CN219870076U - 一种数字式标准测力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种数字式标准测力系统，包括力采集器和上位机，力采集器和上位机为通信连接；力采集器包括测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路和通信电路，测力传感器与模数转换电路电连接，模数转换电路与主控电路电连接，主控电路通过通信电路与上位机通信连接，电源管理电路的输入端用于接入电源且输出端分别与测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路、通信电路电连接。本实用新型提高了标准测力系统的数据准确度、数据稳定性和工作效率。

Description

一种数字式标准测力系统

技术领域

本实用新型涉及数字电路技术领域，特别涉及一种数字式标准测力系统。

背景技术

标准测力系统是一种测量精度高、高可靠性的力值传递标准，主要用于测量电液伺服万能试验机、摆锤式冲击试验机、液压千斤顶、抗折试验机、液压静力压桩机、电子式万能试验机、恒定加力速度建筑材料试验机、工作测力仪、专用工作测力机等测力设备。目前在用的标准测力系统有较大数量，按结构型式可以分为百分表式和应变式。标准测力系统广泛应用于计量机构、生产企业、高等院校和科研院所的力值测量实验室。

标准测力系统由力传感器(或测力环)及配套的指示装置组成。当力传感器(或测力环)受力时，力的大小由指示装置进行指示。试验时，被检力值设备的安装应保证其加荷轴线和力传感器的主轴线相重合，安装标准测力系统时，应保证在试验机和标准测力系统之间只有一个球座，并以液压或机械的方式对被检力值设备连同安装好的标准测力系统从零开始至少施加3次最大试验力，然后将力值按预定顺序自动平稳地把负荷施加到被检力值设备和力传感器上，指示装置显示力传感器的标准力值，被检力值设备上的显示器显示被检力值设备的测量力值，读取指示装置和被检力值设备显示器上的数值，将读取到的两个数值进行比较，以实现对被测力值设备的值进行准确性地判定。

就目前技术来看，现有标准测力系统对被检力值设备进行检定的过程存在以下不足：

(1)检定被检力值设备所使用的标准测力系统都是以模拟式传感器作为受力元件，配以测力仪表组成，由于模拟式传感器存在的线性、重复性、滞后等性能不佳、输出信号弱、抗干扰能力差、受偏载和温度影响大、蠕变影响等问题，标准测力系统的准确度及长期稳定性不高，无法对被检力值设备实现高准确度的检定。

(2)目前的被检力值设备检定过程大部分是采用传统的检定方式，即每个检定人员在现场记录下检定数据并人工处理，还需在原始记录中完整记录下单位名称、被检仪器、标准仪器、环境条件、检测技术依据等方面的大量信息，很多工作是重复的，浪费了检定人员大量的时间和精力，对这些原始记录的查询、保存和管理也是一个繁杂琐碎的事务。

目前国内还没有基于高精度数字式测力传感器的数字式标准测力系统，只能用人工方式将被检力值设备示值和标准测力系统示值进行比较，计算出误差，修约化整，处理误差数据及人工编制检定证书，判断被检力值设备是否合格。

从标准测力系统的准确度和工作效率的角度出发，急需设计一种标准测力系统来实现对力值测量设备的高精度测量。

实用新型内容

为了解决现有技术的上述问题，本实用新型提供一种数字式标准测力系统，以提高了标准测力系统的数据准确度、数据稳定性和工作效率。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

第一方面，本实用新型提供一种数字式标准测力系统，包括力采集器和上位机，所述力采集器和所述上位机为通信连接；

所述力采集器包括测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路和通信电路，所述测力传感器与所述模数转换电路电连接，所述模数转换电路与所述主控电路电连接，所述主控电路通过所述通信电路与所述上位机通信连接，所述电源管理电路的输入端用于接入电源且输出端分别与所述测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路、通信电路电连接。

本实用新型的有益效果在于：将测力传感器的模拟信号转换为数字信号来避免模拟信号所存在的问题，以提高了标准测力系统的数据准确度及数据稳定性。将主控电路转换后的数字信号通过通信电路上传到上位机来避免人工记录的问题，并实现数据的自动化处理，从而提高了标准测力系统的数据准确度和工作效率。

可选地，所述模数转换电路包括模数转换芯片、第一接口和穿心电容，所述主控电路包括微处理器；

所述第一接口包括桥路电源正极端、桥路电源负极端、传感器信号正极端和传感器信号负极端，所述桥路电源正极端、桥路电源负极端、传感器信号正极端和传感器信号负极端分别通过一个穿心电容连接在所述模数转换芯片的参考电压正极端、参考电压负极端、模拟输入信号正极端和模拟输入信号负极端；

所述模数转换芯片的串行数据输入端、串行数据输出端和串行时钟输入端分别与所述微处理器的IO端口对应连接。

根据上述描述可知，通过穿心电容来对模拟信号起到滤波和抗干扰作用。

可选地，所述模数转换电路还包括隔离电感和RC并联电路，所述模数转换芯片的模拟地端与所述隔离电感的第一端电连接，所述隔离电感的第二端与所述RC并联电路的第一端同时与数字地电连接，所述RC并联电路的第二端与所述模数转换芯片的输出锁存引脚电连接。

根据上述描述可知，通过隔离电感来避免数字地和模拟地的相互干扰，并通过RC并联电路来起到衰减高频信号的作用，从而实现数模隔离以及噪声滤除。

可选地，所述主控电路还包括时钟电路，所述时钟电路包括晶体谐振器和两个微调电容，所述微处理器的两个IO端口分别连接在所述晶体谐振器的两端，所述晶体谐振器的两端还分别与其中一个微调电容的第一端电连接，两个所述微调电容的第二端同时与数字地电连接。

根据上述描述可知，通过时钟电路来提供时钟基准信号。

可选地，还包括状态指示电路，所述状态指示电路的控制端与所述微处理器的IO端口电连接。

可选地，所述状态指示电路包括激光二极管和第一电阻，所述激光二极管的负极端作为控制端与所述微处理器的IO端口电连接，所述激光二极管的正极端与所述第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与数字电源正极端电连接。

根据上述描述可知，微处理器控制激光二极管的亮灭来起到系统状态的指示作用。

可选地，所述通信电路为隔离485通信电路，所述隔离485通信电路包括485收发芯片，所述485收发芯片上的信号发送端、信号接收端以及使能控制端分别与所述微处理器的IO端口对应连接。

根据上述描述可知，通过隔离485通信电路实现485通讯连接。

可选地，所述电源管理电路包括第二接口、稳压芯片、五个滤波电容、第一滤波电感和第二滤波电感；

所述第二接口的正极端与所述稳压芯片的输入端电连接，所述稳压芯片的输出端与所述第一滤波电感的第一端电连接，所述第一滤波电感的第二端与所述第二滤波电感的第一端电连接；

所述第二接口的正极端、所述稳压芯片的输入端、所述稳压芯片的输出端、所述第一滤波电感的第二端以及所述第二滤波电感的第二端分别与一个所述滤波电容的第一端电连接，所述第二接口的负极端、所述稳压芯片的接地端以及每一个所述滤波电容的第二端均与数字地电连接；

所述第一滤波电感的第二端作为模拟电源正极端，所述第二滤波电感的第二端作为数字电源正极端。

根据上述描述可知，通过第二接口连接输入电源，由电源管理电路内的稳压芯片将输入电源转换为电路所需要的电压，以维持整个电路的正常工作。

可选地，还包括第一二极管和第二二极管，所述第二接口的正极端与负极端之间电连接一个所述第一二极管，所述第一二极管为双向稳压管；

所述第二接口的正极端还与所述第二二极管的正极端电连接，所述第二二极管的负极端与所述稳压芯片的输入端电连接。

根据上述描述可知，第一二极管和第二二极管用来表征电源管理电路是否处于工作状态。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种数字式标准测力系统的框架示意图；

图2为本实用新型实施例涉及的模数转换电路的示意图；

图3为本实用新型实施例涉及的主控电路的示意图；

图4为本实用新型实施例涉及的隔离485通信电路的示意图；

图5为本实用新型实施例涉及的电源管理电路的示意图；

图6为本实用新型实施例涉及的状态指示电路的示意图；

【附图标记说明】

1、力采集器；11、测力传感器；12、模数转换电路；13、电源管理电路；14、主控电路；15、通信电路；16、状态指示电路；

2、上位机。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

请参照图1至图2，一种数字式标准测力系统，包括力采集器1和上位机2，力采集器1和上位机2为通信连接。

如图1所示，力采集器1包括测力传感器11、模数转换电路12、电源管理电路13、主控电路14、通信电路15和状态指示电路16。其中，测力传感器11与模数转换电路12电连接，模数转换电路12与主控电路14电连接，主控电路14通过通信电路15与上位机2通信连接。整体上来说，由测力传感器11进行模拟力值信号的采集，模数转换电路12对采集的模拟力值信号进行滤波和A/D转换得到初始数字力值信号，由主控电路14进行自动数字化补偿之后输出最终数字力值信号，最终通过通信电路15发送至上位机2进行显示和计算。

其中，电源管理电路13的输入端用于接入电源且输出端分别与测力传感器11、模数转换电路12、电源管理电路13、主控电路14、通信电路15电连接，从而为电路进行供电。其中，接入的电源可以是电池，也可以通过在外接USB接口时进行电源接入。

在本实施例中，模数转换电路12负责将被测力传感器11传回的电信号进行采集和处理转换稳定的电脉冲信号，并将电脉冲信号送入主控电路14。如图2所示，模数转换电路12包括模数转换芯片U2、第一接口J1、穿心电容U5/U6/U7/U8、隔离电感L3和RC并联电路，第一接口J1包括桥路电源正极端an+5V、桥路电源负极端an-5V、传感器信号正极端sig+和传感器信号负极端sig-，桥路电源正极端an+5V、桥路电源负极端an-5V、传感器信号正极端sig+和传感器信号负极端sig-分别通过穿心电容U5、U8、U6、U7连接在模数转换芯片U2的参考电压正极端VREF+、参考电压负极端VREF-、模拟输入信号正极端AIN1+和模拟输入信号负极端AIN1-。由此，本实施例通过穿心电容U5/U6/U7/U8来对模拟信号起到滤波和抗干扰作用。其中，模数转换芯片U2的模拟地端VA-与隔离电感L3的第一端电连接，隔离电感L3的第二端与RC并联电路的第一端同时与数字地ddGND电连接，RC并联电路的第二端与模数转换芯片U2的输出锁存引脚A0电连接。由此，通过隔离电感L3来避免数字地ddGND和模拟地AGND的相互干扰，并通过电阻R2和电容C11组成的RC并联电路来起到衰减高频信号的作用，从而实现数模隔离以及噪声滤除。

在本实施例中，模数转换芯片U2采用CS5550模数转换芯片，24位A/D，分辨率可达±8000000码,数据刷新频率200次/秒，有效地保证测量速度和测量精度。模数转换芯片U2在C1端和C2端之间连接有一个电容C13；其模拟输入信号正极端AIN2+和模拟输入信号负极端AIN2-同时与模拟地AGND电连接；其XIN端和XOUT端连接一高精度晶体谐振器Y1；其模拟电压正极端VA+用于连接模拟电源正极端Sen+5V以及一电容C1的第一端，电容C1的第二端电连接模拟地AGND；其数字电压正极端VD+同时与电容C2的第一端、电阻R3的第一端电连接，电阻R3的第二端和电容C10的第一端同时与数字电源正极端dd+5V电连接，电容C2的第二端和电容C10的第二端同时与数字地ddGND电连接；其参考电压正极端VREF+同时与模拟电源正极端Sen+5V、电容C14的第一端电连接，电容C14的第二端与模拟地AGND电连接。

如图2所示，模拟地AGND和电源地之间还连接有电容C12。

如图3所示，主控电路14包括微处理器U1和时钟电路。因此，结合图2和图3可知，模数转换芯片U2的串行数据输入端SDI、串行数据输出端SDO和串行时钟输入端SCLK分别与微处理器U1的IO端口P2.2、P0.0、P2.3对应连接。如图2所示，模数转换芯片U2的串行数据输入端SDI、串行数据输出端SDO和串行时钟输入端SCLK分别通过电阻R4、R6和R5电连接。

其中，时钟电路包括晶体谐振器Y2和两个微调电容C4、C5，微处理器U1的两个IO端口P1.6、P1.7分别连接在晶体谐振器Y2的两端，晶体谐振器Y2的两端还分别与微调电容C4、C5的第一端电连接，两个微调电容C4、C5的第二端同时与数字地ddGND电连接。由此，采用高精度晶体谐振器Y2来为微处理器U1提供高精度的时钟基准信号。

在本实施例中，微处理器U1的型号为STM32F103，其在IO端口P1.0还同时与电阻R7的第一端、电容C6的第一端以及稳压二极管D3的正极端连接，电阻R7的第二端连接数字电源正极端dd+5V，电容C6的第二端与稳压二极管D3的负极端同时与数字地ddGND电连接。其在VCC端和GND端串联一电容C19且分别与数字电源正极端dd+5V、数字地ddGND对应连接。

如图6所示，状态指示电路16的控制端与微处理器U1的IO端口电连接。具体而言，状态指示电路16包括激光二极管LD1和第一电阻R1，激光二极管LD1的负极端作为控制端与微处理器U1的IO端口P3.0电连接，激光二极管LD1的正极端与第一电阻R1的第一端电连接，第一电阻R1的第二端与数字电源正极端dd+5V电连接。

在本实施例中，通信电路15为隔离485通信电路15。如图4所示，隔离485通信电路15包括485收发芯片U3，485收发芯片U3上的信号发送端TXD、信号接收端RXD以及使能控制端RE/DE分别与微处理器U1的IO端口P3.6、P3.7、P2.0对应连接。在其他实施例中，通信电路15也可以是WiFi、蓝牙等无线通信方式，也可以是其他有线通信方式。

在本实施例中，485收发芯片U3的型号为ADM2483。其VDD端和GND之间并联有电容C8、C3，两个VDD端还同时电连接数字电源正极端dd+5V，两个GND1还同时电连接数字地ddGND；VISOOUT端和VISOIN端同时与电容C9和电容C7的第一端电连接，电容C9和电容C7的第二端与两个GND2电连接。485收发芯片U3的输出端A、B对应连接第四接口J4进行信号输出。

如图5所示，电源管理电路13包括第二接口J3、稳压芯片U4、五个滤波电容C15/C16/C17/C18/C20、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第一二极管D1和第二二极管D2；第二接口J3的正极端与负极端之间电连接一个第一二极管D1，第二接口J3的正极端与第二二极管D2的正极端电连接，第二二极管D2的负极端与稳压芯片U4的输入端IN电连接，稳压芯片U4的输出端OUT与第一滤波电感L1的第一端电连接，第一滤波电感L1的第二端与第二滤波电感L2的第一端电连接；第二接口J3的正极端、稳压芯片U4的输入端IN、稳压芯片U4的输出端OUT、第一滤波电感L1的第二端以及第二滤波电感L2的第二端分别与滤波电容C15、C16、C17、C18、C20的第一端电连接，第二接口J3的负极端、稳压芯片U4的接地端GND以及每一个滤波电容的第二端均与数字地ddGND电连接；第一滤波电感L1的第二端作为模拟电源正极端Sen+5V，第二滤波电感L2的第二端作为数字电源正极端dd+5V。

在本实施例中，稳压芯片U4的型号为LM2940IMP低压差稳压器，由此产生稳定的5V电压，电路中加入电容C15/C16/C17/C18/C20、电感L1/L2，滤除直流电压中的干扰信号，可以改善由于负载的变化而引起的电压波动，使得电路能够输出稳定的直流电压。电源管理电路13串入二极管D1、D2，其作用是表征电源管理电路13是否处于工作状态。

在本实施例中，第一二极管D1为双向稳压管。

在本实施例中，未进行作用说明的电容的作用基本上是滤除电路中的干扰信号，未进行作用说明的电阻的作用基本上是调节电路中不同位置的电位，防止电路中电流大小变化对供电电路的冲击，有效的消除电路网络之间的寄生耦合。

如图2至6所示的电路中，在交叉处有连接关系的均有实心圆进行标记，即交叉处没有实心圆为没有连接关系。同时，在不同的附图中，芯片外的相同名称是连接在一起的，比如图2中的SDI和图3中SDI的相互连接的，其在电路图中为常识，此处进行补充说明。

由此数字式传感器采用集成化的A/D转换电路、数字化信号传输和数字滤波技术，其输出信号不再是微弱的、极易受到外界影响和干扰的模拟信号，而是易于传输、不易受外界影响和抗干扰能力强的数字信号，便于传输、接收和进行数据处理，其信号传输距离较远，可达1200m，抗干扰能力强，在很大程度上提高了传感器的稳定性。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种数字式标准测力系统，其特征在于，包括力采集器和上位机，所述力采集器和所述上位机为通信连接；

所述力采集器包括测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路和通信电路，所述测力传感器与所述模数转换电路电连接，所述模数转换电路与所述主控电路电连接，所述主控电路通过所述通信电路与所述上位机通信连接，所述电源管理电路的输入端用于接入电源且输出端分别与所述测力传感器、模数转换电路、电源管理电路、主控电路、通信电路电连接。

2.根据权利要求1所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述模数转换电路包括模数转换芯片、第一接口和穿心电容，所述主控电路包括微处理器；

所述第一接口包括桥路电源正极端、桥路电源负极端、传感器信号正极端和传感器信号负极端，所述桥路电源正极端、桥路电源负极端、传感器信号正极端和传感器信号负极端分别通过一个穿心电容连接在所述模数转换芯片的参考电压正极端、参考电压负极端、模拟输入信号正极端和模拟输入信号负极端；

所述模数转换芯片的串行数据输入端、串行数据输出端和串行时钟输入端分别与所述微处理器的IO端口对应连接。

3.根据权利要求2所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述模数转换电路还包括隔离电感和RC并联电路，所述模数转换芯片的模拟地端与所述隔离电感的第一端电连接，所述隔离电感的第二端与所述RC并联电路的第一端同时与数字地电连接，所述RC并联电路的第二端与所述模数转换芯片的输出锁存引脚电连接。

4.根据权利要求2所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述主控电路还包括时钟电路，所述时钟电路包括晶体谐振器和两个微调电容，所述微处理器的两个IO端口分别连接在所述晶体谐振器的两端，所述晶体谐振器的两端还分别与其中一个微调电容的第一端电连接，两个所述微调电容的第二端同时与数字地电连接。

5.根据权利要求2所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，还包括状态指示电路，所述状态指示电路的控制端与所述微处理器的IO端口电连接。

6.根据权利要求5所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述状态指示电路包括激光二极管和第一电阻，所述激光二极管的负极端作为控制端与所述微处理器的IO端口电连接，所述激光二极管的正极端与所述第一电阻的第一端电连接，所述第一电阻的第二端与数字电源正极端电连接。

7.根据权利要求2所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述通信电路为隔离485通信电路，所述隔离485通信电路包括485收发芯片，所述485收发芯片上的信号发送端、信号接收端以及使能控制端分别与所述微处理器的IO端口对应连接。

8.根据权利要求1所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，所述电源管理电路包括第二接口、稳压芯片、五个滤波电容、第一滤波电感和第二滤波电感；

所述第二接口的正极端与所述稳压芯片的输入端电连接，所述稳压芯片的输出端与所述第一滤波电感的第一端电连接，所述第一滤波电感的第二端与所述第二滤波电感的第一端电连接；

所述第二接口的正极端、所述稳压芯片的输入端、所述稳压芯片的输出端、所述第一滤波电感的第二端以及所述第二滤波电感的第二端分别与一个所述滤波电容的第一端电连接，所述第二接口的负极端、所述稳压芯片的接地端以及每一个所述滤波电容的第二端均与数字地电连接；

所述第一滤波电感的第二端作为模拟电源正极端，所述第二滤波电感的第二端作为数字电源正极端。

9.根据权利要求8所述的一种数字式标准测力系统，其特征在于，还包括第一二极管和第二二极管，所述第二接口的正极端与负极端之间电连接一个所述第一二极管，所述第一二极管为双向稳压管；

所述第二接口的正极端还与所述第二二极管的正极端电连接，所述第二二极管的负极端与所述稳压芯片的输入端电连接。