CN117433623A - 一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测读仪校准设备技术领域，特别涉及一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，包括电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块和校准连接模块，所述显示控制模块、主控单元和信号发生模块均与电源模块的输出端相连接，所述主控单元采用STM32F429IGT6型芯片，通过设置校准连接模块，在校准连接模块内设有变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，有利于将测读仪本体的激励信号衰减至1V以下，能够隔离测读仪激励信号的反向击穿电压；通过设置电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块、校准连接模块和测读仪本体，采用模块化架构设计，有利于确保各个模块独立运行可组合，装置测试输出到测读仪本体的信号精准和频率准确度高。
Description
技术领域
本发明属于测读仪校准设备技术领域，特别涉及一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置。
背景技术
测读仪是利用磁感应振弦原理来实测频率测量的仪器，频率f是其最基本的测读物理量，再通过内部换算将频率转换成对应的应变ε、应力δ、受力F、压强P等参数显示出来，被广泛应用于桥梁、隧道、水库、大坝、道路和其他建筑工程等的安全监测和安全诊断，是确保工程建设安全的重要技术手段。
测读仪内部主要部件是一根材质与尺寸经过特制的钢弦，其周围布有磁感线圈，当磁感线圈接收到一个脉冲电流时，磁感线圈磁力作用会使钢弦偏离平衡位置并开始振动，此时钢弦受力发生形变，使钢弦的固有频率相应变化，从而测量钢弦的实际振动频率，再经过换算从而得到承受的拉力、应力、渗压、沉降等应力的数据；测读仪的频率参数的准确性是保障工程安全有重要的因素，因此科学合理地开展测读仪量值溯源工作至关重要。
目前，测读仪相关的规程规范是采用利用低频信号发生器对测读仪的频率参数进行溯源校准，但是由于低频信号发生器是通用设备，不是测量测读仪的专用设备，在校准脉冲高压式和脉冲低压式测读仪时易被测读仪内部产生的超过40V的激励信号反向击穿，从而导致测量产生偏差或损坏低频信号发生器。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种能够隔离测读仪激励信号的反向击穿电压，实现单向输出无反射的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，包括电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块和校准连接模块，所述显示控制模块、主控单元和信号发生模块均与电源模块的输出端相连接，所述主控单元采用STM32F429IGT6型芯片，所述主控单元的通信串口USART2与显示控制模块相连接，所述主控单元的通信串口USART1与信号发生模块相连接，所述校准连接模块的一端与信号发生模块相连接，所述信号发生模块内设有高速数字信号处理器，所述高速数字信号处理器采用C8051F120型高速数字信号处理器，所述校准连接模块内包括变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，所述变桥T型衰减器电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述瞬间抑制电路包括第五电阻、第六电阻、第一开关和双向瞬间抑制二极管，所述第一电阻的第一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端相连接，所述第三电阻并联于第一电阻和第二电阻两端，所述第一电阻的第二端和第二电阻的第一端均与第四电阻的第一端相连接，所述第五电阻的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的另一端与第四电阻的另一端相连接，所述第六电阻并联于第五电阻两端，所述第一开关的一端与第六电阻相连接，所述第一开关的另一端与第五电阻相连接。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，还包括测读仪本体，所述信号发生模块通过BNC连接线与校准连接模块相连接，所述测读仪本体通过鳄鱼夹测试线与信号发生模块相连接。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，所述显示控制模块采用TFT串口触摸显示屏。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，所述高速数字信号处理器内设有DDS数字单元，所述DDS数字单元内设有标准参考频率源、预分频模块、累加步长控制、相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器，所述预分频模块与相位累加器相连接，所述相位累加器与波形ROM相连接，所述波形ROM与D/A转换器相连接，所述D/A转换器与低通滤波器相连接，所述标准参考频率源与预分频模块相连接，所述累加步长控制与相位累加器相连接。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，所述电源模块内设有L7805芯片和AMS1117-3.3V芯片，所述L7805芯片与AMS1117-3.3V芯片相连接。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，所述双向瞬间抑制二极管采用SMFJ5.0CA型二极管。
上述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置中，还包括上位机，所述主控单元的RS-232串口与上位机相连接。
（三）有益效果
本发明的有益效果是：通过设置校准连接模块，在校准连接模块内设有变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，有利于将测读仪本体的激励信号衰减至1V以下，能够隔离测读仪激励信号的反向击穿电压；增加大功率电阻的选择方案，使得校准装置不仅适用于脉冲高压式测读仪的校准，也可适用于脉冲低压式测读仪的校准场景，扩展了校准装置的适用范围；通过设置电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块、校准连接模块和测读仪本体，采用模块化架构设计，有利于确保各个模块独立运行可组合，装置测试输出到测读仪本体的信号精准和频率准确度高。
附图说明
图1为本发明基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置的结构示意图；
图2为本发明基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置的DDS数字单元的结构示意图；
图3为本发明基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置的变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路的结构示意图；
图4为本发明基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置的电源模块的结构示意图。
【附图标记说明】
1、电源模块；2、显示控制模块；3、主控单元；4、信号发生模块；5、校准连接模块；6、测读仪本体；7、高速数字信号处理器；8、变桥T型衰减器电路；9、瞬间抑制电路；10、BNC连接线；11、DDS数字单元；12、标准参考频率源；13、预分频模块；14、累加步长控制；15、相位累加器；16、波形ROM；17、D/A转换器；18、低通滤波器；19、L7805芯片；20、AMS1117-3.3V芯片；21、第一电阻；22、第二电阻；23、第三电阻；24、第四电阻；25、第五电阻；26、双向瞬间抑制二极管；27、上位机；28、鳄鱼夹测试线；29、第六电阻；30、第一开关。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明最关键的构思在于：通过设置校准连接模块，在校准连接模块内设有变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路；设置电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块和校准连接模块。
请参照图1至图4所示，一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，
包括电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块和校准连接模块，所述显示控制模块、主控单元和信号发生模块均与电源模块的输出端相连接，所述主控单元采用STM32F429IGT6型芯片，所述主控单元的通信串口USART2与显示控制模块相连接，所述主控单元的通信串口USART1与信号发生模块相连接，所述校准连接模块的一端与信号发生模块相连接，所述信号发生模块内设有高速数字信号处理器，所述高速数字信号处理器采用C8051F120型高速数字信号处理器，所述校准连接模块内包括变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，所述变桥T型衰减器电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述瞬间抑制电路包括第五电阻、第六电阻、第一开关和双向瞬间抑制二极管，所述第一电阻的第一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端相连接，所述第三电阻并联于第一电阻和第二电阻两端，所述第一电阻的第二端和第二电阻的第一端均与第四电阻的第一端相连接，所述第五电阻的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的另一端与第四电阻的另一端相连接，所述第六电阻并联于第五电阻两端，所述第一开关的一端与第六电阻相连接，所述第一开关的另一端与第五电阻相连接。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过设置校准连接模块，在校准连接模块内设有变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，有利于将测读仪本体的激励信号衰减至1V以下，能够隔离测读仪激励信号的反向击穿电压；增加大功率电阻的选择方案，使得校准装置不仅适用于脉冲高压式测读仪的校准，也可适用于脉冲低压式测读仪的校准场景，扩展了校准装置的适用范围；通过设置电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块、校准连接模块和测读仪本体，采用模块化架构设计，有利于确保各个模块独立运行可组合，装置测试输出到测读仪本体的信号精准和频率准确度高。
请参照图1至图4所示，本发明的实施例一为：
一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，包括电源模块1、显示控制模块2、主控单元3、信号发生模块4和校准连接模块5，所述显示控制模块2、主控单元3和信号发生模块4均与电源模块1的输出端相连接，所述主控单元3采用STM32F429IGT6型芯片，所述主控单元3的通信串口USART2与显示控制模块2相连接，所述主控单元3的通信串口USART1与信号发生模块4相连接，所述校准连接模块5的一端与信号发生模块4相连接，所述信号发生模块4内设有高速数字信号处理器7，所述高速数字信号处理器7采用C8051F120型高速数字信号处理器7，所述校准连接模块5内包括变桥T型衰减器电路8和瞬间抑制电路9。
还包括测读仪本体6，所述信号发生模块4通过BNC连接线10与校准连接模块5相连接，所述测读仪本体6通过鳄鱼夹测试线28或香蕉头测试线与信号发生模块4相连接。
通过还包括测读仪本体6，所述信号发生模块4通过BNC连接线10与校准连接模块5相连接，所述测读仪本体6通过鳄鱼夹测试线28与信号发生模块4相连接，有利于提高工作人员连接校准连接模块5、信号发生模块4和测读仪本体6的便捷性和抗干扰的能力。
所述显示控制模块2采用TFT串口触摸显示屏。
通过显示控制模块2采用TFT串口触摸显示屏，有利于将信号发生模块4传送给主控单元3的波形进行处理后显示出来，可以直接进行试验参数设置和测试数据的发送和接收，实现人机交互。
所述高速数字信号处理器7内设有DDS数字单元11，所述DDS数字单元11内设有标准参考频率源12、预分频模块13、累加步长控制14、相位累加器15、波形ROM16、D/A转换器17和低通滤波器18，所述预分频模块13与相位累加器15相连接，所述相位累加器15与波形ROM16相连接，所述波形ROM16与D/A转换器17相连接，所述D/A转换器17与低通滤波器18相连接，所述标准参考频率源12与预分频模块13相连接，所述累加步长控制14与相位累加器15相连接。
通过高速数字信号处理器7内设有DDS数字单元11，所述DDS数字单元11内设有标准参考频率源12、预分频模块13、累加步长控制14、相位累加器15、波形ROM16、D/A转换器17和低通滤波器18，所述预分频模块13与相位累加器15相连接，所述相位累加器15与波形ROM16相连接，所述波形ROM16与D/A转换器17相连接，所述D/A转换器17与低通滤波器18相连接，所述标准参考频率源12与预分频模块13相连接，所述累加步长控制14与相位累加器15相连接，实现波形数据的产生、实时信号的控制，与主控单元3进行数据通信，可以实现正弦波、三角波、方波和矩形波四种波形的产生以及调频功能，并能将波形参数信息发送给主控单元3。
所述电源模块1内设有L7805芯片19和AMS1117-3.3V芯片20，所述L7805芯片19与AMS1117-3.3V芯片20相连接。
通过电源模块1内设有L7805芯片19和AMS1117-3.3V芯片20，所述L7805芯片19与AMS1117-3.3V芯片20相连接，有利于利用桥式整流、有源滤波和开关电源技术，实现稳压、降噪、隔离和交直流转换，将AC220Ｖ输入变换为DC5Ｖ和DC3.3V,为各个模块提供工作电源，并且具备、短路保护、过压保护、欠压保护和过流保护等保护功能。
所述变桥T型衰减器电路8包括第一电阻21、第二电阻22、第三电阻23和第四电阻24，所述瞬间抑制电路9包括第五电阻25、第六电阻29、第一开关30和双向瞬间抑制二极管26，所述第一电阻21与第二电阻22相串联连接，所述第三电阻23并联于第一电阻21和第二电阻22两端，所述第四电阻24的一端与第一电阻21和第二电阻22之间相连接，所述第五电阻25的一端与第二电阻22的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管26的一端与第二电阻22的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管26的另一端与第四电阻24的另一端相连接，所述第六电阻29并联于第五电阻25两端，所述第一开关30的一端与第六电阻29相连接，所述第一开关30的另一端与第五电阻25相连接。
通过变桥T型衰减器电路8包括第一电阻21、第二电阻22、第三电阻23和第四电阻24，所述瞬间抑制电路9包括第五电阻25、第六电阻29、第一开关30和双向瞬间抑制二极管26，所述第一电阻21与第二电阻22相串联连接，所述第三电阻23并联于第一电阻21和第二电阻22两端，所述第四电阻24的一端与第一电阻21和第二电阻22之间相连接，所述第五电阻25的一端与第二电阻22的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管26的一端与第二电阻22的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管26的另一端与第四电阻24的另一端相连接，所述第六电阻29并联于第五电阻25两端，所述第一开关30的一端与第六电阻29相连接，所述第一开关30的另一端与第五电阻25相连接，有利于隔离测读仪激励信号的反向击穿电压；增加大功率电阻的选择方案，使得校准装置不仅适用于脉冲高压式测读仪的校准，也可适用于脉冲低压式测读仪的校准场景，扩展了校准装置的适用范围。
所述双向瞬间抑制二极管26采用SMFJ5.0CA型二极管。
通过双向瞬间抑制二极管26采用SMFJ5.0CA型二极管，瞬间抑制二极管26还可选用SMFJ5.0CA型、SMDJ5.0CA型和SMBJ5.0CA型，有利于承受200V以上的反向电压。
还包括上位机27，所述主控单元3的RS-232串口与上位机27相连接。
通过还包括上位机27，所述主控单元3的RS-232串口与上位机27相连接，有利于进行数据通信，实现整个装置的正常工作。
本发明所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置的工作原理：使用时，将校准连接模块5的输出口与测读仪本体6的输入口直接连接，用户通过显示控制模块2设置输出正弦波，配合调节TFT串口触摸显示屏上的模拟衰减比例旋钮，可对正弦波信号进行0dB、10dB、20dB和30dB衰减；校准时，测读仪本体6的激励信号经过校准连接模块5后，可将激励信号幅值衰减至1V以下，确保激励信号不会对信号发生模块4产生损坏；同时正弦信号不失真、频率准确度不降低地经过校准连接模块5输入到测读仪本体6，确保校准过程的顺利进行。
电源模块1将AC220Ｖ输入变换为DC5Ｖ和DC3.3V，为各个模块提供工作电源；主控单元3的通信串口USART2与显示控制模块2连接，以实现用户输入的指令的接收；主控单元3的通信串口USART1与信号发生模块4连接，将波形的类型、频率、幅度、偏置、占空比和相位等信息传输至高速数字信号处理器7(C8051F120)，以实现指定波形的输出，校准连接模块5通过BNC连接线10与信号发生模块4和被校测读仪本体6相连接。
主控单元3采用STM32F429IGT6作为核心处理器，由电源模块1提供的3.3V驱动，负责协调各模块的运行和进行数据运算和存储，作为装置的核心，能够完成人机界面的设计，实现人机信息互动，实现系统信息显示，协调控制各模块之间的联通，通过计算产生波形数据以及相应的控制命令实现波形输出和显示，通过RS-232串口或网口可与上位机27进行数据通信，实现整个装置的正常工作。
显示控制模块2采用的是TFT串口触摸显示屏，可以与主控单元3联通，完成控制和显示功能，接收来自主控单元3的控制信号及数据信号，将信号发生模块4传送给主控单元3的波形进行处理后显示出来，可以直接进行试验参数设置和测试数据的发送和接收，实现人机交互。
信号发生模块4主要由C8051F120型高速数字信号处理器7及其外围电路组成，采用DDS(直接数字频率合成)技术来实现波形数据的产生、实时信号的控制，与主控单元3进行数据通信，可以实现正弦波、三角波、方波和矩形波四种波形的产生以及调频功能，并能将波形参数信息发送给主控单元3；信号发生模块4的运行速度可达100MHz或50MIPS，自带两个12位DAC，转换速率最高可达100ksps，具有硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和USART串行接口, 可以准确、无迟滞地产生高频率的波形信号，同时其自带的ADC和SPI等数字接口可方便进行系统接口扩展。
信号发生模块4内部集成了DDS数字单元11，其基本结构主要由标准参考频率源12（外置）、预分频模块13、累加步长控制14、相位累加器15、波形ROM16、D/A转换器17和低通滤波器18（外置）构成，基本结构图如附图2所示；在时钟脉冲的控制下，频率控制字K由累加器得到相应的相码，相码寻址波形存储器进行相码-幅码变换输出不同的幅度编码，经过 D/A转换器转换成得到相应的阶梯波，最后经低通波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字K决定的连续变化的波形信号，再通过运放进行滤波、 整形、放大等处理输出波形fo。
电源模块1可满足整个装置的供电需求，为主控单元3、信号发生模块4和显示控制模块2供电；其核心芯片为 L7805和AMS1117-3.3V，利用桥式整流、有源滤波和开关电源技术，实现稳压、降噪、隔离和交直流转换，将AC220Ｖ输入变换为DC5Ｖ和DC3.3V,为各个模块提供工作电源，并且具备、短路保护、过压保护、欠压保护和过流保护等保护功能。
校准连接模块5主要由变桥T型衰减器电路8和瞬间抑制电路9部分两组成，其原理图如附图3所示，通过BNC连接线10连接信号发生模块4和被校测读仪本体6；可变桥T型衰减器电路8则是采用可变桥T型衰减器电路8原理进行设计，可根据不同的校准需求，通过调节第一电阻21、第二电阻22和第三电阻23的阻值来调整衰减比例，可变桥T型衰减器电路8可设置0dB、10dB、20dB、和30dB四个衰减比例；瞬间抑制电路9由双向瞬间抑制二极管26和第五电阻25构成，根据激励信号的特点选用双向瞬间抑制二极管26SMFJ5.0CA，能够承受200V以上的反向电压，响应速率小于1ps，箝位电压7V左右；第五电阻25采用50W、2kΩ的大功率电阻可削弱峰值突变，使箝位后的波形平滑，幅值更稳定。第六电阻29采用50W、1kΩ的大功率电阻，除上述作用外，更适用于脉冲低压式测读仪的校准。
综上所述，本发明提供的一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，通过设置校准连接模块，在校准连接模块内设有变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，有利于将测读仪本体的激励信号衰减至1V以下，能够隔离测读仪激励信号的反向击穿电压；增加大功率电阻的选择方案，使得校准装置不仅适用于脉冲高压式测读仪的校准，也可适用于脉冲低压式测读仪的校准场景，扩展了校准装置的适用范围；通过设置电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块、校准连接模块和测读仪本体，采用模块化架构设计，有利于确保各个模块独立运行可组合，装置测试输出到测读仪本体的信号精准和频率准确度高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，包括电源模块、显示控制模块、主控单元、信号发生模块和校准连接模块，所述显示控制模块、主控单元和信号发生模块均与电源模块的输出端相连接，所述主控单元采用STM32F429IGT6型芯片，所述主控单元的通信串口USART2与显示控制模块相连接，所述主控单元的通信串口USART1与信号发生模块相连接，所述校准连接模块的一端与信号发生模块相连接，所述信号发生模块内设有高速数字信号处理器，所述高速数字信号处理器采用C8051F120型高速数字信号处理器，所述校准连接模块内包括变桥T型衰减器电路和瞬间抑制电路，所述变桥T型衰减器电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述瞬间抑制电路包括第五电阻、第六电阻、第一开关和双向瞬间抑制二极管，所述第一电阻的第一端与信号输入端相连接，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端相连接，所述第三电阻并联于第一电阻和第二电阻两端，所述第一电阻的第二端和第二电阻的第一端均与第四电阻的第一端相连接，所述第五电阻的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的一端与第二电阻的另一端相连接，所述双向瞬间抑制二极管的另一端与第四电阻的另一端相连接，所述第六电阻并联于第五电阻两端，所述第一开关的一端与第六电阻相连接，所述第一开关的另一端与第五电阻相连接。
2.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，还包括测读仪本体，所述信号发生模块通过BNC连接线与校准连接模块相连接，所述测读仪本体通过鳄鱼夹测试线与信号发生模块相连接。
3.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，所述显示控制模块采用TFT串口触摸显示屏。
4.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，所述高速数字信号处理器内设有DDS数字单元，所述DDS数字单元内设有标准参考频率源、预分频模块、累加步长控制、相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器，所述预分频模块与相位累加器相连接，所述相位累加器与波形ROM相连接，所述波形ROM与D/A转换器相连接，所述D/A转换器与低通滤波器相连接，所述标准参考频率源与预分频模块相连接，所述累加步长控制与相位累加器相连接。
5.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，所述电源模块内设有L7805芯片和AMS1117-3.3V芯片，所述L7805芯片与AMS1117-3.3V芯片相连接。
6.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，所述双向瞬间抑制二极管采用SMFJ5.0CA型二极管。
7.根据权利要求1所述的基于瞬间抑制的高精准测读仪校准装置，其特征在于，还包括上位机，所述主控单元的RS-232串口与上位机相连接。
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- 2023-12-21 CN CN202311772604.3A patent/CN117433623A/zh active Pending
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