一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器的製作方法

2023-06-16 03:44:06 4

專利名稱：一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的多通道、大電荷量、可變增益電荷電壓轉換器，尤其是可以進行混凝土內部動力損傷全過程監測中的電荷數據採集。
背景技術：
地震作用下混凝土結構內部應力監測對於了解結構損傷機理、優化結構抗震設計、降低結構地震破壞風險具有重要意義。壓電智能骨料採用混凝土粗骨料材料為基體與PZT片耦合，利用正壓電效應進行結構動態應力監測，其監測效果很大程度上依賴於二次儀表對監測信號的調理。PZT上產生的電荷需要通過專門的設備轉換能電壓信號，才能進行數據米集。由於地震作用下PZT片上產生的電荷量較大，若採用現有商用電荷放大器進行電荷電壓轉換則易出現過載現象，而導致無法監測；對於輕柔的建築結構，其振動頻率很低，通常不到O. 2Hz，普通電荷放大器時間常數較低，無法準確轉換這樣的低頻信號；針對不同強度的地震輸入下，PZT上產生的電荷量不同，調製用的電荷放大器應使用與之相應的增益。由於地震動輸入強度及頻率的不確定性，普通電荷放大器無法根據地震動輸入自動調整增益以及截止頻率，因而不能滿足多尺度測量的精度要求。因此為方便進行混凝土建築結構地震反應監測，有必要開發設計多通道、高電荷量、可變增益的電荷電壓轉換器。

實用新型內容本實用新型提供一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器，該實用新型有效地解決了上述問題，且性能穩定，可在地震損傷過程監測領域大量推廣應用。本實用新型利用PZT的壓電效應原理採集電荷，經過電荷放大器將電荷信號轉換為電壓信號，利用合適的反饋電容滿足壓電智能骨料強地震下大電荷量的採集要求，並利用可編程微控制器控制電壓增益、濾波電路截止頻率並監測過載，利用多通道組合式結構滿足同時觀測多路信號的要求，輸出信號和相應增益控制值輸入數據採集系統，為混凝土結構地震損傷機制研究提供了可靠有效的監測手段。本實用新型的技術方案如下—種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器，該轉換器由多個集成電路板並行構成，與壓電傳感器輸出端相連，對傳感器多路信號進行實時採集。每個集成電路板包括一個信源放大單元、一個控制單元、一個增益顯示單元和一個供電單元；其中信源放大單元包括電荷電壓轉換電路、可控增益放大電路、可控濾波電路、低通濾波電路、高通濾波電路和電壓射隨器，各部分依次相連；增益顯示單元由電子開關和增益指示燈電路組成；控制單元分別與射隨器輸出端、可控增益放大電路、可控濾波電路、電子開關、計算機信號採集系統連接；電荷電壓轉換電路的反饋電容值根據強地震下的電荷最大值來設定；控制單元用於比較輸出信號的反饋幅值與頻率，並發出控制信號；可控增益放大電路的接收控制信號，自動調節相應放大增益；增益指示單元中的電子開關接受控制信號，選擇顯示相應增益；可控濾波電路接收控制信號後自動調節濾波截止頻率；增益控制值通過接口實時輸出至計算機數據採集系統中，顯示輸出電壓及相應增益值。本實用新型的有益效果1.由多通道組合式結構，滿足同時觀測地震過程中多路信號輸入的需求。2.通過微控制器的控制，對不同幅值的電信號自動調節增益，從而適用於對不同強度的地震作用監測。3.構造簡單、性能穩定，可配接長電纜而不影響測量精度，適用於壓電材料損傷過程監測的廣泛應用。

圖1是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型的控制單元電路圖。圖3是本實用新型的增益顯示單元電路圖。圖中1信源放大單元；2電荷電壓轉換電路；3可控增益放大電路；4可控濾波電路；5低通濾波電路；6高通濾波電路；7電壓射隨器；8控制單元；9增益顯示單元；10電子開關；11增益指示燈電路；12供電單元；13計算機信號採集系統。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本實用新型的具體實施例。如圖1-3所示,其結構包括信源放大單元1、控制單元8、增益顯示單元9和供電單元12。其中信源放大模塊由六級構成電荷電壓轉換電路2、可控增益放大電路3、可控濾波電路4、低通有源濾波電路5、高通濾波電路6、電壓射隨器7依次相連，控制單元8分別與射隨器7、可控增益放大電路3、可控濾波電路4、電子開關10連接。供電電路12為各電路模塊提供合適電壓。信源放大模塊的第一級電荷電壓轉換電路是電阻、反饋電容Cf=5 μ F和FET運算放大器AD820等組成，將輸入由壓電陶瓷傳感器產生的電荷信號Q轉換為電壓信號U1，其中U1=QziCf ;第二級可控增益放大電路的主要晶片是AD8253，它具有四個增益等級。微控制器C8051F300根據比較MAX埠輸出信號Umax幅值，發出AlAO信號控制AD8253進行增益切換，將輸出信號的幅值控制在適當觀測範圍內，第一級的輸出電壓經AD8253被分別放大，即U2=AW1，其中A為AD8253的放大增益，當控制信號AlAO為00、01、10、11時，A分別為1、10,100,1000 ;第三極可控濾波電路3的主要晶片是八階橢圓型開關電容濾波器ΜΑΧ293，其含有11檔轉折頻率。微控制器C8051F300根據MAX埠的輸出Umax信號頻率，產生獨立的時鐘CLK為ΜΑΧ293提供截止頻率；第四級和第五級分別是二階巴特沃茲濾波器和高通濾波器。由第二級放大的電壓信號經過第三、四、五級構成的帶通濾波器後，一路經OUT埠輸出Uout，另一路經兩級電壓射隨器放大後，由MAX埠為微控制器C8051F300提供信號。增益顯示單元主要由電子開關⑶4052、電組、四個發光二級管、四個三極體8050等組成。⑶4052根據微控制器C8051F300發出的控制信號A1A0，點亮相應的增益指示燈，便於數據的記錄與測量供電單元為信源放大模塊的有源晶片均提供±6V電壓，為控制模塊和⑶4052均提供+3. 3V電壓，為增益顯示電路提供+6V電壓。此電荷電壓轉換器將壓電智能骨料產生的電荷轉化為電壓信號，並通過相應的信號採集系統將電壓信號Uout與相應的放大增益值A存入計算機中進行處理，從而可實現對地震過程中混凝土結構動力損傷進行準確可靠的監測。
權利要求1.一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器，其特徵在於該轉換器由多個集成電路板並行構成，每個集成電路板包括一個信源放大單元(I)、一個控制單元(8)、一個增益顯示單元(9)和一個供電單元(12);其中信源放大單元包括電荷電壓轉換電路(2 )、可控增益放大電路(3 )、可控濾波電路(4 )、低通濾波電路(5 )、高通濾波電路(6 )和電壓射隨器(7)，各部分依次相連；增益顯示單元(9)由電子開關(10)和增益指示燈電路 (11)組成；控制單元(8)分別與射隨器輸出端(7)、可控增益放大電路(3)、可控濾波電路(4)、電子開關(10)、計算機信號採集系統(13)連接；電荷電壓轉換電路(2)的反饋電容值根據強地震下的電荷最大值來設定；控制單元(8)用於比較輸出信號的反饋幅值與頻率， 並發出控制信號；可控增益放大電路(3)的接收控制信號，自動調節相應放大增益；增益指示單元中的模擬選擇電子開關接受控制信號，選擇顯示相應增益；可控濾波電路(4)接收控制信號後自動調節濾波截止頻率；增益控制值通過接口實時輸出至計算機數據採集系統中，顯示輸出電壓及相應增益值。
專利摘要一種用於壓電智能骨料地震損傷監測系統的電荷電壓轉換器，由多個集成電路板並行構成。每個集成電路板包括信源放大單元、控制單元、增益顯示單元和供電單元。其中，信源放大單元由電荷電壓轉換電路、可控增益放大電路、可控濾波電路、低通濾波電路、高通濾波電路、電壓射隨器依次相連；增益顯示單元由電子開關和增益指示燈電路組成；控制單元分別與射隨器輸出端、可控增益放大電路、可控濾波電路、電子開關、計算機信號採集系統連接，監測輸出信號、控制電壓增益與增益顯示、控制濾波截止頻率；輸出電壓與相應增益值通過接口被輸送至計算機數據採集系統中並顯示。本實用新型優點可同時採集多路信號；對不同強度地震過程中混凝土結構動力損傷均可靠監測；構造簡單、性能穩定。
文檔編號G01N27/00GK202836838SQ20122059158
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月10日 優先權日2012年11月10日
發明者王一帆, 喻言, 張海濱, 侯爽 申請人:大連理工大學