CN210037028U - 钢弦传感器数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种钢弦传感器数据采集装置，其中，控制开关信号输入端与电压信号输入端电连接、控制开关输出端与变压器第一输入端电连接；控制开关控制端与控制器电连接；变压器第一输出端、第一二极管正极均与第二二极管负极电连接；第一电容的第一端、第二电容的第二端均与变压器的第二输出端电连接；第二电容的第一端、第一二极管的负极均与第四二极管的正极电连接，第四二极管的负极、第三二极管的负极均与钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接，第三二极管的正极通过电抗器与控制器相连，变压器的第二输入端、第一电容的第二端、第二二极管的正极以及钢弦传感器的第二激振信号输入端均接地，以提高钢弦传感器的数据测量精度。

Description

钢弦传感器数据采集装置

技术领域

本实用新型实施例涉及钢弦传感器数据采集技术，尤其涉及一种钢弦传感器数据采集装置。

背景技术

钢弦传感器由于结构简单、抗干扰能力强，被广泛应用于工程领域。目前钢弦传感器大部分都是单线圈，通过对单线圈激振，之后撤去激振信号，钢弦传感器便会产生一个逐渐衰减振荡的信号，钢弦传感器数据采集装置通过对该信号进行拾振，测出其频率，再在上位机软件进行计算，得到最终的压力或者拉力值。

在实际中通常需要利用高压激励钢弦传感器，促使钢弦传感器起振。钢弦起振后，要停止激振信号，钢弦被激励后就发生共振，由感应线圈将其转变为正弦信号输出。钢弦的振动是一种幅值衰减很快的有阻尼振动，有效测量时间只有700ms左右。但是由于现有的起振电路设计不合理，使得钢弦传感器经常出现起振不成功。一旦起振不成功，会使得钢弦的振动幅度不够，有效测量时间缩短，导致测量数据不准。

实用新型内容

本实用新型提供一种钢弦传感器数据采集装置，以提高钢弦传感器的数据测量精度。

本实用新型实施例提供了一种钢弦传感器数据采集装置，包括激振电路和控制器；

所述激振电路包括控制开关、变压器、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管以及电抗器；

所述变压器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述控制开关的信号输入端与电压信号输入端电连接、所述控制开关的输出端与所述变压器的第一输入端电连接；所述控制开关的控制端与所述控制器电连接；所述变压器的第一输出端、所述第一二极管的正极均与所述第二二极管的负极电连接；所述第一电容的第一端、所述第二电容的第二端均与所述变压器的第二输出端电连接；所述第二电容的第一端、所述第一二极管的负极均与所述第四二极管的正极电连接，所述第四二极管的负极、所述第三二极管的负极均与钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接，所述第三二极管的正极通过所述电抗器与所述控制器相连，所述变压器的第二输入端、所述第一电容的第二端、所述第二二极管的正极以及所述钢弦传感器的第二激振信号输入端均接地。

进一步地，还包括瞬态抑制二极管；

所述瞬态抑制二极管的负极与所述钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接；

所述瞬态抑制二极管的正极接地。

进一步地，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第一电阻位于所述控制开关的信号输入端与所述电压信号输入端之间的电流路径上；

所述第二电阻位于所述控制开关的控制端与所述控制器之间的电流路径上；

所述第三电阻位于所述第三二极管的正极与所述电抗器之间的电流路径上；

所述第四电阻位于所述瞬态抑制二极管的负极与所述钢弦传感器的第一激振信号输入端之间的电流路径上。

进一步地，还包括拾振模块；

所述拾振模块与所述钢弦传感器和所述控制器均相连。

进一步地，还包括信号调理模块；

所述拾振模块通过所述信号调理模块与所述控制器连接。

进一步地，所述信号调理模块包括一级放大器、滤波器、二级放大器以及直流偏置器；

所述一级放大器与所述拾振模块连接；

所述滤波器与所述一级放大器连接；

所述二级放大器与所述滤波器连接；

所述直流偏置器与所述二级放大器连接。

进一步地，还包括无线通信模块；

所述无线通信模块与所述控制器连接。

进一步地，还包括供电模块；

所述供电模块与所述控制器连接。

进一步地，所述控制器为单片机。

本实用新型实施例通过设置所述控制开关的信号输入端与电压信号输入端电连接、所述控制开关的输出端与所述变压器的第一输入端电连接；所述控制开关的控制端与所述控制器电连接；所述变压器的第一输出端、所述第一二极管的正极均与所述第二二极管的负极电连接；所述第一电容的第一端、所述第二电容的第二端均与所述变压器的第二输出端电连接；所述第二电容的第一端、所述第一二极管的负极均与所述第四二极管的正极电连接，所述第四二极管的负极、所述第三二极管的负极均与钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接，所述第三二极管的正极通过所述电抗器与所述控制器相连，所述变压器的第二输入端、所述第一电容的第二端、所述第二二极管的正极以及所述钢弦传感器的第二激振信号输入端均接地，解决了现有的钢弦传感器因起振不成功，导致测量数据不准的问题，实现提高钢弦传感器的数据测量精度的效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种钢弦传感器数据采集装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种钢弦传感器数据采集装置的电路图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种钢弦传感器数据采集装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种钢弦传感器数据采集装置的结构框图。图2为本实用新型实施例提供的一种钢弦传感器数据采集装置的电路图。参见图1和图2，该钢弦传感器数据采集装置2包括激振电路21和控制器22。激振电路包括控制开关T、变压器Q、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及电抗器M；变压器Q包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；控制开关T的信号输入端与电压信号输入端VCC电连接、控制开关T的输出端与变压器Q的第一输入端电连接；控制开关T的控制端与控制器22电连接；变压器Q的第一输出端、第一二极管D1的正极均与第二二极管D2的负极电连接；第一电容C1的第一端、第二电容C2的第二端均与变压器Q的第二输出端电连接；第二电容C2的第一端、第一二极管D1的负极均与第四二极管D4的正极电连接，第四二极管D4的负极、第三二极管D3的负极均与钢弦传感器1的第一激振信号输入端电连接，第三二极管D3的正极通过电抗器M与控制器22相连，变压器Q的第二输入端、第一电容C1的第二端、第二二极管D2的正极以及钢弦传感器1的第二激振信号输入端均接地。

激振的实现过程为通过控制器22发送控制信号(如频率约为1300Hz的方波信号)，以此来控制控制开关T通断，形成脉冲，使得变压器Q产生高压，并为第一电容C1和第二电容C2充电，当第一电容C1和第二电容C2两端的电压均达到可以激励钢弦起振的电压值(如80V-180V)时，通过控制与电抗器M(如磁阀式可控电抗器)连接的控制器22信号输出端口的电平，打开电抗器M，两个充电电容(即第一电容C1和第二电容C2)瞬间释放电荷，形成高压脉冲，激励钢弦起振。

上述技术方案通过利用第一电容C1和第二电容C2的充放电特性可以有效产生合适幅值的用于激励钢弦起振的高压，以促使钢弦成功起振，进而达到提高钢弦传感器的数据测量精度的目的。

可选地，在上述技术方案中，控制开关T为三极管，如PNP三极管。

可选地，在上述技术方案中，变压器Q的工作频率大于10kHz。这样设置可以进一步使得第一电容C1和第二电容C2形成合适幅值的用于激励钢弦起振的高压。

可选地，控制器22为单片机。可选地，单片机的型号可以为AT90CAN32。

继续参见图2，可选地，钢弦传感器数据采集装置还包括瞬态抑制二极管D5；瞬态抑制二极管D5的负极与钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接；瞬态抑制二极管D5的正极接地。这样当瞬时电流过大时，电流会随着瞬态抑制二极管D5流入地，使得后边的电路不会因电流过大而损坏，保证了电路的安全性。

继续参见图2，可选地，该钢弦传感器数据采集装置还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一电阻R1位于控制开关T的信号输入端与电压信号输入端之间的电流路径上；第二电阻R2位于控制开关T的控制端与控制器22之间的电流路径上；第三电阻R3位于第三二极管的正极与电抗器M之间的电流路径上；第四电阻R4位于瞬态抑制二极管D5的负极与钢弦传感器1的第一激振信号输入端之间的电流路径上。通过增设第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4可以对该激振电路进行保护，防止出现因电压或电流过大而损坏的不良现象。

图3为本实用新型实施例提供的另一种钢弦传感器数据采集装置的结构框图。参见图3，可选地，钢弦传感器数据采集装置还包括拾振模块23；拾振模块23与钢弦传感器1和控制器22均相连。

在实际中当需要对压力或拉力值进行检测时，需要依赖某一个或几个特定频率的波求得，这就需要对该一个或几个特定频率的波进行拾振。但是，由于激振过后钢弦产生的波是衰减的振弦波，如果不能在恰当的时机对需要的频率的波进行拾振(即采集频率的时间不准确)会导致测量结果不准确。为此，可选地，采用扫频采用长短计数时间结合测频法，即在同一个完整的扫频巡回中，采用粗略测频和精细测频相结合的方法进行拾频。

示例性地，若振弦自激振荡频率在1200～3 500Hz之间。在拾频初始时刻(即在未找出振弦自激振荡频率前)，以粗略测频为主，即减小单位时间内扫频次数，以达到扫频的效果。当预判将要出现振弦自激振荡频率时，调整为以精细测频为主，即增加单位时间内扫频次数，以达到把握在恰当的时机对需要的频率的波进行拾振的目的。

进一步地，拾振模块23包括晶振，在将粗略测频调整为精细测频时，单位时间内增加的扫频次数可以根据晶振确定。示例性地，当拾振模块23中晶振为11.059 2MHz时，扫频激振周期每次增加2个机器周期时间。不同晶振的时间，增加的时间周期不一样。当粗略检测到振弦自激振荡频率值在1 200Hz与3 500Hz之间时，有效激振频率会很快出现。通常继续加长扫频激振周期的再扫频次数，通常不超过12次，就一定能够找到振弦的自激振荡频率。

继续参见图3，可选地，该钢弦传感器数据采集装置还包括信号调理模块24；拾振模块23通过信号调理模块24与控制器22连接。钢弦传感器1起振后输出为毫伏级信号，同时呈现衰减趋势，且维持的时间基本小于3秒，通过设置信号调理模块22，可以将感应获取的振弦信号滤波放大、整形，获得标准的方波信号，以进一步提高钢弦传感器的数据测量精度。

在此基础上，可选地，信号调理模块24包括一级放大器、滤波器、二级放大器以及直流偏置器；一级放大器与拾振模块连接；滤波器与一级放大器连接；二级放大器与滤波器连接；直流偏置器与二级放大器连接。这样，振弦传感器1的钢弦起振后的频率信号首先被拾振模块采集，然后经过一级放大器(如负反馈放大器)将频率信号进行放大(如放大致约3000倍左右)，使得波形进行初次放大；然后通过滤波器(如通频带400-4500Hz左右的butter worth型带通滤波器)，将低频驻波、高次谐波、电源纹波、噪声等杂波有效滤除；接着，通过二级放大器再一次进行有效放大，此时频率信号由正弦波转化为控制器可测量的方波信号；最后利用直流偏置器加入2.5V的直流偏置电压，消除共模干扰并将频率信号上拉至0V以上，这样便于控制器对频率进行测量。

在上述技术方案中，可选地，钢弦传感器数据采集装置还包括无线通信模块25；无线通信模块25与控制器22连接。这样可以利用无线通信模块25与上位机3连接，以实现由上位机3软件通过发送起振与拾频指令，给到无线通信模块25，无线通信模块25把指令发送给到控制器22，触发钢弦传感器数据采集装置起振和拾频。可选地，无线通信模块25为DTU、lora或蓝牙无线通信组件。

可选地，钢弦传感器数据采集装置还包括供电模块26；供电模块26与控制器22连接。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，包括激振电路和控制器；

所述激振电路包括控制开关、变压器、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管以及电抗器；

所述变压器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述控制开关的信号输入端与电压信号输入端电连接、所述控制开关的输出端与所述变压器的第一输入端电连接；所述控制开关的控制端与所述控制器电连接；所述变压器的第一输出端、所述第一二极管的正极均与所述第二二极管的负极电连接；所述第一电容的第一端、所述第二电容的第二端均与所述变压器的第二输出端电连接；所述第二电容的第一端、所述第一二极管的负极均与所述第四二极管的正极电连接，所述第四二极管的负极、所述第三二极管的负极均与钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接，所述第三二极管的正极通过所述电抗器与所述控制器相连，所述变压器的第二输入端、所述第一电容的第二端、所述第二二极管的正极以及所述钢弦传感器的第二激振信号输入端均接地。

2.根据权利要求1所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括瞬态抑制二极管；

所述瞬态抑制二极管的负极与所述钢弦传感器的第一激振信号输入端电连接；

所述瞬态抑制二极管的正极接地。

3.根据权利要求2所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第一电阻位于所述控制开关的信号输入端与所述电压信号输入端之间的电流路径上；

所述第二电阻位于所述控制开关的控制端与所述控制器之间的电流路径上；

所述第三电阻位于所述第三二极管的正极与所述电抗器之间的电流路径上；

所述第四电阻位于所述瞬态抑制二极管的负极与所述钢弦传感器的第一激振信号输入端之间的电流路径上。

4.根据权利要求1所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括拾振模块；

所述拾振模块与所述钢弦传感器和所述控制器均相连。

5.根据权利要求4所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括信号调理模块；

所述拾振模块通过所述信号调理模块与所述控制器连接。

6.根据权利要求5所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，所述信号调理模块包括一级放大器、滤波器、二级放大器以及直流偏置器；

所述一级放大器与所述拾振模块连接；

所述滤波器与所述一级放大器连接；

所述二级放大器与所述滤波器连接；

所述直流偏置器与所述二级放大器连接。

7.根据权利要求1所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括无线通信模块；

所述无线通信模块与所述控制器连接。

8.根据权利要求1所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，还包括供电模块；

所述供电模块与所述控制器连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的钢弦传感器数据采集装置，其特征在于，所述控制器为单片机。

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