CN208704651U - 一种抗干扰的桥梁应变采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其包括抗干扰供电电路以及依次设置的信号调理抗干扰电路、模数转换抗干扰电路和FPGA微处理器，桥应变传感器接入信号调理抗干扰电路，抗干扰供电电路分别与FPGA微处理器、信号调理抗干扰电路和模数转换抗干扰电路连接。本实用新型中桥应变传感器感知桥梁微小变化产生电信号，处理后转化为数字信号进行存储。该装置可有效解决弱信号难以提取的问题，从而提高桥梁应变数据采集的精度和稳定性，在实际使用中取得良好的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子电路抗干扰技术领域，尤其涉及一种抗干扰的桥梁应变采集装置。
背景技术
随着我国经济的高速增长，交通已成为经济发展的关键，桥梁作为交通的关键枢纽之一，其健康情况不容忽视，在剑桥的投放和在役桥的运营皆与安全有关，通过对桥梁的检测能够有效的对桥梁结构的健康状况进行评估，及时的发现桥梁结构存在的安全隐患并对安全隐患进行处理，最大限度的减少了人民财产的损失和保障了交通的畅通运行。
在桥梁结构检测过程中，桥应变检测是非常重要的，而桥梁应变采集装置是桥应变检测系统的关键部件。传统的桥梁应变采集装置现场干扰考虑较少，采集精度低、稳定性差，从而影响了桥梁应变监测效率和准确性。为了提高检测精度、效率和稳定性，落实预防桥梁安全工作，桥梁应变采集装置性能提高是目前桥梁检测最为重要的任务。综上所述。桥梁应变采集装置是检测系统不可或缺的采集终端，是该系统数据来源的基础，离开桥梁应变采集装置，对桥梁应变的检测无从谈起，所以桥梁应变采集装置性能的好坏，关系到整个系统检测效率、准确度和稳定性的高低。但是，传统的桥梁应变采集装置均采用单片机控制采集和传输，在设计过程中很少考虑抗干扰问题，从而造成了在运行过程中存在的问题是：桥梁应变检测数据采集时，由于受到干扰，精度、准确性、稳定性大为降低。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰的桥梁应变采集装置，解决采集精度低下问题以及稳定性问题。
本实用新型采用的技术方案是：
一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其包括抗干扰供电电路以及依次设置的信号调理抗干扰电路、模数转换抗干扰电路和FPGA微处理器，桥应变传感器接入信号调理抗干扰电路，抗干扰供电电路分别与FPGA微处理器、信号调理抗干扰电路和模数转换抗干扰电路连接；
信号调理抗干扰电路包括仪表放大电路和有源滤波电路，仪表放大电路用于放大输入的有效信号，有源低通滤波电路用于滤除1500Hz以上的干扰信号；
所述模数转换抗干扰电路包括差分AD驱动器和24位AD采集器，差分AD驱动器和24位AD采集器之间连接有相匹配的公模差模RC滤波 网络;
FPGA微处理器内嵌带通模块和陷波模块；
抗干扰供电电路包括供电电池组，供电电池组输出端加一级RLC低通滤波，供电电池组输出至有源模拟信号处理芯片的每路线路均加一级RC低通滤波，供电电池组输出至有源数字信号处理芯片的每路线路均加一个陶瓷去耦电容.
仪表放大电路选用AD8221仪表放大器，放大倍数为60bB。
有源低通滤波电路选用OPA188作为电路核心，有源低通滤波电路的低通截止频率为1500Hz。
公模差模RC滤波 网络包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5和电容C6，差分AD驱动器的一个输出端连接电阻R3，电阻R3的另一端分别连接电阻R5和电容C4的一端，电阻R5的另一端分别连接24位AD采集器和电容C5的一端，电容C5的另一端接地，差分AD驱动器的另一个输出端连接电阻R4，电阻R4的另一端分别连接电阻R6和电容C4的另一端，电阻R6的另一端分别连接24位AD采集器和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值相同且均为33Ω，电容C4、电容C5和电容C6的容值相同且均为10nF。
RLC低通滤波的截频频率为15Hz。
RC低通滤波的截频频率为30Hz。
陶瓷去耦电容的容值为0.1uF。
带通模块为6阶带通模块，陷波模块为可切换50Hz或60Hz的陷波模块。
本实用新型采用上述技术方案，桥应变传感器感知桥梁微小变化产生电信号，微小变化产生电信号经由信号调理抗干扰电路的仪表放大电路进行微小信号的放大，并由有源低通滤波电路滤除信号中1500Hz以上的干扰信号，再由模数转换抗干扰电路转化为数字信号，数字信号经由FPGA数字滤波抗干扰处理后进行存储。本实用新型采用FPGA微处理器、抗干扰供电电路、信号调理抗干扰电路、模数转换抗干扰电路，解决了采集精度低、准确性不高、稳定性差问题，提高了工作效率，在实际应用和现场运行中得到良好的效果。本实用新型有效解决弱信号难以提取的问题，从而提高桥梁应变数据采集的精度和稳定性，在实际使用中取得良好的效果。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；
图1为本实用新型一种抗干扰的桥梁应变采集装置的结构示意图；
图2为本实用新型一种抗干扰的桥梁应变采集装置的FPGA微处理器数字滤波模块示意图；
图3为本实用新型一种抗干扰的桥梁应变采集装置的抗干扰供电电路示意图；
图4为本实用新型一种抗干扰的桥梁应变采集装置的信号调理抗干扰电路示意图；
图5为本实用新型一种抗干扰的桥梁应变采集装置的模数转换抗干扰电路示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1-5之一所示，本实用新型公开了一种抗干扰的桥梁应变采集装置，该采集装置1包括FPGA微处理器5、抗干扰供电电路6、信号调理抗干扰电路3和模数转换抗干扰电路4。所述FPGA微处理器5内嵌带通和陷波模块；所述抗干扰供电电路6分别与FPGA微处理器5、信号调理抗干扰电路3、模数转换抗干扰电路4连接；所述信号调理抗干扰电路3与模数转换抗干扰电路4连接；所述模数转换抗干扰电路4与FPGA微处理器5连接。
具体地，所述FPGA微处理器5用于抗干扰供电电路6、信号调理抗干扰电路3和模数转换抗干扰电路4进行检测和控制；所述抗干扰供电电路6干扰处理后对FPGA微处理器5、信号调理抗干扰电路3和模数转换抗干扰电路4进行供电，保证系统正常运行；所述信号调理抗干扰电路3所采集的信号进行放大和滤波处理后供模数转换用；所述模数转换抗干扰电路4把处理后的模拟信号转换成数字信号存储起来。
具体地，所述FPGA微处理器5内嵌带通模块7和陷波模块8，带通把低于所设定的低截频率和高于所设定的高截频率的信号滤除，而让大于所设定的低截频率且小于所设定的高截频率的信号通过。在FPGA微处理器DSP数字处理平台上，集成了带宽和处理点数均可设置的16阶带通模块7，以及可切换50Hz或60Hz陷波模块8。在图2中，本实施例FPGA微处理器1选择美国Altera公司Cyclone4系列中的EP4CE10F256芯片，其内部具有DSP处理功能。本实用新型使用Verilog硬件描述语言编写了上述数字滤波抗干扰模块。其中16阶带通模块7带宽选择0.5Hz～1500Hz，处理点数选取2048个点，处理时钟设置为200MHz；可切换50Hz或60Hz陷波模块8：陷波频率选择50Hz，处理时钟设置为300MHz。上述两种数字DSP滤波处理模块，通过仿真调试，均取得良好效果。
具体地，所述抗干扰供电电路6是在供电电池组输出端加一级截频频率为15Hz的RLC低通滤波9、设计电路中所有涉及到有源模拟信号处理芯片的电源前端均加一级截频频率为30Hz的RC低通滤波10、所有有源数字信号处理芯片电源前端均加一个0.1uF陶瓷去耦电容电路11。在图3中，本实施例供电电池组材料选择高性能聚合锂电池，额定电压为3.7V，容量为2000mAH，电池中有保护电路，有一定的噪声干扰，输出端加一级截频频率为15Hz的RLC低通滤波，电容C取值470uF，那么电阻R的值约为11Ω，电感值约为60mH，滤波输出的纹波控制在1mV以内；所述所有有源模拟信号处理芯片电源前端均加一级截频频率为30Hz的RC低通滤波，电容C取值100uF，那么电阻R的值约为53Ω；设计电路中所有涉及到有源模拟信号处理芯片的电源前端均加一个0.1uF陶瓷去耦电容，要求尽量靠近芯片的电源脚。
具体地，在图4中，所述信号调理抗干扰电路3，包括仪表放大电路12和有源滤波电路13。仪表放大电路12放大器选择INA128仪表放大器，放大倍数为60bB，主要是放大比较弱的有效信号；有源低通滤波电路13放大器选择OPA2735，低通截止频率为1500Hz，主要是滤除1500Hz以上的干扰信号，提高信噪比。所述仪表放大电路12输出端连接有源滤波电路13输入端。
具体地，在图5中，差分AD驱动器14通过共模和差模RC滤波网络与24位采集器15连接。所述模数转换抗干扰电路4所包括的24位采集器15选择ADS1271PWR，其电源前端加一级RC低通滤波电路，相关参数选择：低截频频率为30Hz，电阻R选择53.0欧姆，电容C选择100.0uF；差分AD驱动器14选择ADA4841，24位采集器15与差分AD驱动器14之间一个公模差模RC滤波网络，R3=R4=R5=R6=33Ω，C4=C5= C6=10nF；精密参考电源选择REF5050，时钟选择高精度低温漂50MHz有源晶振，数字口线均设置为上拉。进一步地，所述差分AD驱动器14对输入模拟信号进行缓冲，使之与共模和差模RC滤波网络及24位采集器15输入输出进行匹配；所述共模和差模RC滤波网络滤除共模和差模高频干扰；所述24位采集器15把模拟信号转换为数字信号。
本实用新型解决了传统桥梁应变采集装置采集精度低、效率差、准确度低和稳定性差的问题，具有实质性特点和进步；上面结合附图对本实用新型的实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：其包括抗干扰供电电路以及依次设置的信号调理抗干扰电路、模数转换抗干扰电路和FPGA微处理器，桥应变传感器接入信号调理抗干扰电路，抗干扰供电电路分别与FPGA微处理器、信号调理抗干扰电路和模数转换抗干扰电路连接；
信号调理抗干扰电路包括仪表放大电路和有源滤波电路，仪表放大电路用于放大输入的有效信号，有源低通滤波电路用于滤除1500Hz以上的干扰信号；
所述模数转换抗干扰电路包括差分AD驱动器和24位AD采集器，差分AD驱动器和24位AD采集器之间连接有相匹配的公模差模RC滤波网络;
FPGA微处理器内嵌带通模块和陷波模块；
抗干扰供电电路包括供电电池组，供电电池组输出端加一级RLC低通滤波，供电电池组输出至有源模拟信号处理芯片的每路线路均加一级RC低通滤波，供电电池组输出至有源数字信号处理芯片的每路线路均加一个陶瓷去耦电容。
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：仪表放大电路选用AD8221仪表放大器，放大倍数为60bB。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：有源低通滤波电路选用OPA188作为电路核心，有源低通滤波电路的低通截止频率为1500Hz。
4. 根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：公模差模RC滤波 网络包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C4、电容C5和电容C6，差分AD驱动器的一个输出端连接电阻R3，电阻R3的另一端分别连接电阻R5和电容C4的一端，电阻R5的另一端分别连接24位AD采集器和电容C5的一端，电容C5的另一端接地，差分AD驱动器的另一个输出端连接电阻R4，电阻R4的另一端分别连接电阻R6和电容C4的另一端，电阻R6的另一端分别连接24位AD采集器和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
5. 根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的阻值相同且均为33Ω，电容C4、电容C5和电容 C6的容值相同且均为10nF。
6.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：RLC低通滤波的截频频率为15Hz。
7.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：RC低通滤波的截频频率为30Hz。
8.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：陶瓷去耦电容的容值为0.1uF。
9.根据权利要求1所述的一种抗干扰的桥梁应变采集装置，其特征在于：带通模块为6阶带通模块，陷波模块为可切换50Hz或60Hz的陷波模块。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110006331A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-12 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统 |
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