CN116202700A - 电荷信号采集调理装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电荷信号采集调理装置及系统，涉及电路采集的技术领域，包括：压电加速度传感器、信号采集模块和信号调理模块，压电加速度传感器用于将供水管道内产生的振动信号转换为微弱电荷信号，并将微弱电荷信号发送至信号采集模块；信号采集模块用于将微弱电荷信号转换为电压信号，并将电压信号发送至信号调理模块；信号调理模块用于对电压信号进行降噪处理，得到降噪处理后的目标电压信号，本发明可以对双通道输出的压电传感器实现微弱电荷信号的采集，在信号采集端增加反馈网络来改善电荷放大器的零点漂移问题，并经过带通滤波电路衰减带宽以外的噪声，从而提高该电荷信号采集调理装置的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及电路采集的技术领域，尤其是涉及一种电荷信号采集调理装置及系统。
背景技术
当供水管网发生泄露，可能存在以下振动声信号，如水流与管壁冲击会产生振动声，水冲击管道周围的埋设介质产生冲击声和石块砂砾掉落在管壁产生摩擦声。上述振动声信号沿着金属管道向两端传播，供水管网漏损监测设备可以利用内置压电加速度传感器获取管网中的上述振动声信号，再通过信号采集电路将传感器输出的微弱电荷信号转换为电压信号，使用微处理器对电压信号进行采样、存储和上报，从而实时获取供水管网中的漏损信息。目前，现有技术提出，可以将电荷放大器、T型网络反馈电路和差分输入的改进电路作为供水管网漏损监测设备的信号采集电路，但该方案中电荷放大器需要阻值偏大的电阻，T型网络构建大电阻会引入新的噪声，差分输入的改进电路可以应用于差分输出的压电传感器，从而消除共模噪声，但是会造成信号的畸变，进而降低了信号采集的准确度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电荷信号采集调理装置及系统，可以对双通道输出的压电传感器实现微弱电荷信号的采集，在信号采集端增加反馈网络来改善电荷放大器的零点漂移问题，并经过带通滤波电路衰减带宽以外的噪声，从而提高该电荷信号采集调理装置的信噪比，进而提升信号采集的准确度。
第一方面，本发明实施例提供了一种电荷信号采集调理装置，包括：压电加速度传感器和硬件电路，硬件电路包括：信号采集模块和信号调理模块，信号采集模块分别与压电加速度传感器和信号调理模块电连接；其中，压电加速度传感器用于将供水管道内产生的振动信号转换为微弱电荷信号，并将微弱电荷信号发送至信号采集模块；信号采集模块用于将微弱电荷信号转换为电压信号，并将电压信号发送至信号调理模块；信号调理模块用于对原始的电压信号进行降噪处理，得到降噪处理后的目标电压信号。
在一种实施方式中，信号采集模块包括：电荷放大转换电路；其中，电荷放大转换电路用于将微弱电荷信号放大后转换为电压信号。
在一种实施方式中，电荷放大转换电路包括：差分信号线和两组电荷放大器，差分信号线的一端与压电加速度传感器连接，差分信号的另一端分别与两组电荷放大器连接，电荷放大器包括：JFET型放大器、若干电阻电容和反馈网络；其中，差分信号线用于传递微弱电荷信号；电荷放大器用于将微弱电荷信号放大，并通过电容将微弱电荷信号转换为电压信号。
在一种实施方式中，电荷放大器所包括的反馈网络和JFET型放大器的反向输入端和输出端并联；其中，反馈网络用于降低电荷放大转换电路的偏置电压和失调电压。
在一种实施方式中，反馈网络包括：直流伺服电路和反馈增益放大电路，直流伺服电路与反馈增益放大电路串联；其中，直流伺服电路用于在电荷放大转换电路输出电压信号后，将反馈信号发送至电荷放大转换电路的输入端，用以降低电荷放大转换电路中，JFET型放大器本身所产生的失调电压，以及大电阻产生的偏置电流形成的偏置电压；反馈增益放大电路用于使用小电阻实现低频响应。
在一种实施方式中，信号调理模块包括：差分放大转单端电路，差分放大转单端电路与电荷放大器串联；其中，差分放大转单端电路用于将电荷放大转换电路输出的两路电压信号转变为单路电压信号。
在一种实施方式中，信号调理模块还包括：滤波电路，滤波电路包括：低通滤波电路和高通滤波电路，低通滤波电路分别与高通滤波电路和差分放大转单端电路串联；其中，低通滤波电路与高通滤波电路串联形成带通滤波器，用于减少单路电压信号的高频噪声和杂散噪声，得到目标电压信号。
在一种实施方式中，硬件电路还包括：信号转换模块，信号转换模块包括：电压转换电路，电压转换电路与高通滤波电路串联；其中，电压转换电路用于将目标电压信号衰减至外设采样芯片的工作电压范围内。
在一种实施方式中，还包括：电源电路；其中，电源电路用于向硬件电路提供稳定的工作电压。
第二方面，本发明实施例还提供一种电荷信号采集调理系统，包括：第一方面提供的任一项的电荷信号采集调理装置和外设采样芯片，外设采样芯片用于对目标电压信号进行信号分析处理。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种电荷信号采集调理装置及系统，通过压电加速度传感器将供水管道内产生的振动信号转换为微弱电荷信号，并将微弱电荷信号发送至信号采集模块，使信号采集模块将微弱电荷信号转换为电压信号，并将电压信号发送至信号调理模块，信号调理模块对电压信号进行降噪处理，得到降噪处理后的目标电压信号，相较于现有的技术方案，本发明实施例可以对双通道输出的压电传感器实现微弱电荷信号的采集，在信号采集端增加反馈网络来改善电荷放大器的零点漂移问题，通过差分放大转单端模块将两路信号转换为单路信号，并经过带通滤波电路衰减带宽以外的噪声，从而提高该电荷信号采集调理装置的信噪比，进一步提升信号采集的准确度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种电荷信号采集调理装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电荷放大转换电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种反馈网络的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种差分放大转单端电路的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种滤波电路的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种滤波电路的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电压转换电路的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电源电路的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种电源电路的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种电荷信号采集调理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当供水管网发生泄露，可能存在以下振动声信号，如水流与管壁冲击会产生振动声，水冲击管道周围的埋设介质产生冲击声和石块砂砾掉落在管壁产生摩擦声。上述振动声信号沿着金属管道向两端传播，供水管网漏损监测设备可以利用内置压电加速度传感器获取管网中的振动声信号，再通过信号采集电路将传感器输出的微弱电荷信号转换为电压信号，使用微处理器对电压信号进行采样、存储和上报，从而实时获取供水管网中的漏损信息。现有的供水管网漏损监测设备的信号采集电路主要包括电荷放大器、T型网络反馈电路和使用差分输入的改进电路，电荷放大器和T型网络反馈电路主要适用于单输出通道的压电传感器，但是电荷放大器需要阻值偏大的电阻，而T型网络构建大电阻会引入新的噪声，差分输入的改进电路可以应用于差分输出的压电传感器，消除共模噪声，但是会造成信号的畸变，从而降低信号采集的准确度，基于此，本发明实施例提供的电荷信号采集调理装置，可以对双通道输出的压电传感器实现微弱电荷信号的采集，在信号采集端增加反馈网络来改善电荷放大器的零点漂移问题，通过差分放大转单端模块将两路信号转换为单路信号，并经过滤波电路衰减带宽以外的噪声，从而提高该电荷信号采集调理装置的信噪比，进一步提升信号采集的准确度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电荷信号采集调理装置进行详细介绍，参见图1所示的一种电荷信号采集调理装置的结构示意图，该装置包括：压电加速度传感器和硬件电路，硬件电路包括：信号采集模块和信号调理模块，信号采集模块分别与压电加速度传感器和信号调理模块电连接；其中，压电加速度传感器用于将供水管道内产生的振动信号转换为微弱电荷信号，并将微弱电荷信号发送至信号采集模块；信号采集模块用于将微弱电荷信号转换为电压信号，并将电压信号发送至信号调理模块；信号调理模块用于对电压信号进行降噪处理，得到降噪处理后的目标电压信号，在另一种实施方式中，压电加速度传感器所输出的信号线和地线与硬件电路的电路板的接线端相连，使用可充锂电池为电路系统供电，再通过电源电路提供稳定的电压基准。
本发明实施例提供的上述电荷信号采集调理装置，可以显著提升信号采集的准确度。
在一种实施方式中，信号采集模块包括：电荷放大转换电路，电荷放大转换电路包括：差分信号线和两组电荷放大器，差分信号线的一端与压电加速度传感器连接，差分信号的另一端分别与两组电荷放大器连接，电荷放大器包括：JFET型放大器、若干电阻电容和反馈网络，其中，电荷放大转换电路用于将微弱电荷信号放大后转换为电压信号，差分信号线用于传递微弱电荷信号，电荷放大器用于将微弱电荷信号放大，并通过电容将微弱电荷信号转换为电压信号，在一种实施方式中，参见图2所示的一种电荷放大转换电路的结构示意图，压电加速度传感器的差分信号线分别与两组电荷放大器的反向输入端相连，通过将芯片的8号引脚与压电加速度传感器的地线相连，将信号包裹在地线内形成一个保护环，可以减少泄露电阻，实现高的输入阻抗，从而实现微弱电荷信号的采集，将JFET型放大器的输出通过一个反馈电容连接到放大器的反向输入端，实现深度负反馈，通过反相模式，将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，并且反馈电容越小，输出的电压信号越大，在另一种实施方式中，JFET型放大器的深度负反馈通过一个电容将传感器输出的微弱电荷信号转换为电压信号，再利用差分放大转单端电路将两路信号转变为单路信号，方便后续电路处理。
在一种实施方式中，电荷放大器所包括的反馈网络和JFET型放大器的反向输入端和输出端并联，用于降低电荷放大转换电路的偏置电压和失调电压(即，改善前置的电荷放大转换电路所存在的零点漂移问题和电路的静态和动态性能)，在另一种实施方式中，反馈网络包括：直流伺服电路和反馈增益放大电路，直流伺服电路与反馈增益放大电路串联，直流伺服电路用于在电荷放大转换电路输出电压信号后，将反馈信号发送至电荷放大转换电路的输入端，用以降低电荷放大转换电路中，JFET型放大器本身所产生的失调电压，以及大电阻产生的偏置电流形成的偏置电压，反馈增益放大电路用于使用小电阻实现低频响应，在一种实施方式中，参见图3所示的一种反馈网络的结构示意图，在静态性能方面，该反馈网络可以为放大器提供直流的反馈通路，并且直流伺服电路通过正向端接地，在放大器进入深度负反馈时，负向输入端相当于接地，从而改善了电荷放大器的零漂问题；在动态性能方面，为了更稳定和更快速地使电路达到稳定状态，可以通过调节电阻和电容的参数，得到恰当的阻尼比和固有频率；在频率特性方面，信号采集和转换电路的频率响应由决定反馈电容和反馈电阻决定，若要采集较低频的信号时，则需要选用极大的反馈电阻，而极大的电阻的可购买性较难，且电路板存在泄露电阻，因此，通过在反馈网络中增加反馈增益放大模块，与一个阻值较小的电阻组合形成一个阻值较大的反馈电阻。
此外，信号调理模块包括：差分放大转单端电路，差分放大转单端电路与电荷放大器串联，其中，差分放大转单端电路用于将电荷放大转换电路输出的两路电压信号转变为单路电压信号，在一种实施方式中，参见图4所示的差分放大转单端电路的结构示意图，差分放大转单端电路将电荷放大转换电路输出的两路电压信号分别与R14和R15相连，并接入放大器的正向和反向输入端，利用放大器的负反馈，可以将两路差分的电压信号进行相减，同时还可以通过调节R21和R19与R14和R15的比例来放大和缩小输出的电压信号，当出现信号过大导致放大器输出饱和时，需要适当比例来缩小电压信号的幅值。
在一种实施方式中，信号调理模块还包括：滤波电路，滤波电路包括：低通滤波电路和高通滤波电路，低通滤波电路分别与高通滤波电路和差分放大转单端电路串联，其中，低通滤波电路与高通滤波电路串联形成带通滤波器，用于减少单路电压信号的高频噪声和杂散噪声，得到目标电压信号，在一种实施方式中，参见图5所示的一种滤波电路的结构示意图和图6所示的另一种滤波电路的结构示意图，采用巴特沃斯型滤波器来搭建滤波电路，可以通过低通滤波器和高通滤波器级联的方式形成带通滤波器，若要进一步提高滤波器的阶数，增加带通范围外噪声的衰减速度，可以再此基础上继续级联低通滤波器和高通滤波器达到所要的效果，在另一种实施方式中，低通滤波电路采用品质因素Q为0.707的巴特沃斯型滤波器，高通滤波电路同样采用品质因素Q为0.707型的二阶高通滤波器，通过有源滤波器的级联可以轻松实现带通滤波器，对有用信号衰减幅度小，对通带外的噪声大幅衰减，不仅抑制了噪声，还提高了信噪比。
参见图7所示的一种电压转换电路的结构示意图，硬件电路还包括：信号转换模块，信号转换模块包括：电压转换电路，电压转换电路与高通滤波电路串联，其中，电压转换电路用于将目标电压信号衰减至外设采样芯片的工作电压范围内，在一种实施方式中，可以利用一个稳定的5V电压基准和三个电阻实现电压的转换，电压转换电路由三个电阻构成，第一电阻接在高通滤波器和隔离器的连接处，第二电阻一端接地，另一端接隔离器的输入，第三电阻一端接5V电源，另一端接隔离器的输入，根据基尔霍夫定律，按照需要调节三个电阻的阻值比例，将-5～5V的电压传换成0～3.3V，从而满足ADC采样芯片的电压输入范围要求。
参见图8所示的一种电源电路的结构示意图和图9所示的另一种电源电路的结构示意图，电荷信号采集调理装置还包括：电源电路，其中，电源电路用于向硬件电路提供稳定的工作电压：首先，将锂电池作为电源，在接入电源芯片之前使用保险丝和瞬态抑制二极管进行过压过流保护，然后，使用高精确度的电源芯片产生稳定的5V工作电压，最后，将该5V的工作电压接入电荷泵，产生稳定的-5V工作电压。
对于前述实施例提供的电荷信号采集调理装置，本发明实施例还提供了一种电荷信号采集调理系统，参见图10所示的一种电荷信号采集调理系统的结构示意图，外设采样芯片与电荷信号采集调理装置的硬件电路部分连接，用于对目标电压信号进行信号分析处理，从而分析定位管网漏损的准确位置。
本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电荷信号采集调理装置，其特征在于，包括：压电加速度传感器和硬件电路，所述硬件电路包括：信号采集模块和信号调理模块，所述信号采集模块分别与所述压电加速度传感器和所述信号调理模块电连接；其中，
所述压电加速度传感器用于将供水管道内产生的振动信号转换为微弱电荷信号，并将所述微弱电荷信号发送至所述信号采集模块；
所述信号采集模块用于将所述微弱电荷信号转换为电压信号，并将所述电压信号发送至所述信号调理模块；
所述信号调理模块用于对所述电压信号进行降噪处理，得到降噪处理后的目标电压信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：电荷放大转换电路；其中，
所述电荷放大转换电路用于将所述微弱电荷信号放大后转换为所述电压信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电荷放大转换电路包括：差分信号线和两组电荷放大器，所述差分信号线的一端与所述压电加速度传感器连接，所述差分信号的另一端分别与所述两组电荷放大器连接，所述电荷放大器包括：JFET型放大器、若干电阻电容和反馈网络；其中，
所述差分信号线用于传递所述微弱电荷信号；
所述电荷放大器用于将所述微弱电荷信号放大，并通过电容将所述微弱电荷信号转换为所述电压信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电荷放大器所包括的反馈网络和JFET型放大器的反向输入端和输出端并联；其中，
所述反馈网络用于降低所述电荷放大转换电路的偏置电压和失调电压。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反馈网络包括：直流伺服电路和反馈增益放大电路，所述直流伺服电路与所述反馈增益放大电路串联；其中，
所述直流伺服电路用于在所述电荷放大转换电路输出所述电压信号后，将反馈信号发送至所述电荷放大转换电路的输入端，用以降低所述电荷放大转换电路中，JFET型放大器本身所产生的所述失调电压，以及大电阻产生的偏置电流形成的所述偏置电压；
所述反馈增益放大电路用于使用小电阻实现低频响应。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号调理模块包括：差分放大转单端电路，所述差分放大转单端电路与电荷放大器串联；其中，
所述差分放大转单端电路用于将电荷放大转换电路输出的两路所述电压信号转变为单路电压信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号调理模块还包括：滤波电路，所述滤波电路包括：低通滤波电路和高通滤波电路，所述低通滤波电路分别与所述高通滤波电路和所述差分放大转单端电路串联；其中，
所述低通滤波电路与所述高通滤波电路串联形成带通滤波器，用于减少所述单路电压信号的高频噪声和杂散噪声，得到所述目标电压信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硬件电路还包括：信号转换模块，所述信号转换模块包括：电压转换电路，所述电压转换电路与高通滤波电路串联；其中，
所述电压转换电路用于将所述目标电压信号衰减至外设采样芯片的工作电压范围内。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：电源电路；其中，
所述电源电路用于向所述硬件电路提供稳定的工作电压。
10.一种电荷信号采集调理系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的电荷信号采集调理装置和外设采样芯片，所述外设采样芯片用于对所述目标电压信号进行信号分析处理。
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2023
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| CN117155325A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-01 | 中国海洋大学 | 一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路 |
| CN117155325B (zh) * | 2023-11-01 | 2024-01-30 | 中国海洋大学 | 一种矢量水听器的信号调理方法及调理电路 |
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