適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置的製作方法
2023-06-06 07:09:16
專利名稱：適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應變檢測儀器，具體地說，涉及一種適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置。
背景技術：
對於各種工程施工和質量的鑑定，對於各種產品、裝置在受力狀態下的響應識別，對於地學基礎理論和實驗研究，均廣泛應用應變檢測技術。一般用於工程和材料性能研究的應變檢測精度為10-4級，其應變傳感器輸出最小電壓多為毫伏級電壓；一些特殊研究諸如地球潮夕應變檢測，其檢測精度則為10-10左右，其應變傳感器最小輸出電壓一般在±100μv以上。國內目前一些應變檢測儀器的微弱信號檢測能力一般要求輸入最小信號必須在±10μv以上。
目前該類儀器中，國內採用較多的有直接式應變傳感送變器和電容式應變傳感送變器，但尚無能適配多種應變傳感送變器的應變檢測儀。在儀器終端數據採集處理和顯示方面，國內許多應變檢測儀均採用價格昂貴的數據採集卡。
發明內容
本發明的目的就在於克服現有應變檢測儀器存在的上述缺點和不足，提供一種能適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置，具體地說1、用於0-100Hz頻段，≥±10μv電壓信號高精度檢測，滿足多種需要的數位訊號處理和虛擬儀表終端顯示。
2、同時具備頻率為0-100Hz範圍，振幅穩定相對精度為10-5(10ppm)的數字、模擬波形發生器功能，為精密檢測、控制儀器提供仿真調試和標定。
本發明的目的是這樣實現的本發明在0-100Hz甚低頻範圍，為適應不同的傳感送變器，分別採用了高精度、長期穩定的直接放大通道和鎖相放大通道，保證了對頻響範圍內不低於±10μv的模擬微弱電壓信號的拾取，並以24位模數轉換晶片對拾取的模擬信號進行滿足各種測量需求的DSP(數位訊號處理)，最後由虛擬儀表終端顯示、存儲測量數椐結果。其微弱信號檢測精度指標和DSP精度指標均屬國內外同類儀器先進水平。
本發明的技術支撐為在模擬技術方面，採用了高精度的直接放大式模塊和先進的鎖相放大電路，以及在電路工藝結構方面的抗幹擾措施，確保儀器對輸入模擬量處理長期精度優於5μv/yer。儀器應用先進的∑-Δ數模轉換和模數轉換技術，對於模擬信號數位化確保精度為21位，即量化誤差不大於±1μv，數位訊號發生器採用先進的編程技術和16位∑-Δ數模轉換晶片，能輸出精度為10ppm的各種仿真波形和數據。本儀器的設計思想還將上述技術創新性集成，使本發明既能用作高精度檢測、控制通用儀表，同時還能作為在甚低頻範圍內同類儀器調試、標定的仿真儀器使用。
儀器的檢測部分，對模擬電壓輸入，為適配不同類型傳感送變器，設計了直接放大式電路和鎖相放大式電路兩種輸入通道。輸入通道完成對信號的拾取和調理後，經多路轉換開關選擇送入模數轉換電路數位化，最後送至PC機進行一系列DSP並由虛擬儀表終端顯示所檢測的圖形和數據。
儀器仿真部分，由儀器內部單片機圖形、數據程序庫，或由外部PC機輸入程序產生0-100Hz範圍的正弦波、三角波、矩形波、地球固體潮汐波、地球重力變化、地震波、地脈動以及步長為40μv的系列直流電壓輸出，提供各類精密檢測、控制儀表仿真、調試和標定使用。
裝置、組成和連接具體地說，如圖1所示，本發明由直接放大式通道A、鎖相放大式通道B、數字模擬信號發生器C、DSP及虛擬儀表終端D組成；直接放大式通道A、鎖相放大式通道B、數字模擬信號發生器C分別與DSP及虛擬儀表終端D連接。
1、直接放大式通道A由第一緩衝器1和直接放大器2組成並相互連接。
外部信號(0-100Hz微弱電壓信號)輸入至第一緩衝器1，第一緩衝器1輸出連接直接放大器2之輸入端。緩衝器1為通道提供阻抗變換功能。
2、放大式通道B由第二緩衝器3、交流放大器4、第三緩衝器5、鑑相檢波器6和穩幅振蕩器7組成；第二緩衝器3、交流放大器4、第三緩衝器5、鑑相檢波器6依次連接，穩幅振蕩器7和鑑相檢波器6相互連接。
外部輸入信號(0-100Hz微弱電壓信號)依次送至第二緩衝器3、交流放大器4、第三緩衝器5、鑑相檢波器6；穩幅振蕩器7提供10KHz解調方波信號送至鑑相檢波器6，穩幅振蕩器7同時輸出10KHz穩幅正弦信號供外部電容傳感式應變送變器作電橋激勵電壓用。
3、數字模擬信號發生器C由第一串行通訊接口8、第一單片機9、數模轉換器10、第四緩衝器11組成；第一串行通訊接口8、第一單片機9、數模轉換器10、第四緩衝器11依次連接。
外部PC機程序由第一串行通訊接口8輸入進行TTL電平轉換，轉換後的程序數據流由第一串行通訊接口8的輸出端送至第一單片機9輸入口P3，第一單片機9內部波形發生程序和外部PC機波形發生程序由第一單片機9之P2口輸出至數模轉換器10輸入端，數模轉換器10轉換結果送至第四緩衝器11，第四緩衝器11輸出一路送至DSP及虛擬儀表終端部件D處理顯示，另一路直接輸出供其它儀器標定、仿真使用。
4、DSP及虛擬儀表終端D由多路轉換開關12、模數轉換器13、第二單片機14、第二串行通訊接口15、PC機終端16組成；多路轉換開關12、模數轉換器13、第二單片機14、第二串行通訊接口15、PC機終端16依次連接。
多路轉換開關12各輸入通道分別接收來自直接放大通道A、鎖相放大通道B、數字模擬信號發生器C以及其它通道輸出的模擬信號，多路轉換開關12受第二單片機14控制，根椐測量需要選通的模擬信號由多路轉換開關12的輸出端輸出至模數轉換器13進行模數轉換，轉換結果的串行數位訊號由模數轉換器13的輸出端送至第二單片機14的數椐輸入接口，轉換後的串行數椐流由第二單片機14的輸出口P2送至第二串行通訊接口15，第二串行通訊接口15的輸出端連至PC機終端16之COM口。
本發明的工作原理是0-100Hz微弱電壓信號由直接放大式通道A輸入。
10KHz微弱電壓信號由鎖相放大式通道B輸入。
鎖相放大式通道B輸出10KHz穩幅正弦振蕩電壓供電容傳感器作橋路激勵電壓用。
直接放大式通道A、鎖相放大式通道B和數字模擬信號發生器C輸出的模擬信號分別送至DSP及虛擬儀表終端D的多路轉換開關12，通過對虛擬儀表終端操作選擇多路轉換開關12的輸入通道，多路轉換開關12輸出信號送至模數轉換器13數位化再送至第二單片機14，經第二單片機14串行輸出的數位訊號經第二串行通訊接口15進行TTL/PC機電平轉換後送PC機終端16進行DSP處理和虛擬儀表終端顯示。
數字模擬信號發生器C可以通過第一串行通訊接口8輸入外部PC機波形發生程序，也可以啟動第一單片機9片內波形發生程序。程序產生的波形數據流由第一單片機9之P2口輸出送數模轉換器10進行數模轉換，轉換後的模擬電壓波形信號由數模轉換器10輸出至第四緩衝器11，再由第四緩衝器11輸出，一路輸出提供仿真調試信號輸出，另一路輸出至多路轉換開關12作本機仿真、調試和格值標定和使用。
本發明具有以下優點和積極效果1、10-11量級應變測量以及相應的±10μV輸入微弱信號測量精度，為國內外同類儀器先進水平。
2、兼備的高精度的數字、模擬波形發生器，是創新性的一儀多用。
3、採用∑-Δ數模、模數轉換技術，成本低廉，精度確保，因此儀器性價比高。
4、可望在甚低頻微弱信號檢測、精密自動控制領域得到推廣應用。
5、先進的微弱信號抗幹擾技術，確保儀器長期穩定性。
本發明可用於10-11量級微弱應變信號、10-4μm量級微弱位移信號以及傳感送變器最小輸出值為±10μv的壓力、溫度等物理量檢測，儀器對拾取的微弱電壓信號進行數據採集和數字濾波並以虛擬儀表終端方式存儲和顯示被檢測信號。本發明可作為甚低頻電壓輸入型高精度檢測、控制通用儀表使用，同時還具有微弱甚低頻數字模擬液形發生器功能，可輸出0-100Hz正弦波、三角波、矩形波和地球固體潮汐、地球重力變化等波形。該功能可供各種高精度檢測儀表和地球物理檢測儀器仿真調試和標定使用。
經檢測，本發明具有以下性能指標儀器工作環境溫度 0-50℃；頻響 0-100Hz；檢測輸入電壓範圍 ±2.5V；儀器檢測精度優於 ±10μV；儀器溫漂 3μV/yer；信號發生器頻率範圍 0-100Hz；
信號發生器輸出最大幅度 ±2.5V；信號發生器輸出電壓精度優於 40μV。
圖1-本發明組成方框圖；圖2-緩衝器電路圖；圖3-直接放大器電路圖；圖4-交流放大器電路圖；圖5-鑑相檢波器電路圖；圖6-穩幅振蕩器電路圖；圖7-串行通訊接口電路圖；圖8-單片機電路圖；圖9-數模轉換器電路圖；圖10-多路轉換開關電路圖；圖11-模數轉換器電路圖；圖12-單片機電路圖；圖13-PC機終端電路方框圖。
其中A-直接放大式通道；B-鎖相放大式通道；C-數字模擬信號發生器；D-DSP(數位訊號處理)及虛擬儀表終端；1-第一緩衝器；2-直接放大器；3-第二緩衝器；
4-交流放大器；5-第三緩衝器；6-鑑相檢波器；7-穩幅振蕩器；8-第一串行通訊接口；9-第一單片機；10-數模轉換器；11-第四緩衝器；12-多路轉換開關；13-模數轉換器；14-第二單片機；15-第二串行通訊接口；16-PC機終端，16.1-PC機硬體結構，16.2-數據濾波程序模塊，16.3-虛擬儀表程序模塊，16.4-虛擬儀表人機對話顯示界面。
具體實施例方式
*由圖2可知，緩衝器包括第一緩衝器1、第二緩衝器3、第三緩衝器5、第四緩衝器11，其電路相同，均由U1MAX400組成。信號從3端輸入，由6端輸出，輸入端電壓偏離值不大於±2μV，輸入端電壓溫漂≤0.03μV/℃。
*由圖3可知，直接放大器2由U2235L模塊組成反相放大器，增益G＝30 。信號從Vin端輸入，由Vout端輸出。輸入端電壓偏離值不大於±2μV，輸入端電壓溫漂≤0.03μV/℃。
*由圖4可知，交流放大器4由U3MAX400組成交流同相比例放大器，增益G＝30。信號從Vin端輸入，由Vout端輸出。
*由圖5可知，鑑相檢波器6由U4MAX333通道開關、U5MAX400低漂移運算放大器和由R1、C1、C2組成無源濾波電路。
10KHz傳感變送器微弱信號由鑑相檢波器6的A端輸入，來自儀器內部穩幅振蕩器7的鑑相參考方波由U41端輸入，U4和U5組成全波鑑相電路，R3、C1、C2組成的濾波器濾去10KHz載波後保留經放大的甚低頻信號由B端輸出至D部件多路轉換開關12。
*由圖6可知，穩幅振蕩器7由U6MAX400、U7TL081、U8LM319組成，U6為文式振蕩電路，T1、T2、T3組成穩幅反饋電路，W1可以調節穩幅輸出幅度。
穩幅振蕩器由A端輸出2-4V 10KHz正弦振蕩電壓，穩幅精度為±Vout×0.1％，U7為移相電路W2可調節相移角值，U8為過零比較電路，U8輸出經B端送鑑相器6鑑相參考方波輸入端。
*由圖7可知，串行通訊接口包括第一串行通訊接口8、第二串行通訊接口15，由U9MAX232組成，其功能為實現PC機和單片機之間通訊電平轉換。U9之13、14端與PC機串行通訊口COM連接，11、12端與儀器單片機串行輸入輸出口RXD和TXD連接。
*由圖8可知，第一單片機9由U1089S51組成。其EA端接高電平，保證單片機9運行片內程序存貯器程序。U10之21端為串行數據輸出端，與數模轉換器10之U11的數據輸入端連接，U10之22、23端為數模轉換邏輯控制輸出，與數模轉換部件器之U11的8、10端連接。
*由圖9可知，數模轉換器10，由U11MAX542和雙極性輸出電路U12MAX400組成。單片機9啟動波形發生程序後經U10P2口將串行數據和邏輯控制信號傳送U11的數據輸入和邏輯控制輸入端，U11在單片機控制下啟動數模轉換，將單片機9程序中各種波形數據轉換成相應的模擬波形或步長為40μV的精密直流電壓信號由U12雙極性輸出電路輸出。
*由圖10可知，多路轉換開關12，由U13MAX4617組成。U13的3端為多路轉換開關輸出端，與DSP及虛擬儀表終端D部件的模數轉換器13輸入端連接，U13之1、2、3、4、5、13、14、15為各通道輸入，其中4端接入+2.5V基準電壓用來校準A/D轉換滿度值，5端接入零電壓用來校準模數轉換零位值。U13之9、10、11端為通道解碼邏輯輸入端，U13之6端為片迭輸入，這些端子均與第二單片機14 P1口連接，保證模數轉換器13能接收所選擇的輸入通道信號。
*由圖11可知，模數轉換器13由U14AD7712組成。AD7712為∑-Δ型24位模數轉換器，本儀器轉換確保精度21位(即±1μV)，模擬電壓由U147端輸入，基準參考電壓+2.5V由15端輸入，U9之19、20、22端接收第二單片機14P2口轉換程序指令，U9之轉換輸出串行數據由4端輸出至第二單片機14 P2口，再由第二單片機14發送至第二串行通訊接口15進行電平轉換後，再送至PC機終端16，進行DSP和顯示。
*由圖12可知，第二單片機14由U1589S51組成。其EA端接高電平，U15運行片內程序，P1口輸出多路轉換選擇通道指令，P2口輸出控制模數轉換程序指令和接收模數轉換數椐流。
*由圖13可知，PC機終端16由PC機硬體結構16.1、數據濾波程序模塊16.2、虛擬儀表程序模塊16.3及虛擬儀表人機對話顯示界面16.4組成，並依次連接。PC機終端16通過串行通行接口COM與部件D第二串行通訊接口15連接，接收模數轉換器13輸出數據信號。數據濾波模塊採用波得沃茲數據濾波算法程序，濾波階數可通過虛擬儀表終端界面選擇，轉折頻率在可由1-100Hz範圍內根據需要選定。
虛擬儀表人機對話顯示界面具有當前時間、檢測數據、檢測波形顯示，並備有儀器操作選擇的各種控鍵按鈕。
權利要求
1.一種適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置，其特徵在於由直接放大式通道(A)、鎖相放大式通道(B)、數字模擬信號發生器(C)、DSP及虛擬儀表終端(D)組成；直接放大式通道(A)、鎖相放大式通道(B)、數字模擬信號發生器(C)分別與DSP及虛擬儀表終端(D)連接；所述的直接放大式通道(A)由第一緩衝器(1)和直接放大器(2)組成並相互連接；所述的放大式通道(B)由第二緩衝器(3)、交流放大器(4)、第三緩衝器(5)、鑑相檢波器(6)和穩幅振蕩器(7)組成；第二緩衝器(3)、交流放大器(4)、第三緩衝器(5)、鑑相檢波器(6)依次連接，穩幅振蕩器(7)和鑑相檢波器(6)相互連接；所述的數字模擬信號發生器(C)由第一串行通訊接口(8)、第一單片機(9)、數模轉換器(10)、第四緩衝器(11)組成；第一串行通訊接口(8)、第一單片機(9)、數模轉換器(10)、第四緩衝器(11)依次連接；所述的DSP及虛擬儀表終端(D)由多路轉換開關(12)、模數轉換器(13)、第二單片機(14)、第二串行通訊接口(15)、PC機終端(16)組成；多路轉換開關(12)、模數轉換器(13)、第二單片機(14)、第二串行通訊接口(15)、PC機終端(16)依次連接。
2.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於緩衝器包括第一緩衝器(1)、第二緩衝器(3)、第三緩衝器(5)、第四緩衝器(11)，其電路相同，均由U1MAX400組成。
3.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於直接放大器(2)由U2235L模塊組成反相放大器。
4.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於交流放大器(4)由U3MAX400組成交流同相比例放大器。
5.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於鑑相檢波器(6)由U4MAX333通道開關、U5MAX400低漂移運算放大器和由R1、C1、C2組成無源濾波電路。
6.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於穩幅振蕩器(7)由U6MAX400、U7TL081、U8LM319組成。
7.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於串行通訊接口包括第一串行通訊接口(8)、第二串行通訊接口(15)，由U9MAX232組成。
8.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於第一單片機(9)由U1089S51組成，第二單片機(14)由U1589S51組成。
9.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於數模轉換器(10)，由U11MAX542和雙極性輸出電路U12MAX400組成；模數轉換器(13)由U14AD7712組成。
10.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於多路轉換開關(12)，由U13MAX4617組成。
全文摘要
本發明公開了一種適配多種傳感器的高精度應變檢測仿真裝置，涉及一種應變檢測儀器。本發明由直接放大式通道A、鎖相放大式通道B、數字模擬信號發生器C、DSP及虛擬儀表終端D組成；直接放大式通道A由第一緩衝器1和直接放大器2組成並相互連接；放大式通道B由第二緩衝器3、交流放大器4、第三緩衝器5、鑑相檢波器6和穩幅振蕩器7組成；數字模擬信號發生器C由第一串行通訊接口8、第一單片機9、數模轉換器10、第四緩衝器11組成；DSP及虛擬儀表終端D由多路轉換開關12、模數轉換器13、第二單片機14、第二串行通訊接口15、PC機終端16組成。本發明為國內外同類儀器先進水平。可望在甚低頻微弱信號檢測、精密自動控制領域得到推廣應用。
文檔編號G06F17/00GK1632470SQ20041006136
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月16日 優先權日2004年12月16日
發明者潘顯章, 謝中華 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所