CN206556678U - 一种振弦式传感器的读取数据装置 - Google Patents

Abstract

公开一种振弦式传感器的读取数据装置，其集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。其包括直流泵压器、高压采样器、高压开关、第一防雷器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器、中央处理器MCU、电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口。

Description

一种振弦式传感器的读取数据装置

技术领域

本实用新型属于电子技术和工程监测的技术领域，具体地涉及一种振弦式传感器的读取数据装置。

背景技术

振弦式传感器也叫做钢弦式传感器，是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强(近距离)、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(一般为mV级正弦波)，广泛应用于岩土、混凝土、钢结构工程测试中。

钢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，钢弦将会发生振动，振动的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势，感应电势(钢弦切割磁力线，在线圈中产生微弱电信号)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成线性关系，因此测得钢弦的共振频率即可求出待测钢弦的绷紧程度(张拉应力)，利用这一特性，制作出各式各样的传感器，如压力、位移等，压力或位移的改变导致钢弦绷紧程度发生变化，其共振频率也相应发生改变，测量频率值即可计算出传感器所受的压力或位移值。钢弦的“绷紧”程度即是钢弦的应力状态，钢弦应力与其共振频率满足公式

上式中：

f：钢弦的频率值

L：钢弦长度

σ：钢弦所受到的张拉应力

ρ：钢弦材料的密度

对于已经制作完成的钢弦传感器，钢弦的长度、钢弦材料的密度为已知量，故此，钢弦受到的张拉应力与钢弦共振频率有一一对应关系，张拉应力受到传感器外部环境的影响(如压力)而改变，从而通过频率值即可计算出外部环境的值。

这类传感器有两种形式：一种是双线圈，其中一个线圈是激振线圈，激振振弦让钢弦振动起来，另一个是拾振线圈，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。

振弦式读数仪主要解决两个问题：怎样让钢弦振起来以及怎样获取钢弦振起来后产生的频率值。

振弦式原理是目前工程领域应用最为广泛的一类传感器，传感器技术十分成熟，用量巨大，随着科学技术的发展，信息化、自动化已成大势所趋，但是目前还没有用于实现振弦式传感器方便的接入已有信息化采控设备的专业核心部件(模块、转换器)，使信息化进程不能迅速、科学、快速的实现。

发明内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种振弦式传感器的读取数据装置，其集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。

本实用新型的技术解决方案是：这种振弦式传感器的读取数据装置，其包括直流泵压器、高压采样器、高压开关、第一防雷器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器、中央处理器MCU、电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口；

直流泵压器与MCU、高压采集器、高压开关连接，在MCU控制下实现低电压向高电压转换，其输出的高电压用于向振弦式传感器发送高压脉冲激励信号；

高压采样器向MCU提供电压信号；

高压开关与MCU和直流泵压器的高压输出线路连接，在MCU控制下，接通或切断高压线路与振弦式传感器内的钢弦线圈的连接；

第一防雷器与第二防雷器传输数据，第二防雷器连接振弦式传感器；低压扫频器在MCU控制下，将直流低压电流信号以一定规则传输给振弦传感器的钢弦线圈，低压扫频器的输出信号在方波和正弦波之间进行切换；

高压阻尼器的高压侧与第一防雷器、高压开关连接，高压阻尼器的低压侧与传感器检测采样器、第一温度采集器、滤波跟随器、低压扫频器连接；

第一温度采集器用于检测振弦传感器内的温度传感器，第二温度采集器用于检测时钟基准的温度传感器，采集两个温度值，分别进行钢弦自振频率和时钟基准受温度影响的频率修正；第二温度采集器与时钟基准电路安装于电路板相同位置；

滤波跟随器与高压阻尼器、滤波放大器连接；

滤波放大器与MCU、滤波跟随器、检波器连接，滤波放大器为可编程放大器，放大倍数依据传感器返回原始信号质量由MCU根据其寄存器参数设置；

信号幅度探测器与MCU、滤波放大器的输出连接，探测放大后的振弦信号幅值；

检波器与MCU、滤波放大器的输出连接，将放大后的正弦信号转换为矩形波信号，送给MCU进行信号周期统计；

电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口分别与MCU连接。

本实用新型通过MCU控制直流泵压器让钢弦振起来，通过MCU控制高压采样器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器来获取钢弦振起来后产生的频率值，因此该振弦式传感器的读取数据装置集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的振弦式传感器的读取数据装置的结构示意图。

具体实施方式

从图1中可以看出，这种振弦式传感器的读取数据装置，其包括直流泵压器、高压采样器、高压开关、第一防雷器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器、中央处理器MCU、电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口；

直流泵压器与MCU、高压采集器、高压开关连接，在MCU控制下实现低电压向高电压转换，其输出的高电压用于向振弦式传感器发送高压脉冲激励信号；

高压采样器向MCU提供电压信号；

高压开关与MCU和直流泵压器的高压输出线路连接，在MCU控制下，接通或切断高压线路与振弦式传感器内的钢弦线圈的连接；

第一防雷器与第二防雷器传输数据，第二防雷器连接振弦式传感器；低压扫频器在MCU控制下，将直流低压电流信号以一定规则传输给振弦传感器的钢弦线圈，低压扫频器的输出信号在方波和正弦波之间进行切换；

高压阻尼器的高压侧与第一防雷器、高压开关连接，高压阻尼器的低压侧与传感器检测采样器、第一温度采集器、滤波跟随器、低压扫频器连接；

第一温度采集器用于检测振弦传感器内的温度传感器，第二温度采集器用于检测时钟基准的温度传感器，采集两个温度值，分别进行钢弦自振频率和时钟基准受温度影响的频率修正；第二温度采集器与时钟基准电路安装于电路板相同位置；

滤波跟随器与高压阻尼器、滤波放大器连接；

滤波放大器与MCU、滤波跟随器、检波器连接，滤波放大器为可编程放大器，放大倍数依据传感器返回原始信号质量由MCU根据其寄存器参数设置；

信号幅度探测器与MCU、滤波放大器的输出连接，探测放大后的振弦信号幅值；

检波器与MCU、滤波放大器的输出连接，将放大后的正弦信号转换为矩形波信号，送给MCU进行信号周期统计；

电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口分别与MCU连接。

本实用新型通过MCU控制直流泵压器让钢弦振起来，通过MCU控制高压采样器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器来获取钢弦振起来后产生的频率值，因此该振弦式传感器的读取数据装置集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。

由于滤波放大器为可编程放大器，放大倍数由MCU根据其寄存器参数设置，通过程控信号放大器的放大倍数，可以动态的根据原始信号进行期望倍数的电压幅值放大，便于信号采集。再者，根据实时的动态放大倍数、采集到的放大后的信号幅值，可以反算传感器原始信号幅值，从而实现原始信号的质量评价(与传感器输出信号幅值相关的信号质量)，以便当信号幅值过强或过弱时调节激励方法、激励电压(不论是高压激励还是低压激励)。不管是高压激励还是低压激励，激励信号的幅值是程控的，目的就是为了根据当前传感器输出的原始信号来动态调整激励方式，以达到动态适应不同厂家、不同型号传感器的目的。所以，本实用新型的一个特色是通过这种结构来最大限度适应不同的传感器，让传感器输出信号及放大后的用于采集计算频率的信号达到最优状态，提高测量精度。

另外，所述直流泵压器的泵压通过LC泵压电路或交变脉冲变压器实现。

另外，所述高压采样器使用高精电阻分压转换成低电压信号由ADC转换成数字量传递给MCU，或者通过ADC数字转换芯片转换成数字量后传递给MCU。

另外，所述高压开关是高压MOS开关管，或中小型继电器。

另外，所述防雷器为多个独立通道，分别传输振弦激励信号和返回信号、温度传感器的双向数字或模拟信号。

另外，方波通过MCU+隔离电路(如光耦)+驱动增强电路实现；正弦波通过MCU的DAC功能或直接使用可编程的函数发生器，再使用驱动增强电路输出；驱动增强电路使用三极管、MOS管、运算放大器来实现；低压扫频器有一路独立的受MCU控制的开关，开关分别与滤波放大器和高压阻尼器的扫频线路通道连接，用于在必要时将滤波放大后的同相高幅值正弦波信号反馈传输给振弦传感器的线圈。

另外，所述高压阻尼器是多通道运算放大器电路，或者电感缓冲+电压钳位电路，或者以高压信号为关断门限的MOS管电路。

另外，所述温度传感器为热敏电阻或数字温度传感器DS18B20。

另外，所述检波器是可编程施密特触发检波器。

可编程施密特触发检波器，对基准比较值自动进行动态调整的比较器，屏蔽幅值过低的信号不进行方波输出(如电源纹波，干扰噪声等)，对于强度超过一定量的周期信号进行方波转化输出给MCU。配合幅度探测器的峰值探测功能，可优选信号幅值适中的一段信号进行采集统计。

可编程窗口比较检波器：对信号幅值上下限均进行可编程限制(施密特触发检波器只屏蔽小信号，对幅值大的信号不限制)。可优选信号幅值适中的一段信号进行方波转化输出。

可编程微控制器MCU，与本实用新型各器件连接，在固件程序控制下，完成协调流程、振弦传感器数据采集、数字接口通讯、模拟接口输入输出等工作。可以为单片机、DSP等逻辑编程器件。

存储器与MCU连接，受MCU控制，保存工作寄存器数据、历史传感器数据、信号频谱数据等。

RTC实时时钟与MCU连接，实时时钟，使用备用电池供电。

数字通讯接口包含了多种标准的数字接口，UART、RS232、RS485、ISP、IIC、CAN，通过数字接口与上位机进行双向通讯。

为满足模块嵌入到其它测量电路，便于集成开发，本模块对外数字接口包括UART、RS232、RS485、SPI、IIC、CAN。UART、SPI、IIC、CAN接口是电子电路中最为常用的数字接口，通过这些接口可与模块进行数据通讯，控制模块工作、读取测量数据。RS232、RS485是标准计算机接口，可方便接入计算机系统。另外，由于本模块带有设备地址，且设备地址可由用户配置，故可结合数字总线接口实现一主多从的多模块集成网络(UART、RS232接口不是总线接口，其它几个全是)应用。

采用工业通用协议MODBUS，可直接接入工业测控网络。

模拟接口包括若干用于输入输出的接口，输出接口用于输出运行状态、报警信息、传感器频率值、传感器温度值、信号质量、频谱数据等；输入接口用于多路通用ADC、低功耗控制、设备地址设置等。模拟量表示的频率值、温度值实现了振弦传感器由微弱正弦频率信号转变为常规工业标准电压、电流信号的功能，使振弦传感器可直接接入已经十分成熟的模拟量测量系统中；多路通用ADC接口，可将现场多种传感器的标准模拟信号直接接入，转换为标准数字接口传输给上位机；报警信息输出功能可用于现场预警，可使号经由传输线传输给上位机；运行状态指示可用电平信号显示传感器状态和本实用新型模块的工作状态。

模拟量表示的频率值：将测量到的传感器转化为工业模拟信号，便于接入已有模拟量采控系统。转化后的模拟量可以为电压或电流信号以及用占空比表示频率值的脉冲信号，电压信号为±5V、0～2V、0～5V，电流信号为0～20mA、4～20mA，脉冲信号用高电平表示频率，高电平待续时长表示频率值。

为了保证模拟信号精度，电压电流信号使用双路输出，增大模拟量范围，保障精度(说明：用0～5V表示500～5000Hz时，基本上1mV代表1Hz，1mV对于性能一般的采控设备来说无法很好的分辨出来，本实用新型采用两路信号输出，一路用于表示频率的千和百位，另一路用于表示个位和十位，有效保证了传输和采集的精度)。

受MCU控制的电源组可由MCU控制打开或关闭的独立电源组。可由MCU调整电压幅值，电源芯片均采用具有过流保护、短路保护的芯片，某电源发生过流或短路时不会影响MCU正常运行，可及时由MCU采取保护措施、发送错误信息。

除核心MCU外，各部分均为独立电源供电，可在无测量工作时进行关断，实现节省电能、低功耗的功能。

该振弦式传感器的读取数据装置具有如下特点：

采用多种技术、多个环节、相互配合，最大限度的适应不同类型、不同厂家、不同型号的振弦式传感器；

采用多种技术手段和方法，提高激励效果和频率读取精度、提高读取速度、延长传感器寿命；

采用多种接口输出测量数据，将振弦激励和读取过程进行包覆，向用户提供标准的、易于使用的数字接口信号和常规模拟信号；

除激励读取功能外，还具有传感器检测、线路短路保护、信号质量评价功能；

灵活的参数配置功能；

低功耗特性；

数据存储功能；

扩展的通用传感器接入接口及协议。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：其包括直流泵压器、高压采样器、高压开关、第一防雷器、低压扫频器、传感器检测采样器、高压阻尼器、第一温度采集器、第二温度采集器、滤波跟随器、滤波放大器、检波器、中央处理器MCU、电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口；

直流泵压器与MCU、高压采集器、高压开关连接，在MCU控制下实现低电压向高电压转换，其输出的高电压用于向振弦式传感器发送高压脉冲激励信号；

高压采样器向MCU提供电压信号；

高压开关与MCU和直流泵压器的高压输出线路连接，在MCU控制下，

接通或切断高压线路与振弦式传感器内的钢弦线圈的连接；

第一防雷器与第二防雷器传输数据，第二防雷器连接振弦式传感器；

低压扫频器在MCU控制下，将直流低压电流信号以一定规则传输给振弦传感器的钢弦线圈，低压扫频器的输出信号在方波和正弦波之间进行切换；

高压阻尼器的高压侧与第一防雷器、高压开关连接，高压阻尼器的低压侧与传感器检测采样器、第一温度采集器、滤波跟随器、低压扫频器连接；

第一温度采集器用于检测振弦传感器内的温度传感器，第二温度采集器用于检测时钟基准的温度传感器，采集两个温度值，分别进行钢弦自振频率和时钟基准受温度影响的频率修正；第二温度采集器与时钟基准电路安装于电路板相同位置；

滤波跟随器与高压阻尼器、滤波放大器连接；

滤波放大器与MCU、滤波跟随器、检波器连接，滤波放大器为可编程放大器，放大倍数依据传感器返回原始信号质量由MCU根据其寄存器参数设置；

信号幅度探测器与MCU、滤波放大器的输出连接，探测放大后的振弦信号幅值；

检波器与MCU、滤波放大器的输出连接，将放大后的正弦信号转换为矩形波信号，送给MCU进行信号周期统计；

电源、时钟基准、数据存储器、RTC实时时钟、受控多路独立电源、数字接口、模拟接口分别与MCU连接。

2.根据权利要求1所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述直流泵压器的泵压通过LC泵压电路或交变脉冲变压器实现。

3.根据权利要求2所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述高压采样器使用高精电阻分压转换成低电压信号由ADC转换成数字量传递给MCU，或者通过ADC数字转换芯片转换成数字量后传递给MCU。

4.根据权利要求3所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述高压开关是高压MOS开关管，或中小型继电器。

5.根据权利要求4所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述防雷器为多个独立通道，分别传输振弦激励信号和返回信号、温度传感器的双向数字或模拟信号。

6.根据权利要求5所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：方波通过MCU+隔离电路+驱动增强电路实现；正弦波通过MCU的DAC功能或直接使用可编程的函数发生器，再使用驱动增强电路输出；驱动增强电路使用三极管、MOS管、运算放大器来实现；低压扫频器有一路独立的受MCU控制的开关，开关分别与滤波放大器和高压阻尼器的扫频线路通道连接，用于在必要时将滤波放大后的同相高幅值正弦波信号反馈传输给振弦传感器的线圈。

7.根据权利要求6所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述高压阻尼器是多通道运算放大器电路，或者电感缓冲+电压钳位电路，或者以高压信号为关断门限的MOS管电路。

8.根据权利要求7所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述温度传感器为热敏电阻或数字温度传感器DS18B20。

9.根据权利要求8所述的振弦式传感器的读取数据装置，其特征在于：所述检波器是可编程施密特触发检波器。