CN2762071Y

CN2762071Y - 高精度应变检测仿真仪

Info

Publication number: CN2762071Y
Application number: CN 200420057770
Authority: CN
Inventors: 潘显章; 谢中华
Original assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2014-12-16

Abstract

本实用新型公开了一种高精度应变检测仿真仪，涉及一种应变检测仪器。本实用新型由直接放大式通道A、锁相放大式通道B、数字模拟信号发生器C、DSP及虚拟仪表终端D组成；直接放大式通道A由第一缓冲器1和直接放大器2组成并相互连接；放大式通道B由第二缓冲器3、交流放大器4、第三缓冲器5、鉴相检波器6和稳幅振荡器7组成；数字模拟信号发生器C由第一串行通讯接口8、第一单片机9、数模转换器10、第四缓冲器11组成；DSP及虚拟仪表终端D由多路转换开关12、模数转换器13、第二单片机14、第二串行通讯接口15、PC机终端16组成。本实用新型为国内外同类仪器先进水平。可望在甚低频微弱信号检测、精密自动控制领域得到推广应用。

Description

高精度应变检测仿真仪

技术领域

本实用新型涉及一种应变检测仪器，具体地说，涉及一种适配多种传感器的高精度应变检测仿真仪。

背景技术

对于各种工程施工和质量的鉴定，对于各种产品、装置在受力状态下的响应识别，对于地学基础理论和实验研究，均广泛应用应变检测技术。一般用于工程和材料性能研究的应变检测精度为10^-4级，其应变传感器输出最小电压多为毫伏级电压；一些特殊研究诸如地球潮夕应变检测，其检测精度则为10^-10左右，其应变传感器最小输出电压一般在±100μv以上。国内目前一些应变检测仪器的微弱信号检测能力一般要求输入最小信号必须在±10μv以上。

目前该类仪器中，国内采用较多的有直接式应变传感送变器和电容式应变传感送变器，但尚无能适配多种应变传感送变器的应变检测仪。在仪器终端数据采集处理和显示方面，国内许多应变检测仪均采用价格昂贵的数据采集卡。

发明内容

本实用新型的目的就在于克服现有应变检测仪器存在的上述缺点和不足，提供一种高精度应变检测仿真仪，具体地说：

1、用于0-100Hz频段，≥±10μv电压信号高精度检测，满足多种需要的数字信号处理和虚拟仪表终端显示。

2、同时具备频率为0-100Hz范围，振幅稳定相对精度为10^-5(10ppm)的数字、模拟波形发生器功能，为精密检测、控制仪器提供仿真调试和标定。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型在0-100Hz甚低频范围，为适应不同的传感送变器，分别采用了高精度、长期稳定的直接放大通道和锁相放大通道，保证了对频响范围内不低于±10μv的模拟微弱电压信号的拾取，并以24位模数转换芯片对拾取的模拟信号进行满足各种测量需求的DSP(数字信号处理)，最后由虚拟仪表终端显示、存储测量数椐结果。其微弱信号检测精度指标和DSP精度指标均属国内外同类仪器先进水平。

本实用新型的技术支撑为：在模拟技术方面，采用了高精度的直接放大式模块和先进的锁相放大电路，以及在电路工艺结构方面的抗干扰措施，确保仪器对输入模拟量处理长期精度优于5μv/yer。仪器应用先进的∑-Δ数模转换和模数转换技术，对于模拟信号数字化确保精度为21位，即量化误差不大于±1μv，数字信号发生器采用先进的编程技术和16位∑-Δ数模转换芯片，能输出精度为10ppm的各种仿真波形和数据。本仪器的设计思想还将上述技术创新性集成，使本实用新型既能用作高精度检测、控制通用仪表，同时还能作为在甚低频范围内同类仪器调试、标定的仿真仪器使用。

仪器的检测部分，对模拟电压输入，为适配不同类型传感送变器，设计了直接放大式电路和锁相放大式电路两种输入通道。输入通道完成对信号的拾取和调理后，经多路转换开关选择送入模数转换电路数字化，最后送至PC机进行一系列DSP并由虚拟仪表终端显示所检测的图形和数据。

仪器仿真部分，由仪器内部单片机图形、数据程序库，或由外部PC机输入程序产生0-100Hz范围的正弦波、三角波、矩形波、地球固体潮汐波、地球重力变化、地震波、地脉动以及步长为40μv的系列直流电压输出，提供各类精密检测、控制仪表仿真、调试和标定使用。

装置、组成和连接：

具体地说，如图1所示，本实用新型由直接放大式通道A、锁相放大式通道B、数字模拟信号发生器C、DSP及虚拟仪表终端D组成；直接放大式通道A、锁相放大式通道B、数字模拟信号发生器C分别与DSP及虚拟仪表终端D连接。

1、直接放大式通道A

由第一缓冲器1和直接放大器2组成并相互连接。

外部信号(0-100Hz微弱电压信号)输入至第一缓冲器1，第一缓冲器1输出连接直接放大器2之输入端。缓冲器1为通道提供阻抗变换功能。

2、放大式通道B

由第二缓冲器3、交流放大器4、第三缓冲器5、鉴相检波器6和稳幅振荡器7组成；

第二缓冲器3、交流放大器4、第三缓冲器5、鉴相检波器6依次连接，稳幅振荡器7和鉴相检波器6相互连接。

外部输入信号(0-100Hz微弱电压信号)依次送至第二缓冲器3、交流放大器4、第三缓冲器5、鉴相检波器6；稳幅振荡器7提供10KHz解调方波信号送至鉴相检波器6，稳幅振荡器7同时输出10KHz稳幅正弦信号供外部电容传感式应变送变器作电桥激励电压用。

3、数字模拟信号发生器C

由第一串行通讯接口8、第一单片机9、数模转换器10、第四缓冲器11组成；第一串行通讯接口8、第一单片机9、数模转换器10、第四缓冲器11依次连接。

外部PC机程序由第一串行通讯接口8输入进行TTL电平转换，转换后的程序数据流由第一串行通讯接口8的输出端送至第一单片机9输入口P3，第一单片机9内部波形发生程序和外部PC机波形发生程序由第一单片机9之P2口输出至数模转换器10输入端，数模转换器10转换结果送至第四缓冲器11，第四缓冲器11输出一路送至DSP及虚拟仪表终端部件D处理显示，另一路直接输出供其它仪器标定、仿真使用。

4、DSP及虚拟仪表终端D

由多路转换开关12、模数转换器13、第二单片机14、第二串行通讯接口15、PC机终端16组成；多路转换开关12、模数转换器13、第二单片机14、第二串行通讯接口15、PC机终端16依次连接。

多路转换开关12各输入通道分别接收来自直接放大通道A、锁相放大通道B、数字模拟信号发生器C以及其它通道输出的模拟信号，多路转换开关12受第二单片机14控制，根椐测量需要选通的模拟信号由多路转换开关12的输出端输出至模数转换器13进行模数转换，转换结果的串行数字信号由模数转换器13的输出端送至第二单片机14的数椐输入接口，转换后的串行数椐流由第二单片机14的输出口P2送至第二串行通讯接口15，第二串行通讯接口15的输出端连至PC机终端16之COM口。

本实用新型的工作原理是：

0-100Hz微弱电压信号由直接放大式通道A输入。

10KHz微弱电压信号由锁相放大式通道B输入。

锁相放大式通道B输出10KHz稳幅正弦振荡电压供电容传感器作桥路激励电压用。

直接放大式通道A、锁相放大式通道B和数字模拟信号发生器C输出的模拟信号分别送至DSP及虚拟仪表终端D的多路转换开关12，通过对虚拟仪表终端操作选择多路转换开关12的输入通道，多路转换开关12输出信号送至模数转换器13数字化再送至第二单片机14，经第二单片机14串行输出的数字信号经第二串行通讯接口15进行TTL/PC机电平转换后送PC机终端16进行DSP处理和虚拟仪表终端显示。

数字模拟信号发生器C可以通过第一串行通讯接口8输入外部PC机波形发生程序，也可以启动第一单片机9片内波形发生程序。程序产生的波形数据流由第一单片机9之P2口输出送数模转换器10进行数模转换，转换后的模拟电压波形信号由数模转换器10输出至第四缓冲器11，再由第四缓冲器11输出，一路输出提供仿真调试信号输出，另一路输出至多路转换开关12作本机仿真、调试和格值标定和使用。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、10-11量级应变测量以及相应的±10μV输入微弱信号测量精度，为国内外同类仪器先进水平。

2、兼备的高精度的数字、模拟波形发生器，是创新性的一仪多用。

3、采用∑-Δ数模、模数转换技术，成本低廉，精度确保，因此仪器性价比高。

4、可望在甚低频微弱信号检测、精密自动控制领域得到推广应用。

5、先进的微弱信号抗干扰技术，确保仪器长期稳定性。

本实用新型可用于10-11量级微弱应变信号、10-4μm量级微弱位移信号以及传感送变器最小输出值为±10μv的压力、温度等物理量检测，仪器对拾取的微弱电压信号进行数据采集和数字滤波并以虚拟仪表终端方式存储和显示被检测信号。本实用新型可作为甚低频电压输入型高精度检测、控制通用仪表使用，同时还具有微弱甚低频数字模拟液形发生器功能，可输出0-100Hz正弦波、三角波、矩形波和地球固体潮汐、地球重力变化等波形。该功能可供各种高精度检测仪表和地球物理检测仪器仿真调试和标定使用。

经检测，本实用新型具有以下性能指标：

仪器工作环境温度0-50℃；

频响0-100Hz；

检测输入电压范围±2.5V；

仪器检测精度优于±10μV；

仪器温漂3μV/yer；

信号发生器频率范围0-100Hz；

信号发生器输出最大幅度±2.5V；

信号发生器输出电压精度优于40μV。

附图说明

图1—本实用新型组成方框图；

图2—缓冲器电路图；

图3—直接放大器电路图；

图4—交流放大器电路图；

图5—鉴相检波器电路图；

图6—稳幅振荡器电路图；

图7—串行通讯接口电路图；

图8—单片机电路图；

图9—数模转换器电路图；

图10—多路转换开关电路图；

图11—模数转换器电路图；

图12—单片机电路图；

图13—PC机终端电路方框图。

其中：

A—直接放大式通道；

B—锁相放大式通道；

C—数字模拟信号发生器；

D—DSP(数字信号处理)及虚拟仪表终端；

1—第一缓冲器；

2—直接放大器；

3—第二缓冲器；

4—交流放大器；

5—第三缓冲器；

6—鉴相检波器；

7—稳幅振荡器；

8—第一串行通讯接口；

9—第一单片机；

10—数模转换器；

11—第四缓冲器；

12—多路转换开关；

13—模数转换器；

14—第二单片机；

15—第二串行通讯接口；

16—PC机终端，

16.1—PC机硬件结构， 16.2—数据滤波程序模块，

16.3—虚拟仪表程序模块， 16.4—虚拟仪表人机对话显示界面。

具体实施方式

*由图2可知，缓冲器包括第一缓冲器1、第二缓冲器3、第三缓冲器5、第四缓冲器11，其电路相同，均由U₁ MAX400组成。信号从3端输入，由6端输出，输入端电压偏离值不大于±2μV，输入端电压温漂≤0.03μV/℃。

*由图3可知，直接放大器2由U₂ 235L模块组成反相放大器，增益G＝30。信号从Vin端输入，由Vout端输出。输入端电压偏离值不大于±2μV，输入端电压温漂≤0.03μV/℃。

*由图4可知，交流放大器4由U₃ MAX400组成交流同相比例放大器，增益G＝30。信号从Vin端输入，由Vout端输出。

*由图5可知，鉴相检波器6由U₄ MAX333通道开关、U₅ MAX400低漂移运算放大器和由R₁、C₁、C₂组成无源滤波电路。

10KHz传感变送器微弱信号由鉴相检波器6的A端输入，来自仪器内部稳幅振荡器7的鉴相参考方波由U₄1端输入，U₄和U₅组成全波鉴相电路，R₃、C₁、C2组成的滤波器滤去10KHz载波后保留经放大的甚低频信号由B端输出至D部件多路转换开关12。

*由图6可知，稳幅振荡器7由U₆ MAX400、U₇ TL081、U₈ LM319组成，U₆为文式振荡电路，T₁、T₂、T₃组成稳幅反馈电路，W₁可以调节稳幅输出幅度。

稳幅振荡器由A端输出2-4V 10KHz正弦振荡电压，稳幅精度为±Vout×0.1％，U₇为移相电路W₂可调节相移角值，U₈为过零比较电路，U₈输出经B端送鉴相器6鉴相参考方波输入端。

*由图7可知，串行通讯接口包括第一串行通讯接口8、第二串行通讯接口15，由U₉ MAX232组成，其功能为实现PC机和单片机之间通讯电平转换。U₉之13、14端与PC机串行通讯口COM连接，11、12端与仪器单片机串行输入输出口RXD和TXD连接。

*由图8可知，第一单片机9由U₁₀ 89S51组成。其 EA端接高电平，保证单片机9运行片内程序存贮器程序。U₁₀之21端为串行数据输出端，与数模转换器10之U₁₁的数据输入端连接，U₁₀之22、23端为数模转换逻辑控制输出，与数模转换部件器之U₁₁的8、10端连接。

*由图9可知，数模转换器10，由U₁₁ MAX542和双极性输出电路U₁₂ MAX400组成。单片机9启动波形发生程序后经U₁₀ P₂口将串行数据和逻辑控制信号传送U₁₁的数据输入和逻辑控制输入端，U₁₁在单片机控制下启动数模转换，将单片机9程序中各种波形数据转换成相应的模拟波形或步长为40μV的精密直流电压信号由U₁₂双极性输出电路输出。

*由图10可知，多路转换开关12，由U₁₃ MAX4617组成。U₁₃的3端为多路转换开关输出端，与DSP及虚拟仪表终端D部件的模数转换器13输入端连接，U₁₃之1、2、3、4、5、13、14、15为各通道输入，其中4端接入+2.5V基准电压用来校准A/D转换满度值，5端接入零电压用来校准模数转换零位值。U₁₃之9、10、11端为通道译码逻辑输入端，U₁₃之6端为片迭输入，这些端子均与第二单片机14 P₁口连接，保证模数转换器13能接收所选择的输入通道信号。

*由图11可知，模数转换器13由U₁₄ AD7712组成。AD7712为∑-Δ型24位模数转换器，本仪器转换确保精度21位(即±1μV)，模拟电压由U₁₄ 7端输入，基准参考电压+2.5V由15端输入，U₉之19、20、22端接收第二单片机14P₂口转换程序指令，U₉之转换输出串行数据由4端输出至第二单片机14 P₂口，再由第二单片机14发送至第二串行通讯接口15进行电平转换后，再送至PC机终端16，进行DSP和显示。

*由图12可知，第二单片机14由U₁₅ 89S51组成。其 EA端接高电平，U₁₅运行片内程序，P₁口输出多路转换选择通道指令，P₂口输出控制模数转换程序指令和接收模数转换数椐流。

*由图13可知，PC机终端16由PC机硬件结构16.1、数据滤波程序模块16.2、虚拟仪表程序模块16.3及虚拟仪表人机对话显示界面16.4组成，并依次连接。PC机终端16通过串行通行接口COM与部件D第二串行通讯接口15连接，接收模数转换器13输出数据信号。数据滤波模块采用波得沃兹数据滤波算法程序，滤波阶数可通过虚拟仪表终端界面选择，转折频率在可由1-100Hz范围内根据需要选定。

虚拟仪表人机对话显示界面具有当前时间、检测数据、检测波形显示，并备有仪器操作选择的各种控键按钮。

Claims

1、一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：

由直接放大式通道(A)、锁相放大式通道(B)、数字模拟信号发生器(C)、DSP及虚拟仪表终端(D)组成；直接放大式通道(A)、锁相放大式通道(B)、数字模拟信号发生器(C)分别与DSP及虚拟仪表终端(D)连接；

所述的直接放大式通道(A)由第一缓冲器(1)和直接放大器(2)组成并相互连接；

所述的放大式通道(B)由第二缓冲器(3)、交流放大器(4)、第三缓冲器(5)、鉴相检波器(6)和稳幅振荡器(7)组成；第二缓冲器(3)、交流放大器(4)、第三缓冲器(5)、鉴相检波器(6)依次连接，稳幅振荡器(7)和鉴相检波器(6)相互连接；

所述的数字模拟信号发生器(C)由第一串行通讯接口(8)、第一单片机(9)、数模转换器(10)、第四缓冲器(11)组成；第一串行通讯接口(8)、第一单片机(9)、数模转换器(10)、第四缓冲器(11)依次连接；

所述的DSP及虚拟仪表终端(D)由多路转换开关(12)、模数转换器(13)、第二单片机(14)、第二串行通讯接口(15)、PC机终端(16)组成；多路转换开关(12)、模数转换器(13)、第二单片机(14)、第二串行通讯接口(15)、PC机终端(16)依次连接。

2、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：缓冲器包括第一缓冲器(1)、第二缓冲器(3)、第三缓冲器(5)、第四缓冲器(11)，其电路相同，均由U₁ MAX400组成。

3、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：直接放大器(2)由U₂ 235L模块组成反相放大器。

4、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：交流放大器(4)由U₃ MAX400组成交流同相比例放大器。

5、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：鉴相检波器(6)由U₄ MAX333通道开关、U₅ MAX400低漂移运算放大器和由R₁、C₁、C₂组成无源滤波电路。

6、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：稳幅振荡器(7)由U₆ MAX400、U₇ TL081、U₈ LM319组成。

7、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：串行通讯接口包括第一串行通讯接口(8)、第二串行通讯接口(15)，由U₉ MAX232组成。

8、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：第一单片机(9)由U₁₀ 89S51组成。第二单片机(14)由U₁₅ 89S51组成。

9、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：数模转换器(10)，由U₁₁ MAX542和双极性输出电路U₁₂ MAX400组成；模数转换器(13)由U₁₄ AD7712组成。

10、按权利要求1所述的一种高精度应变检测仿真仪，其特征在于：多路转换开关(12)，由U₁₃ MAX4617组成。