的第二面与电路板2之间完全密封的材料。
作为一种可选的实施方式，壳体1为聚四氟乙烯(PTFE)材质，其对气体分子吸附性很低，可以减少不同测试环境下气体分子在壳体1上的吸附性残留，降低对测试的影响。
作为一种可选的实施方式，壳体1的材料还可以是不锈钢、聚醚醚酮(PEEK)等其他对气体分子吸附性低的材料。
作为一种可选的实施方式，电路板2上排布有信号放大电路。信号放大电路通过接口12与微悬臂梁传感器电连接，对微悬臂梁传感器的响应信号进行放大和滤波处理，从而增强微悬臂梁传感器的响应信号强度，并滤除一定的噪声干扰。
作为一种可选的实施方式，电路板2的第二部件22上设置有排线插座23，排线插座23用于接入与外部设备相接的排线。排线插座23与信号放大电路连接，能够将信号放大电路放大滤波后的响应信号通过排线传输给与外部设备。
本申请在另一方面还公开了一种微悬臂梁传感器的数控系统，图2示出了本申请实施例提供的一种微悬臂梁传感器的数控系统的结构示意图，如图2所示，其包括微悬臂梁传感器10、数据采集控制模块20以及如上任一所述的微悬臂梁传感器信号放大装置30。其中，微悬臂梁传感器10通过插入微悬臂梁传感器信号放大装置30的接口12，与微悬臂梁传感器信号放大装置30电连接；数据采集控制模块20的第一接口210与排线40连接，排线40接入微悬臂梁传感器信号放大装置的排线插座23，以使微悬臂梁传感器信号放大装置30与数据采集控制模块20电连接。
具体的，一方面，微悬臂梁传感器信号放大装置30将微悬臂梁传感器10的响应信号放大后发送给数据采集控制模块20，以使数据采集控制模块20根据该响应信号调整微悬臂梁传感器10的响应状态；另一方面，数据采集控制模块20通过排线40和微悬臂梁传感器信号放大装置30，将激励信号发送给微悬臂梁传感器10，激励微悬臂梁传感器10产生对应的响应信号。由此，实现对微悬臂梁传感器10的闭环控制。
作为一种可选的实施方式，排线40可以是屏蔽线，用以防止数据采集控制模块20与微悬臂梁传感器信号放大装置30进行信息传输时受到外界噪声干扰。
作为一种可选的实施方式，图3示出了本申请实施例提供的一种微悬臂梁传感器的数控系统的结构示意图，如图3所示，数据采集控制模块20包括信号生成模块220、信号传输模块230、控制模块240。信号生成模块220、信号传输模块230、控制模块240依次连接；信号生成模块220上设有第一接口210，第一接口210与排线40连接，排线40接入微悬臂梁传感器信号放大装置30的排线插座23。
作为一种可选的实施方式，控制模块240用于生成频率控制信息，而频率控制信号用于指导信号生成模块220生成对应的激励信号。频率控制信息为一个40bit的数据，其中37位为表示激励信号相关信息的数据，3位为系统工作相关的数据。具体的，表示激励信号相关信息的37位数据中，有32位为表示激励信号频率的数据，有5位为表示激励信号相位的数据；表示系统工作相关的3位数据中，有2位数据控制系统的工作方式，有1位数据控制电源休眠。
作为一种可选的实施方式，信号传输模块230一方面将控制模块生成的频率控制信息发送给信号生成模块，一方面采集信号生成模块220中的激励信号和响应信号，得到数字激励信号和数字响应信号，并发送给控制模块240。
作为一种可选的实施方式，信号生成模块一方面根据频率控制信息生成对应的激励信息并发送给微悬臂梁传感器信号放大装置30，一方面接收由微悬臂梁传感器信号放大装置30发送的响应信号。
作为一种可选的实施方式，控制模块240生成频率控制信息后，将频率控制信息发送给信号传输模块230，再由信号传输模块230将频率控制信息发送给信号生成模块220，信号生成模块220基于频率控制信息生成激励信号，并通过与第一接口210相连的排线40和微悬臂梁传感器信号放大装置30将激励信号发送给微悬臂梁传感器10，微悬臂梁传感器10基于激励信号产生响应信号。
作为一种可选的实施方式，微悬臂梁传感器10将产生的响应信号发送给微悬臂梁传感器信号放大装置30，响应信号经微悬臂梁传感器信号放大装置30放大滤波后发送给信号生成模块220，信号传输模块230对响应信号和激励信号进行信号采集，得到数字响应信号和数字激励信号，将数字响应信号和数字激励信号发送给控制模块240，控制模块240对数字响应信号和数字激励信号进行处理，由此指导下一个频率控制信息的生成，调整微悬臂梁传感器10的响应状态，从而实现对微悬臂梁传感器10的闭环控制。
作为一种可选的实施方式，本申请的数控系统包括开环与闭环两个状态。数控系统刚开始启用时，处于开环状态，控制模块240确定微悬臂梁传感器10的初始响应参数。可选的，初始响应参数可以包括微悬臂梁传感器10的品质因数、谐振频率和相位差等信息。在确定微悬臂梁传感器10的初始响应参数后，数控系统进入闭环状态，控制模块240根据数字响应信号和数字激励信号，确定微悬臂梁传感器10的当前响应参数，将当前响应参数与初始响应参数对比，确定频率控制信息，从而调整微悬臂梁传感器10的响应状态，实现对微悬臂梁传感器10的闭环控制。
作为一种可选的实施方式，在开环状态下，控制模块240按照从低频率到高频率的顺序生成频率控制信息，使微悬臂梁传感器10按照从低频率到高频率激励信号的顺序产生响应信号，根据这些响应信号对应的数字响应信号和数字激励信号，得到微悬臂梁传感器10的幅频特性曲线和相频特性曲线。由幅频特性曲线得到微悬臂梁传感器10的初始振幅A0、初始谐振频率f0和谐振频率处的振幅，由相频特性曲线得到微悬臂梁传感器10的初始相位差和频率相位系数K。
作为一种可选的实施方式，数据处理模块在扫频后，还可以通过计算得到微悬臂梁传感器10的品质因数Q。
作为一种可选的实施方式，在闭环状态下，控制模块240根据数字响应信号和数字激励信号，确定微悬臂梁传感器10的当前相位差然后根据在开环状态下得到的初始谐振频率f0、初始相位差/>以及频率相位系数K，按照公式(1)计算得到在当前相位差/>对应的当前谐振频率ft，公式(1)如下所示：
其中，ft为当前谐振频率，f0为初始谐振频率，为当前相位差，/>为初始相位差，K为频率相位系数。
控制模块240根据计算得到的当前谐振频率ft生成对应的频率控制信息，并通过信号传输模块230发送给信号生成模块220，信号生成模块220根据该频率控制信息生成对应的激励信号，通过微悬臂梁传感器信号放大装置30将激励信号发送给微悬臂梁传感器10，从而控制微悬臂梁传感器10按照该激励信号产生对应的响应信号。
作为一种可选的实施方式，控制模块240还可以包括显示模块。当处于闭环状态时，显示模块从控制模块240中读取并保存当前响应参数。可选的，该当前响应参数可以包括微悬臂梁传感器10的当前谐振频率ft和当前相位差等参数。
作为一种可选的实施方式，数据采集模块内还可以设置显示面板，通过显示面板实时显示微悬臂梁传感器10的当前响应参数。
作为一种可选的实施方式，信号传输模块230还包括信号放大模块。信号放大模块对微悬臂梁传感器信号放大装置30处理后的响应信号进行二次放大滤波，进一步增强响应信号，并滤除信号传输模块230与微悬臂梁传感器信号放大装置30进行信息传输时受到的噪声干扰。
作为一种可选的实施方式，信号生成模块220可以为信号发生器(DDS)，信号传输模块230可以为数据采集卡。
作为一种可选的实施方式，信号生成模块220的晶振的频率为16MHz。
现有技术中，信号生成模块220的晶振频率通常为125MHz，则对应的系统频率可控精度0.029，并且，考虑到微悬臂梁传感器10的谐振频率最大为100kHz左右，只占125MHz晶振量程的1/1250，实际系统噪声为0.2Hz-1Hz。而本申请中，信号生成模块220的晶振的频率为16MHz，并在信号生成模块220中对响应信号进行二级放大滤波，实测系统噪声可达到0.01Hz左右，大大减小系统噪声，提高了系统的测试准确度。
本申请公开的一种微悬臂梁传感器信号放大装置，其包括壳体和电路板；壳体的第一面上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口；电路板的第一部件从壳体的第二面上插入壳体，并与接口电连接；壳体的第二面为与壳体的第一面相对的一面；电路板上排布有信号放大电路。如此，得到的微悬臂梁传感器信号放大装置具有加长微悬臂梁传感器与其数控系统的连接距离、扩大微悬臂梁传感器的使用范围、提高测量准确度的优点。
以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微悬臂梁传感器信号放大装置，用于放大微悬臂梁传感器(10)输出的响应信号，其特征在于，包括壳体(1)和电路板(2)；
所述壳体(1)的第一面(11)上设置有用于接入微悬臂梁传感器的接口(12)；
所述电路板(2)被所述壳体(1)分为第一部件(21)和第二部件(22)；所述电路板(2)的第一部件(21)从所述壳体(1)的第二面(13)上完全插入所述壳体(1)，并与所述接口(12)电连接，所述壳体(1)的第二面(13)与所述电路板(2)之间填充有密封胶，所述密封胶将所述壳体(1)的第二面与所述电路板(2)之间的缝隙完全封住；所述壳体(1)的第二面(13)为与所述壳体(1)的第一面(11)相对的一面；所述电路板(2)的第二部件(22)未插入所述壳体(1)，暴露在外界环境中；
所述电路板(2)上排布有信号放大电路，所述信号放大电路通过所述接口(12)与所述微悬臂梁传感器(10)电连接；所述电路板(2)的第二部件(22)上设置有排线插座(23)，所述排线插座(23)用于接入与外部设备相接的排线，并且将放大后的信号通过排线传输给所述外部设备；微悬臂梁传感器信号放大装置(30)用于将所述微悬臂梁传感器(10)的响应信号放大后发送给所述外部设备，所述外部设备用于通过所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)，将激励信号发送给所述微悬臂梁传感器(10)；
所述壳体(1)与所述微悬臂梁传感器的反应腔体匹配，所述壳体(1)将反应腔体的开口处完全堵上，以使所述反应腔体形成密闭空间，防止反应腔体里的气体外溢。
2.根据权利要求1所述的一种微悬臂梁传感器信号放大装置，其特征在于，所述壳体的材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、不锈钢、聚醚醚酮(PEEK)。
3.一种微悬臂梁传感器的数控系统，其特征在于，包括微悬臂梁传感器(10)、数据采集控制模块(20)以及如权利要求1-2任一所述的微悬臂梁传感器信号放大装置(30)；
所述微悬臂梁传感器(10)通过插入所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)的接口(12)，与所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)电连接；
所述数据采集控制模块(20)的第一接口(210)与排线(40)连接，所述排线(40)接入所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)的排线插座(23)，以使所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)与所述数据采集控制模块(20)电连接；
所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)将所述微悬臂梁传感器(10)的响应信号放大后发送给所述数据采集控制模块(20)；
所述数据采集控制模块(20)通过所述排线(40)和所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)，将激励信号发送给所述微悬臂梁传感器(10)。
4.根据权利要求3所述的一种微悬臂梁传感器的数控系统，其特征在于，所述数据采集控制模块(20)包括信号生成模块(220)、信号传输模块(230)、控制模块(240)；
所述信号生成模块(220)、所述信号传输模块(230)、所述控制模块(240)依次连接；
所述信号生成模块(220)上设有所述第一接口(210)与所述排线(40)连接，所述排线(40)接入所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)的排线插座(23)；
所述控制模块(240)用于确定频率控制信息，并将所述频率控制信息发送给信号传输模块(230)；
所述信号传输模块(230)用于将所述频率控制信息发送给所述信号生成模块(220)；
所述信号生成模块(220)用于根据所述频率控制信息生成所述激励信号，并通过所述排线(40)将所述激励信号发送给所述微悬臂梁传感器信号放大装置(30)。
5.根据权利要求4所述的一种微悬臂梁传感器的数控系统，其特征在于，所述信号生成模块(220)包括信号放大模块，所述信号放大模块用于通过所述排线(40)接收所述响应信号，并对所述响应信号做放大滤波处理，将处理后的所述响应信号发送给所述信号传输模块(230)；
所述信号传输模块(230)用于采集所述信号生成模块(220)生成的所述激励信号和所述信号放大模块处理后的所述响应信号，得到数字激励信号和数字响应信号，并发送给所述控制模块(240)；
所述控制模块(240)根据所述数字激励信号和所述数字响应信号确定所述频率控制信息。
6.根据权利要求5所述的一种微悬臂梁传感器的数控系统，其特征在于，所述控制模块(240)包括显示模块，所述显示模块保存并显示所述数字响应信号的参数；所述参数包括数字响应信号的谐振频率和相位差。
7.根据权利要求4所述的一种微悬臂梁传感器的数控系统，其特征在于，所述信号生成模块(220)的晶振的频率为16兆赫兹。
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| CN202210554326.3A CN114964337B (zh) | 2022-05-19 | 一种微悬臂梁传感器信号放大装置及其数控系统 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |