CN207302325U - 一种振弦式传感器的多通道数据采集终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，包括通道选择模块、激振模块、拾振模块、温度检测模块、微控制器模块、通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块，通道选择模块分别与激振模块、拾振模块和温度检测模块连接，微控制器模块分别与激振模块、拾振模块、温度检测模块、通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块连接；本实用新型的多通道数据采集终端支持4通道振弦式传感器检测，数据采集终端与监控中心采用485总线标准通信，数据采集终端之间互不干扰，使得系统中某个数据采集终端的故障不会影响其它数据采集终端的工作；且本实用新型的选择模块、激振模块、拾振模块及温度检测模块不仅性能优越而且成本低，适于大规模推广应用。

Description

一种振弦式传感器的多通道数据采集终端

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别地，涉及一种振弦式传感器的多通道数据采集终端。

背景技术

振弦式传感器广泛用在大坝、桥梁等工程技术领域以监测岩土所受的应力和形变，由于其输出的是频率信号而不是电压信号，可远距离传输而不带来附加误差，故适合多点远传和遥测。而且这种传感器具有结构简单、准确度高、重复性好、长期稳定等特点，因而非常适合自动化监测。

振弦式传感器的基本原理是钢弦所受的应力与钢弦振动的固有频率成一定比例关系，因此只要标定出传感器的输出频率f与所受外力F的对应关系，应用时即可通过测量f而推算出所受应力F的值。振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给微控制器，微控制器根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。微控制器通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。目前已公开的采集装置/采集技术在一次采集过程中只能完成对一支传感器的数据采集，例如现有的手持式读数仪。这大大降低了针对振弦式传感器的数据采集效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，包括通道选择模块、激振模块、拾振模块、温度检测模块、微控制器模块、通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块，所述通道选择模块分别与所述激振模块、拾振模块和温度检测模块连接，所述微控制器模块分别与所述激振模块、拾振模块、温度检测模块、通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块连接；所述通道选择模块与多路振弦式传感器分别连接，用于选择相应的所述振弦式传感器与所述激振模块、所述拾振模块和所述温度检测模块连接。

优选的，所述通道选择模块包括四个通道选择电路，每个所述通道选择电路均包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1、二极管D1、继电器A5W-K和传感器接线口J10，所述电阻R1的一端用于与所述激振模块连接、另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的两端分别与所述三极管Q1的基极和发射极连接；所述三极管Q1的集电极与所述继电器的输入端连接，所述三极管Q1的集电极和所述传感器接线口分别与所述继电器A5W-K连接，所述二极管D1的正极与所述继电器A5W-K的接地端连接，所述二极管D1的负极连接在所述三极管Q1的集电极与所述继电器A5W-K之间的线路上。

优选的，所述通道选择模块包括四个CD4066电子开关芯片，所述CD4066电子开关芯片的4路开关分别与一路所述振弦式传感器的4根信号线相连接。

优选的，所述激振模块包括电阻R3、电阻R4、三极管Q2、三极管Q3和续流二极管D2，所述电阻R3的一端分别与所述三极管Q2和三极管Q3的基极连接、另一端用于与所述微控制器模块连接，所述电阻R4的一端连接在所述电阻R3与所述微控制器模块之间的线路上、另一端分别与所述三极管Q2和三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q2和三极管Q3的发射极与所述振弦式传感器连接，所述续流二极管D2的负极连接在所述三极管Q2和三极管Q3的发射极与所述振弦式传感器之间的线路上，所述续流二极管D2的正极与所述振弦式传感器的接地端连接。

优选的，所述拾振模块包括滤波电路和信号放大整形电路，所述包括低通滤波器和高通滤波器，所述信号放大整形电路包括依次连接的一级放大电路、二级放大电路和三级放大电路，所述高通滤波器的输出端与所述一级放大电路的输入端连接。

优选的，所述低通滤波器包括运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，所述运算放大器A1的正相输入端与所述振弦式传感器的输出端之间依次串联有所述电阻R5和电阻R6，所述运算放大器A1的反相输入端经所述电阻R7接地，所述运算放大器A1的反相输入端与所述运算放大器A1输出端之间串联有所述电阻R8，所述电容C1的一端连接在所述电阻R5与电阻R6之间的线路上、另一端与所述运算放大器A1输出端连接，所述电容C2一端连接在所述电阻R6与所述运算放大器A1的正相输入端之间的线路上、另一端接地；所述高通滤波器包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C3和电容C4，所述运算放大器A2的正相输入端与所述第而运算放大器A1的输出端之间依次串联有所述电容C3和电容C4，所述运算放大器A2的反相输入端经所述电阻R11接地，所述运算放大器A2的反相输入端与所述运算放大器A2输出端之间串联有所述电阻R12，所述电阻R9一端连接在所述电容C3与电容C4之间的线路上、另一端与所述运算放大器A2输出端连接，所述电阻R10一端连接在所述电容C4与所述运算放大器A2的正相输入端之间的线路上、另一端接地。

优选的，所述一级放大电路包括电压比较器B1、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C5和电容C6，所述电阻R15和所述电容C6并联后一端与所述电压比较器B1的正相输入端连接、另一端接地，所述电阻R16的一端连接在所述电阻R15和所述电容C6并联后与所述电压比较器B1连接线上，所述电阻R16的另一端与电源连接，所述电容C5和电阻R13依次串联后与所述电压比较器B1的负相输入端连接，所述电阻R14的一端连接在所述电阻R13与所述电压比较器B1的负相输入端连接、另一端与所述电压比较器B1的输出端连接；

所述二级放大电路包括电压比较器B2和电容C7，所述电容C7的一端与所述电压比较器B1的输出端连接、另一端与所述电压比较器B2的正相输入端连接，所述电压比较器B2的输出端与所述电压比较器B2的负相输入端连接；

所述三级放大电路包括电压比较器B3、变位电阻器R17、电容C8和电容C9，所述电容C8的一端与所述电压比较器B2的输出端连接、另一端与所述电压比较器B3的正相输入端连接，所述变位电阻器R17和所述电容C9并联后与所述电压比较器B3的负相输入端连接，所述电容C10的一端与所述电压比较器B3的输出端连接、另一端接地，所述电阻R18的一端连接在所述电压比较器B3的输出端与所述电容C10连接的线路上、另一端接电源。

优选的，所述温度检测模块包括TL431芯片搭建的恒流源电路。

优选的，所述微控制器模块采用STC12C5A60S2系列微控制器。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，包括通道选择模块、激振模块、拾振模块、温度检测模块、微控制器模块、通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块。本实用新型的多通道数据采集终端支持4通道振弦式传感器检测，数据采集终端与监控中心采用485总线标准通信，数据采集终端之间互不干扰，使得系统中某个数据采集终端的故障不会影响其它数据采集终端的工作；且本实用新型设计的选择模块、激振模块、拾振模块及温度检测模块不仅性能优越而且成本低，适于大规模推广应用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型一种振弦式传感器的多通道数据采集终端的结构示意图；

图2是本实用新型的通道选择电路的电路图；

图3是本实用新型的激振模块的电路图；

图4是本实用新型的拾振模块的滤波电路图；

图5是本实用新型的拾振模块的信号放大整形电路图；

其中，1.1、通道选择模块，1.2、激振模块，1.3、拾振模块，1.3.1、低通滤波电路，1.3.2、低通滤波电路，1.3.3、一级放大电路，1.3.4、二级放大电路，1.3.5、三级放大电路，1.4、温度检测模块，1.5、微控制器模块，1.6、通信模块，1.7、显示模块，1.8、按键模块，1.9、时钟模块，2.1振弦式传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本实用新型的一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，包括通道选择模块1.1、激振模块1.2、拾振模块1.3、温度检测模块1.4、微控制器模块1.5、通信模块1.6、显示模块1.7、按键模块1.8和时钟模块1.9，通道选择模块1.1分别与激振模块1.2、拾振模块1.3和温度检测模块1.4连接，微控制器模块1.5分别与激振模块1.2、拾振模块1.3、温度检测模块1.4、通信模块1.6、显示模块1.7、按键模块1.8和时钟模块1.9连接；通道选择模块1.1与多路振弦式传感器分别连接，用于选择相应的振弦式传感器与激振模块1.2、拾振模块1.3和温度检测模块1.4连接。其中，通信模块、显示模块、按键模块和时钟模块为现有技术中可购买到的模块。

在本实施例中，一个数据采集子系统将挂接4路振弦式传感器，微控制器模块不能同时对4路信号进行采集处理，所以要依靠通道选择模块对各路传感器信号分时采集，依次送给微控制器。如图2所示，通道选择模块1.1包括四个通道选择电路，每个通道选择电路均包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1、二极管D1、继电器A5W-K、继电器驱动芯片LS和传感器接线口J10，电阻R1的一端用于与激振模块1.2连接、另一端与三极管Q1的基极连接，电阻R2的两端分别与三极管Q1的基极和发射极连接；三极管Q1的集电极与继电器的输入端连接，三极管Q1的集电极和传感器接线口分别与继电器A5W-K连接，二极管D1的正极与继电器A5W-K的接地端连接，二极管D1的负极连接在三极管Q1的集电极与继电器A5W-K之间的线路上。在该结构设置中，继电器作为通道选择开关时需要使用三极管来驱动，当其中一个通道选择电路的RELAY信号为低电平时，三极管Q1导通，电流从电源正极经过继电器LS6线圈到地，线圈通电后使得继电器常开引脚闭合，也就是继电器的3脚与4脚、8脚与7脚导通，此时与传感器接线口J10连接的振弦式传感器进行数据采集。当另一个通道选择电路的RELAY信号为高电平时，三极管Q1截止，继电器LS6线圈没有电流，继电器的3脚与4脚、8脚与7脚处于断开。因此微控制器通过控制四个通道选择电路的RELAY信号(即RELAY1、RELAY2、RELAY3以及RELAY4)的高低电平来控制继电器的开关，即选择测量哪一通道的传感器进行数据采集。

在本实用新型中，通道选择模块1.1还可以选择四个CD4066电子开关芯片，CD4066电子开关芯片的4路开关分别与一路振弦式传感器2.1的4根信号线相连接。当芯片的开关使能引脚CONT为高电平时，对应的两个引脚IN/OUT与OUT/IN开关闭合。当芯片的开关使能引脚CONT为低电平时，对应的两个引脚IN/OUT与OUT/IN开关断开。每个芯片都具有4路开关，将4路开关的一端分别与传感器的4根信号线相连接，微控制器通过控制RELAY1、RELAY2、RELAY3以及RELAY4信号的高低电平来选择哪一通道传感器进行数据采集。

如图3所示，激振模块1.2包括电阻R3、电阻R4、三极管Q2、三极管Q3和续流二极管D2，电阻R3的一端分别与三极管Q2和三极管Q3的基极连接、另一端用于与微控制器模块1.5连接，电阻R4的一端连接在电阻R3与微控制器模块之间的线路上、另一端分别与三极管Q2和三极管Q3的集电极连接，三极管Q2和三极管Q3的发射极与振弦式传感器2.1连接，续流二极管D2的负极连接在三极管Q2和三极管Q3的发射极与振弦式传感器2.1之间的线路上，续流二极管D2的正极与振弦式传感器的接地端连接。该电路的功能是放大扫频信号以及驱动振弦式传感器工作，当扫频信号为高电平时，三极管Q2、Q3导通，电流从电源正极经过振弦式传感器流向电源地；当扫频信号为低电平时，三极管Q2、Q3截止，此时振弦式传感器内部线圈产生感应电流，并从2脚经过续流续流二极管D2流向1脚。

参见图4和图5，拾振模块1.3包括滤波电路和信号放大整形电路，包括低通滤波器1.3.1和高通滤波器1.3.2，信号放大整形电路包括依次连接的一级放大电路1.3.3、二级放大电路1.3.4和三级放大电路1.3.5，高通滤波器的输出端与一级放大电路的输入端连接。

低通滤波器1.3.1包括运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，运算放大器A1的正相输入端与振弦式传感器2.1的输出端之间依次串联有电阻R5和电阻R6，运算放大器A1的反相输入端经电阻R7接地，运算放大器A1的反相输入端与运算放大器A1输出端之间串联有电阻R8，电容C1的一端连接在电阻R5与电阻R6之间的线路上、另一端与运算放大器A1输出端连接，电容C2一端连接在电阻R6与运算放大器A1的正相输入端之间的线路上、另一端接地；高通滤波器1.3.2包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C3和电容C4，运算放大器A2的正相输入端与第而运算放大器A1的输出端之间依次串联有电容C3和电容C4，运算放大器A2的反相输入端经电阻R11接地，运算放大器A2的反相输入端与运算放大器A2输出端之间串联有电阻R12，电阻R9一端连接在电容C3与电容C4之间的线路上、另一端与运算放大器A2输出端连接，电阻R10一端连接在电容C4与运算放大器A2的正相输入端之间的线路上、另一端接地。该结构设置中设置两个滤波电路，一个低通滤波器和一个高通滤波器，信号先通过低通滤波器，截止频率是3200Hz，无用的高频率将被过滤掉，再让信号通过高通滤波器，截止频率是2500HZ，无用的低频率将被滤除。

一级放大电路1.3.3包括电压比较器B1、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C5和电容C6，电阻R15和电容C6并联后一端与电压比较器B1的正相输入端连接、另一端接地，电阻R16的一端连接在电阻R15和电容C6并联后与电压比较器B1连接线上，电阻R16的另一端与电源连接，电容C5和电阻R13依次串联后与电压比较器B1的负相输入端连接，电阻R14的一端连接在电阻R13与电压比较器B1的负相输入端连接、另一端与电压比较器B1的输出端连接；

二级放大电路1.3.4包括电压比较器B2、电容C7，电容C7的一端与电压比较器B1的输出端连接、另一端与电压比较器B2的正相输入端连接，电压比较器B2的输出端与电压比较器B2的负相输入端连接；

三级放大电路1.3.5包括电压比较器B3、变位电阻器R17、电容C8和电容C9，电容C8的一端与电压比较器B2的输出端连接、另一端与电压比较器B3的正相输入端连接，变位电阻器R17和电容C9并联后与电压比较器B3的负相输入端连接，电容C10的一端与电压比较器B3的输出端连接、另一端接地，电阻R18的一端连接在电压比较器B3的输出端与电容C10连接的线路上、另一端接电源。该结构设置中同时设置三级放大电路，低通滤波电路和高通滤波电路均只放大2倍，第三级放大倍数为300倍。信号经过滤波并放大之后，可以获得一个峰峰值在4V左右的正弦波，由于该信号带负载能力弱，所以需要再经过一个电压跟随器来提高带负载能力。最后信号经过LM393电压比较器，所起的作用是把正弦信号整形为方波信号，它是通过将电压跟随器输出的正弦信号与参考电压REF_2进行比较，当输入信号电压高于参考电压时比较器输出的信号为高电平，当输入信号电压低于参考电压时比较器输出的信号为低电平。

在本实施例中，温度检测模块4包括恒流源电路，采用TL431芯片搭建外围电路以产生恒流源信号。

在本实施例中，微控制器模块5采用STC12C5A60S2系列微控制器。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种振弦式传感器的多通道数据采集终端，其特征在于，包括通道选择模块(1.1)、激振模块(1.2)、拾振模块(1.3)、温度检测模块(1.4)、微控制器模块(1.5)、通信模块(1.6)、显示模块(1.7)、按键模块(1.8)和时钟模块(1.9)，所述通道选择模块(1.1)分别与所述激振模块(1.2)、拾振模块(1.3)和温度检测模块(1.4)连接，所述微控制器模块(1.5)分别与所述激振模块(1.2)、拾振模块(1.3)、温度检测模块(1.4)、通信模块(1.6)、显示模块(1.7)、按键模块(1.8)和时钟模块(1.9)连接；所述通道选择模块与多路振弦式传感器(2.1)别连接，用于选择相应的所述振弦式传感器与所述激振模块、所述拾振模块和所述温度检测模块连接。

2.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述通道选择模块(1.1)包括四个通道选择电路，每个所述通道选择电路均包括电阻R1、电阻R2、三极管Q1、二极管D1、继电器A5W-K和传感器接线口J10，所述电阻R1的一端用于与所述激振模块(1.2)连接、另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的两端分别与所述三极管Q1的基极和发射极连接；所述三极管Q1的集电极与所述继电器的输入端连接，所述三极管Q1的集电极和所述传感器接线口分别与所述继电器A5W-K连接，所述二极管D1的正极与所述继电器A5W-K的接地端连接，所述二极管D1的负极连接在所述三极管Q1的集电极与所述继电器A5W-K之间的线路上。

3.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述通道选择模块(1.1)包括四个CD4066电子开关芯片，所述CD4066电子开关芯片的4路开关分别与一路所述振弦式传感器(2.1)的4根信号线相连接。

4.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述激振模块(1.2)包括电阻R3、电阻R4、三极管Q2、三极管Q3和续流二极管D2，所述电阻R3的一端分别与所述三极管Q2和三极管Q3的基极连接、另一端用于与所述微控制器模块(1.5)连接，所述电阻R4的一端连接在所述电阻R3与所述微控制器模块之间的线路上、另一端分别与所述三极管Q2和三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q2和三极管Q3的发射极与所述振弦式传感器(2.1)连接，所述续流二极管D2的负极连接在所述三极管Q2和三极管Q3的发射极与所述振弦式传感器(2.1)之间的线路上，所述续流二极管D2的正极与所述振弦式传感器的接地端连接。

5.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述拾振模块(1.3)包括滤波电路和信号放大整形电路，所述滤波电路包括低通滤波器(1.3.1)和高通滤波器(1.3.2)，所述信号放大整形电路包括依次连接的一级放大电路(1.3.3)、二级放大电路(1.3.4)和三级放大电路(1.3.5)，所述高通滤波器的输出端与所述一级放大电路的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述低通滤波器(1.3.1)包括运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2，所述运算放大器A1的正相输入端与所述振弦式传感器(2.1)的输出端之间依次串联有所述电阻R5和电阻R6，所述运算放大器A1的反相输入端经所述电阻R7接地，所述运算放大器A1的反相输入端与所述运算放大器A1输出端之间串联有所述电阻R8，所述电容C1的一端连接在所述电阻R5与电阻R6之间的线路上、另一端与所述运算放大器A1输出端连接，所述电容C2一端连接在所述电阻R6与所述运算放大器A1的正相输入端之间的线路上、另一端接地；所述高通滤波器(1.3.2)包括运算放大器A2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C3和电容C4，所述运算放大器A2的正相输入端与所述运算放大器A1的输出端之间依次串联有所述电容C3和电容C4，所述运算放大器A2的反相输入端经所述电阻R11接地，所述运算放大器A2的反相输入端与所述运算放大器A2输出端之间串联有所述电阻R12，所述电阻R9一端连接在所述电容C3与电容C4之间的线路上、另一端与所述运算放大器A2输出端连接，所述电阻R10一端连接在所述电容C4与所述运算放大器A2的正相输入端之间的线路上、另一端接地。

7.根据权利要求5所述的所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述一级放大电路(1.3.3)包括电压比较器B1、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C5和电容C6，所述电阻R15和所述电容C6并联后一端与所述电压比较器B1的正相输入端连接、另一端接地，所述电阻R16的一端连接在所述电阻R15和所述电容C6并联后与所述电压比较器B1连接线上，所述电阻R16的另一端与电源连接，所述电容C5和电阻R13依次串联后与所述电压比较器B1的负相输入端连接，所述电阻R14的一端连接在所述电阻R13与所述电压比较器B1的负相输入端连接、另一端与所述电压比较器B1的输出端连接；

所述二级放大电路(1.3.4)包括电压比较器B2和电容C7，所述电容C7的一端与所述电压比较器B1的输出端连接、另一端与所述电压比较器B2的正相输入端连接，所述电压比较器B2的输出端与所述电压比较器B2的负相输入端连接；

所述三级放大电路(1.3.5)包括电压比较器B3、变位电阻器R17、电容C8和电容C9，所述电容C8的一端与所述电压比较器B2的输出端连接、另一端与所述电压比较器B3的正相输入端连接，所述变位电阻器R17和所述电容C9并联后与所述电压比较器B3的负相输入端连接，所述电容C10的一端与所述电压比较器B3的输出端连接、另一端接地，所述电阻R18的一端连接在所述电压比较器B3的输出端与所述电容C10连接的线路上、另一端接电源。

8.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述温度检测模块(1.4)包括TL431芯片搭建的恒流源电路。

9.根据权利要求1所述的多通道数据采集终端，其特征在于，所述微控制器模块(1.5)采用STC12C5A60S2系列微控制器。