CN203203705U - 一种多通道振弦读数仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道振弦读数仪，包括：振弦传感器频率信号测量单元和高精密热敏电阻测量电路；所述振弦传感器频率信号测量单元包括：低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器及测频模块；所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC，所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC顺次连接。本实用新型设计简单、成本低廉，可满足大量传感器应用的场合。

Description

一种多通道振弦读数仪

技术领域

本实用新型涉及一种地质监测仪，尤其涉及一种多通道振弦读数仪。 

背景技术

现有的振弦式传感器具有结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强，测值可靠，精度与分辨力高和稳定性好等优点。其输出为频率信号便于远距离传输。可以直接与微机接口因而在土木、水利、矿山等领域得到广泛运用振弦式传感器的一般工作原理是钢弦放置在磁场中用一定方式对钢弦加以激振后钢弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动。因此，可以在拾振线圈中感应出电势感应电势的频率就是振弦的共振频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力具有函数关系，其张力或拉力与传感器所承受的压力或位移成线性关系。因此测得振弦的共振频率即可求出待测物理量（压力或位移）这类传感器有两种形式:一种是双线圈,一种是激振线圈。激振振弦让弦振动起来另一只是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转换为同频率的感应电动势的装置。 

另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振后拾振。单线圈振弦式传感器使用 中主要解决两个问题：第一激振方法：即用什么方法使振弦振起来。第二拾振方法：包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分。如果要使单线圈振弦式传感器被激励振动起来测量电路需要间断地馈送电流给传感器的激振线圈。 

不管哪种振弦式传感器其内部固有频率都会受到温度的影响而发生变化，因此大多数振弦式传感器内部都封装有热敏电阻，而振弦读数仪则可以精确测量该热敏电阻的阻值换算为温度，再通过温度补偿公式消除温度的影响，从而提高振弦传感器的测量精度。 

现有技术都是通过间歇激振方法和扫频激振方法 

间歇激振方法： 

如图1a和图1b所示，根据间歇激发的原理，激振电路必须间断地馈送电流给传感器的激励线圈，使振弦不断地激发起振。一般可用一张弛振荡器或多谐振荡器和继电器控制电源开关来实现。继电器在线圈通电时，将传感器与电源接通，这时电源提供电流给传感器的激振线圈，使磁铁吸住振弦，当继电器的线圈失电时传感器与电源断开与拾振电路相接，激振电流消失，电磁铁松开振弦，这样一吸一松，振弦产生自由振动。忽略空气的阻尼，振弦振动的频率即为振弦的固有振动频率这种间歇激振电路较为复杂，并且要使用电磁继电器，电磁继电器的体积大、功耗大、机械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大并且调节不能在线自动实现，从而使振弦起振有时较困难。 

扫频激振方法 

如图2a和图2b所示，扫频激振技术就是用一串连续的频率信号扫描输出去激励振弦传感器的激振线圈。当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态，可靠起振，振弦起振后，它在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频率由于激励信号的频率容易用软件方便控制，所以只要知道振弦固有频率的大致范围。一般来说，对一种已知的传感器其固有频率的大致范围是确定的，就用这个频率附近的激励信号去激发它，就能使振弦很快起振。 

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本实用新型提供了一种多通道振弦读数仪。所述技术方案如下： 

一种多通道振弦读数仪，包括：振弦传感器频率信号测量单元和高精密热敏电阻测量电路； 

所述振弦传感器频率信号测量单元包括：低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器及测频模块；所述低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器和测频模块顺次连接； 

所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC，所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC顺次连接；所述可编程增益ADC还与测频模块连接。 

本实用新型提供的技术方案的有益效果是： 

可实现多通道的振弦连续测量，提高了在生产中的实用性； 

可测量振弦信号的频率精度较高，可满足精密测量的需求； 

具备温度测量的功能，能够进行在线温度补偿，抵消振弦本身由于温度变化带来的固有频率漂移的影响，大大提高了检测精度； 

设计简单、成本低廉，可满足大量传感器应用的场合。 

附图说明

图1a和图1b是现有技术间歇激振方法结构示意图； 

图2a和图2b是现有技术扫频激振方法结构示意图； 

图3是多通道振弦读数仪电路结构示意图； 

图4a和图4b是低压电源变换电路结构图； 

图5是高压电源变换电路结构图； 

图6a和图6b是多路振弦激振切换开关电路结构图； 

图7a和图7b是多路前置信号处理保护电路结构图； 

图8a和图8b是多路模拟选择开关电路结构图； 

图9是差分仪表放大器电路结构图； 

图10是多级有源带通滤波放大器电路结构图； 

图11是高速比较器电路结构图； 

图12a和图12b是测频模块电路结构图； 

图13是高精度热敏电阻测量电路结构图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述： 

如图3所示，展示了多通道振弦读数仪电路结构，包括振弦传感器频率信号测量单元和高精密热敏电阻测量电路； 

所述振弦传感器频率信号测量单元包括：低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器及测频模块；所述低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器和测频模块顺次连接； 

所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC，所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表 放大器及可编程增益ADC顺次连接；所述可编程增益ADC还与测频模块连接。 

如图4a和4b所示，上述低压电源变换电路实现单路正电源变换得到正负5伏电源，正3.3伏电源。 

如图5所示，上述高压电源变换电路实现低压5伏升压变换得到100伏直流电源的功能，上述高压电源变换电路采用LM2586S升降压DC-DC芯片。该芯片自带电源关断功能，可在成功激励振弦传感器后，迅速关断该芯片，从而减小该DC-DC芯片工作给地线带来的噪声干扰，提高振弦读数的精度。 

如图6a和图6b所示，上述多通道振弦激振切换开关对每个振弦传感器轮流激振的方式实现多路振弦信号的激励，且多通道振弦激振切换开关设置有实现高压轮流切换并起到对振弦传感器激震效果的耐高压PMOS管及可以串并转换的74HC164芯片，为了节约端口，采用的74HC164串并转换芯片。为了能够使用某些三线制带测温功能的振弦传感器，使用Q4可以在测温和测振弦信号之间进行切换。 

采用上述多路前置信号处理保护电路，是由于激励电源为高压信号，因此为了保证后级放大器的安全，需要有合适的前置信号处理及保护电路如图7a和图7b所示。 

如图8a和图8b所示，上述多路模拟选择开关是经过多路前置信号处理保护后的振弦传感器的激励信号由74HC4051切换选择到后级的仪表放大器实现信号的放大。 

如图9所示，差分仪表放大器采用了AD623外置电阻的仪表放大器实现振弦激励信号的一级放大，采用差分放大的优势是可以尽可能的提高信噪比，抑制工模噪声。 

由于经过仪表放大器后的振弦激励信号中包含有环境中的工频噪声，电路板自身噪声，而且振弦激励信号本身非常微弱，因此必须设计性能优异的有源带通滤波器，滤除干扰噪声，只保留有用信号。如图10所示上述多级有源带通滤波放大器采用Sallen-Key有源带通滤波器，并且该滤波器采用Linear单片开关电容滤波LTC1569滤除高频噪声。 

如图11所示，高速比较器，经过带通滤波后的振弦激励信号，已经被放大到足够的电压幅度，整体为正弦波等幅衰减信号，因此需要一个高速比较器将该信号变换为方波信号，最终实现频率的测量。 

如图12a和图12b所示，测频模块，采用运行主频可达72MHz、片内有16位定时计数器的Cortex-M3内核的高速控制器芯片，通过使用该定时器完成振弦激励信号的脉宽测量，通过多次测量取平均的方式降低测量噪声。 

图13所示，高精度热敏电阻测量电路，为了实现对热敏电阻的高精度测量，需要设计有高稳定度、高精度的恒流源以及高分辨率的模数转换器。如图12所示，U13为高精度的1.25V精密基准源，提供电压基准。高精度低压轨至轨运算放大器U14与U13、R98、模拟开关构成了基于恒流源的电阻测量电路。经过恒流源驱动得到的与热敏电阻成正比的电压信号由U17高精度仪表放大器放大后，接入到可编程增 益的16位分辨率模数转换器，由模数转换器转换后送入测频ARM模块。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种多通道振弦读数仪，其特征在于，包括：振弦传感器频率信号测量单元和高精密热敏电阻测量电路；

所述振弦传感器频率信号测量单元包括：低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器及测频模块；所述低压电源变换电路、高压电源变换电路、对多个振弦传感器轮流激振的多通道振弦激振切换开关、多路前置信号处理保护电路、多路模拟选择开关、差分仪表放大器、多级有源带通滤波放大器、高速比较器和测频模块顺次连接；

所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC，所述高精密热敏电阻测量电路包括基准源、精密恒流源、多路低值模拟开关、高频仪表放大器及可编程增益ADC顺次连接；所述可编程增益ADC还与测频模块连接。

2.根据权利要求1所述的多通道振弦读数仪，其特征在于，所述高压电源变换电路采用LM2586S升降压DC-DC芯片。

3.根据权利要求1所述的多通道振弦读数仪，其特征在于，所述多通道振弦激振切换开关设置有实现高压轮流切换并起到对振弦传感器激震效果的耐高压PMOS管及可以串并转换的74HC164芯片。

4.根据权利要求1所述的多通道振弦读数仪，其特征在于，所述差分仪表放大器采用AD623外置电阻的仪表放大器实现振弦激励信号的一级放大。

5.根据权利要求1所述的多通道振弦读数仪，其特征在于，所述多级有源带通滤波放大器采用Sallen-Key有源带通滤波器，并且该滤波器采用Linear单片开关电容滤波LTC1569滤除高频噪声。

6.根据权利要求1所述的多通道振弦读数仪，其特征在于，所述测频模块采用运行主频可达72MHz、片内有16位定时计数器的Cortex-M3内核的高速控制器芯片。

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