RU217151U1

RU217151U1 - Analog-to-digital conversion device for working with piezoelectric sensors

Info

Publication number: RU217151U1
Application number: RU2023100395U
Authority: RU
Inventors: Игорь Рафаэльевич Бучин; Иван Юрьевич Ложкин; Тарас Викторович Шевченко; Игорь Дмитриевич Казанцев
Original assignee: общество с ограниченной ответственностью "Инженерный центр "АСИ" (ООО "ИЦ "АСИ")
Filing date: 2023-01-12
Publication date: 2023-03-21

Abstract

Полезная модель относится к аналого-цифровому преобразователю сигнала, поступающего с пьезоэлектрических весоизмерительных датчиков. Технический результат заключается в повышении точности измерений. Для достижения технического результата устройство аналого-цифрового преобразования содержит усилитель (3), преобразующий поступивший с пьезоэлектрического датчика (1) сгенерированный заряд в напряжение. Напряжение поступает на фильтр нижних частот (5), пропускающий сигнал ниже заданной частоты, а затем на аналого-цифровой преобразователь (6). Аналого-цифровой преобразователь (6) имеет дифференциальный вход и измеряет напряжение относительно опорного, которое создает источник опорного напряжения (9), связанный с усилителями заряда (3) и аналого-цифровым преобразователем (6). Сигнал с аналого-цифрового преобразователя (6) поступает на микроконтроллер (7), обрабатывающий и передающий информацию на внешнее периферийное устройство по последовательному интерфейсу RS-485. 1 ил.

The utility model relates to an analog-to-digital converter of a signal coming from piezoelectric load cells. The technical result is to improve the accuracy of measurements. To achieve the technical result, the analog-to-digital conversion device contains an amplifier (3) that converts the generated charge received from the piezoelectric sensor (1) into voltage. The voltage is fed to a low-pass filter (5), which passes a signal below a given frequency, and then to an analog-to-digital converter (6). The analog-to-digital converter (6) has a differential input and measures the voltage relative to the reference, which creates a reference voltage source (9) connected to the charge amplifiers (3) and the analog-to-digital converter (6). The signal from the analog-to-digital converter (6) goes to the microcontroller (7), which processes and transmits information to an external peripheral device via the RS-485 serial interface. 1 ill.

Description

Техническое решение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике и может быть использовано в составе дорожного комплекса весового и габаритного контроля в качестве преобразователя аналогового сигнала, поступающего с весоизмерительных пьезоэлектрических датчиков (скатности) в цифровой вид.The technical solution relates to computing and information-measuring equipment and can be used as part of a road complex for weight and dimensional control as a converter of an analog signal coming from weight-measuring piezoelectric sensors (pitch) into digital form.

Известна система и способ измерения параметров движущегося транспортного средства с помощью электрической динамической рефлектометрии (ЕА031250, 03.03.2014, G01G 19/03, B60W 40/10, B60W 40/13, G01D 5/14), включающая систему обработки сигналов электрической динамической рефлектометрии, с возможностью измерения изменения импеданса датчика параметрических возмущений (скатности) и преобразования изменения импеданса датчика в сигнал. Изменение импеданса, вызванное нагрузкой колеса, приводит к отражениям, которые поступают на приемник-усилитель, в котором они усиливаются, а затем преобразуются в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Преобразованные и дискретизированные данные обрабатываются программируемой вентильной матрицей, затем эти данные дополнительно обрабатываются компьютером с целью получения необходимой информации о транспортном средстве.A known system and method for measuring the parameters of a moving vehicle using electrical dynamic reflectometry (EA031250, 03.03.2014, G01G 19/03, B60W 40/10, B60W 40/13, G01D 5/14), including a signal processing system for electrical dynamic reflectometry, with the ability to measure the change in the impedance of the sensor of parametric disturbances (slope) and convert the change in the impedance of the sensor into a signal. The change in impedance caused by wheel loading results in reflections that are fed to an amplifier receiver where they are amplified and then digitized using an analog-to-digital converter (ADC). The converted and sampled data are processed by a programmable gate array, then these data are further processed by a computer in order to obtain the necessary information about the vehicle.

Недостатком известной системы является относительно большая погрешность, выраженная в искажении формы сигнала, обусловленной повышенной чувствительностью систем с рефлектометрией.The disadvantage of the known system is a relatively large error, expressed in the distortion of the waveform, due to the increased sensitivity of systems with reflectometry.

Технический результат представляет собой повышение точности измерений.The technical result is an increase in measurement accuracy.

Технический результат достигается тем, что устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками в схеме содержит аналого-цифровой преобразователь, преобразованная информация с которого поступает на микроконтроллер, который обрабатывает и передает информацию на внешнее периферийное устройство, характеризующее тем, что поступивший с пьезоэлектрического датчика сгенерированный заряд проходит через усилитель, преобразующий его в напряжение, напряжение поступает на фильтр нижних частот, пропускающий сигнал ниже заданной частоты, а затем на аналого-цифровой преобразователь, при этом аналого-цифровой преобразователь имеет дифференциальный вход и измеряет напряжение относительно опорного, которое создает источник опорного напряжения, связанный с усилителями заряда и аналого-цифровым преобразователем, при этом сигнал с аналого-цифрового преобразователя поступает на микроконтроллер, обрабатывающий и передающий информацию на внешнее периферийное устройство по последовательному интерфейсу RS-485.The technical result is achieved by the fact that the device for analog-to-digital conversion for working with piezoelectric sensors in the circuit contains an analog-to-digital converter, the converted information from which is fed to the microcontroller, which processes and transmits information to an external peripheral device, characterized by the fact that received from the piezoelectric sensor the generated charge passes through an amplifier that converts it into voltage, the voltage is fed to a low-pass filter that passes a signal below a given frequency, and then to an analog-to-digital converter, while the analog-to-digital converter has a differential input and measures the voltage relative to the reference that the source creates reference voltage connected to the charge amplifiers and analog-to-digital converter, while the signal from the analog-to-digital converter goes to the microcontroller, which processes and transmits information to an external peripheral device via research interface RS-485.

Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками поясняется функциональной схемой – фиг. 1.The analog-to-digital conversion device for working with piezoelectric sensors is illustrated by a functional diagram - fig. 1.

Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками представляет собой ударопрочный термопластиковый ABS корпус с креплением для установки на DIN рейку, съемными клеммами с разъёмами для подключения пьезоэлектрических датчиков и источника питания, световыми индикаторами. Внутри корпуса устройства располагается печатная плата, содержащая по крайней мере два измерительных канала подключения 2 для пьезоэлектрических датчиков, каждый из которых оснащен защитой от воздействия статических разрядов 1. Каждый измерительный канал подключения 2 имеет усилитель заряда 3, функционально связанный с переключателем уровня заряда 4. Усилители заряда 3 соединены с фильтрами нижних частот 5, которые связаны с аналого-цифровым преобразователем 6. Аналого-цифровой преобразователь подключен к микроконтроллеру 7, связанному с преобразователем интерфейса RS-485 8. На плате предусмотрен источник опорного напряжения 9, подключенный к усилителям заряда 3 и к АЦП 6. Питание усилителей заряда 3, фильтров нижних частот 5, АЦП 6, микроконтроллера 7, преобразователя интерфейса RS-485 8 и источника опорного напряжения 9 осуществляется от основного источника питания 10 со встроенным DS-DS понижающим преобразователем. Вход источника питания имеет защиту от неправильной полярности и повышенного напряжения 11.The analog-to-digital conversion device for working with piezoelectric sensors is a shock-resistant thermoplastic ABS case with a mount for mounting on a DIN rail, removable terminals with connectors for connecting piezoelectric sensors and a power source, and light indicators. Inside the body of the device there is a printed circuit board containing at least two measurement connection channels 2 for piezoelectric sensors, each of which is equipped with protection against static discharges 1. Each measurement connection channel 2 has a charge amplifier 3, functionally connected to the charge level switch 4. Amplifiers charge 3 are connected to low-pass filters 5, which are connected to the analog-to-digital converter 6. The analog-to-digital converter is connected to the microcontroller 7, connected to the RS-485 interface converter 8. The board provides a reference voltage source 9 connected to charge amplifiers 3 and to the ADC 6. Charge amplifiers 3, low-pass filters 5, ADC 6, microcontroller 7, RS-485 interface converter 8 and reference voltage source 9 are powered from the main power source 10 with a built-in DS-DS down converter. The power supply input is protected against reverse polarity and overvoltage 11.

Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками работает следующим образом.Device analog-to-digital conversion to work with piezoelectric sensors operates as follows.

Устройство предназначено для работы с весоизмерительными пьезоэлектрическими датчиками (скатности), установленными в дорожное полотно, эксплуатируемыми в составе дорожного комплекса весового и габаритного контроля. Конструктивно устройство выполнено в ударопрочном термопластиковом ABS корпусе с креплением, предназначенным для установки на DIN рейку. Устройство устанавливают в шкафу управления, в непосредственной близости к зоне контроля. Для подключения внешних цепей используются съемные клеммы. Подключение пьезоэлектрических датчиков к устройству осуществляют через каналы подключения 2, оснащенные защитой от воздействия статических разрядов 1, необходимой для обеспечения независимого контура тока относительно других контуров. Под воздействием механической нагрузки на пьезоэлектрический датчик, выполняющий роль первичного преобразователя, пьезоэлектрический материал генерирует электрический заряд. Электрический заряд c пьезоэлектрического датчика поступает на усилитель заряда 3, который преобразует его в пропорциональное заряду напряжение. Для работы с разными по уровню зарядами на плате предусмотрены переключатели S1 (канал 1) и S2 (канал 2) 4, предназначенные для установки максимального возможного предела преобразования заряда, который усилитель 3 может преобразовать в напряжение. Напряжение с усилителя заряда 3 поступает на фильтр нижних частот 5, пропускающий сигнал ниже заданной частоты, а затем на аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь 6 имеет дифференциальный вход, который позволяет производить измерение напряжения относительно опорного, что в комбинации с усилителем заряда 3 обеспечивает возможность измерять двухполярный сигнал с пьезоэлектрических датчиков, благодаря чему уменьшается искажение формы сигнала. Опорное напряжение создает источник опорного напряжения 9, подключенный к АЦП 6 и усилителям заряда 3, смещая порог измерения напряжения с нуля на 1,65 В. Данные (информация) с АЦП 6 поступают на микроконтроллер 7, который передает информацию на внешнее периферийное устройство в соответствии с протоколом RS-485, посредством преобразователя интерфейса 8, позволяя увеличить расстояние передачи преобразованной информации до внешнего периферийного устройства, обрабатывающего полученные данные.The device is designed to work with weight-measuring piezoelectric sensors (slope) installed in the roadway, operated as part of the road weight and dimensional control complex. Structurally, the device is made in an impact-resistant thermoplastic ABS case with a mount designed for installation on a DIN rail. The device is installed in the control cabinet, in close proximity to the control zone. Removable terminals are used to connect external circuits. Connection of piezoelectric sensors to the device is carried out through connection channels 2, equipped with protection against static discharges 1, necessary to ensure an independent current circuit relative to other circuits. Under the influence of a mechanical load on the piezoelectric sensor, which acts as a primary transducer, the piezoelectric material generates an electric charge. The electric charge from the piezoelectric sensor is supplied to the charge amplifier 3, which converts it into a voltage proportional to the charge. To work with charges of different levels, the board provides switches S1 (channel 1) and S2 (channel 2) 4, designed to set the maximum possible charge conversion limit that amplifier 3 can convert to voltage. The voltage from the charge amplifier 3 is supplied to the low-pass filter 5, which transmits a signal below a given frequency, and then to the analog-to-digital converter 6 (ADC). The analog-to-digital converter 6 has a differential input that allows measuring the voltage relative to the reference, which, in combination with the charge amplifier 3, makes it possible to measure a bipolar signal from piezoelectric sensors, thereby reducing waveform distortion. The reference voltage creates a reference voltage source 9 connected to the ADC 6 and charge amplifiers 3, shifting the voltage measurement threshold from zero to 1.65 V. The data (information) from the ADC 6 is fed to the microcontroller 7, which transmits information to an external peripheral device in accordance with with the RS-485 protocol, by means of an interface converter 8, allowing to increase the transmission distance of the converted information to an external peripheral device that processes the received data.

Питание усилителей заряда 3, фильтров нижних частот 5, АЦП 6, микроконтроллера 7, преобразователя интерфейса RS-485 8 и источника опорного напряжения 9 осуществляется от основного источника питания 10. Цепи подвода питания устройства изолированы от остальной части схемы с помощью понижающего DC-DC преобразователя, встроенного в основной источник питания 10. Вход источника питания 10 имеет защиту от неправильной полярности и повышенного напряжения 11, обеспечивающей уменьшение помех и искажений сигналов и увеличение степени электробезопасности.Charge amplifiers 3, low-pass filters 5, ADC 6, microcontroller 7, RS-485 interface converter 8 and reference voltage source 9 are powered from the main power supply 10. The power supply circuits of the device are isolated from the rest of the circuit using a step-down DC-DC converter , built into the main power supply 10. The input of the power supply 10 has protection against reverse polarity and overvoltage 11, which reduces interference and signal distortion and increases the degree of electrical safety.

Все признаки заявляемого технического решения в совокупности находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и позволяют создать устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками с более высокой точностью измерения, следствием которой является измерение электрического заряда при механическом воздействии на пьезоэлектрический материал.All the features of the proposed technical solution together are in a causal relationship with the claimed technical result and make it possible to create an analog-to-digital conversion device for working with piezoelectric sensors with a higher measurement accuracy, the consequence of which is the measurement of electric charge during mechanical action on a piezoelectric material.

Claims

An analog-to-digital conversion device for working with piezoelectric sensors in a circuit, containing an analog-to-digital converter, the converted information from which is fed to the microcontroller, which processes and transmits information to an external peripheral device, characterized in that the generated charge received from the piezoelectric sensor passes through the amplifier , which converts it into voltage, the voltage is fed to a low-pass filter that passes a signal below a given frequency, and then to an analog-to-digital converter, while the analog-to-digital converter has a differential input and measures the voltage relative to the reference, which creates a reference voltage source associated with charge amplifiers and an analog-to-digital converter, while the signal from the analog-to-digital converter is fed to the microcontroller, which processes and transmits information to an external peripheral device via the RS-485 serial interface.