一种用于模拟位移传感器数字化的电子装置和检测方法与流程

本发明涉及位移传感器信号转换与工业测量，尤其涉及一种可将模拟式位移传感器输出的电压、电流模拟量信号，精准转换为标准同步串行接口（ssi）数字信号的电子装置，以及基于该装置实现的位移检测方法，可广泛应用于航空地面强度试验、工业自动化测量、结构健康监测、工程机械位移检测等需要高精度位移测量的数字化升级场景。

背景技术：

1、位移传感器是航空地面强度试验领域的核心基础传感器之一，其测量精度、传输稳定性与抗干扰能力，直接决定了整套测量系统的性能上限和试验的效果。

2、近年来，随着全球工业数字化、智能化转型的深度推进，数字式位移传感器凭借抗电磁干扰能力强、信号长距离传输无衰减、测量精度高、可实现绝对位置数据传输、易于与上位机测量系统组网集成等核心优势，在工业测量领域实现了快速普及与规模化应用。

3、其中，同步串行接口（synchronous serial interface，以下简称ssi）作为工业领域绝对式位移测量设备的主流标准接口，具备时序规范统一、接口兼容性强、传输速率高、同步性好等突出特点，已成为当前行业内新建、升级的数字化测量系统的标配接入接口，绝大多数主流工业测量控制器、数据采集设备均以ssi接口作为位移传感器的核心接入标准。

4、在此行业技术发展趋势下，航空强度试验体系也同步开展了全面的数字化升级改造，逐步开始了测量系统的数字化迭代，批量采购并应用了适配ssi接口的数字位移传感器，开始了测量系统高精度、数字化、网络化的能力升级。但在系统升级落地与日常生产运营过程中，申请人面临着亟待解决的存量设备兼容与新增设备适配的双重核心痛点：

5、其一，申请人现有存量模拟式位移传感器存量规模巨大，该类模拟位移传感器以电压和电流式模拟位移测量产品为主，设备本体仍具备完好的测量性能与合规的使用寿命，若因测量系统的数字化升级而全部淘汰替换为全新的数字式传感器，将产生数千万元级的巨额设备更换成本，造成严重的固定资产浪费；同时，大规模的设备拆换与重新校准将导致生产线长时间停机，严重影响正常的生产经营秩序，带来不可预估的损失；

6、其二，在后续的生产运营、项目实施、设备维保与备件周转过程中，基于特殊工况的适配需求、单台设备采购成本控制、现有备件库存消化等多方面因素，申请人仍将持续采购与使用部分模拟式位移传感器，而升级后的ssi接口数字测量系统，无法直接接入模拟位移传感器输出的模拟量信号，导致该类新增模拟传感器同样无法与现有数字化测量系统兼容使用，严重制约了测量系统的柔性适配能力与设备选型灵活性；

7、基于上述实际应用场景，亟须一款能够将模拟位移传感器输出的模拟量信号精准、稳定、低延迟地转换为标准ssi数字信号的解决方案，实现存量模拟位移传感器、新增模拟传感器与现有ssi接口数字测量系统的无缝兼容。该方案需在无需大规模更换原有传感器设备、无需对现有测量系统进行二次改造的前提下，完成模拟传感器的数字化适配，同时兼顾工业级测量精度、强抗干扰性能、低改造成本与批量落地可行性；

8、针对模拟量信号向数字信号转换的相关技术，目前行业内已有部分通用型技术方案与商业化产品，但经申请人全面的专利检索、市场调研与实际工况验证，尚无专门适配工业模拟位移传感器、可直接输出标准ssi接口信号的成熟专用方案，现有与本发明功能最相近的实现方案，均存在明显的技术缺陷与应用局限性，无法满足申请人的实际使用需求，具体分类说明如下：

9、通用型模拟量采集转换模块；该类方案是现有市面最主流的模拟转数字商业化产品，也是与本发明功能最相近的现有技术，核心可实现4-20ma、±10v等标准模拟量信号的采集与数字转换。但该类方案的核心设计目标是通用型工业模拟量采集，而非模拟位移传感器的专用ssi信号转换，存在致命的适配缺陷。

10、一方面，该类模块的输出协议以rs485、modbus-rtu、以太网、profinet等异步工业总线协议为主，无专门针对ssi同步串行接口的时序与协议设计，其输出的异步串行信号无法直接接入以ssi同步串行接口为标准的数字测量系统。若要实现兼容，需额外增加协议转换网关、上位机二次编程适配等操作，不仅大幅增加了系统复杂度与单台设备改造成本，额外的协议转换环节还会引入信号传输延迟、数据丢包、时序失配等问题，无法满足精密位移测量的实时性、同步性与可靠性要求。

11、另一方面，该类通用模块未针对模拟位移传感器的信号特性做专项优化，无适配微弱差分信号的前端调理电路，缺乏线性化校准、温漂补偿、多阶噪声滤波等核心设计，在工业现场复杂的电磁环境与宽温工况下，信号转换精度损失严重，无法达到工业精密位移测量的精度标准。

12、简易型模拟转数字（a/d）转换电路方案；现有零散公开的简易a/d转换电路方案，仅实现了基础的模拟量电平到数字量的转换功能，是与本发明硬件底层逻辑最相近的现有技术，但无完整的工业级产品化设计与专用适配能力。

13、该类方案未遵循标准ssi接口的国际规范，无同步时钟匹配、标准帧格式封装、数据校验等核心设计，输出的数字信号无统一的时序与协议标准，无法与市面上主流品牌的ssi接口测量控制器、采集设备实现即插即用的兼容适配，通用性极差，完全不具备规模化存量设备改造的可行性。

14、编码器专用信号转换方案；现有少数针对旋转编码器的定制化转换方案，可实现增量式编码器脉冲信号向ssi数字信号的转换，是现有技术中唯一可输出标准ssi信号的相近方案，但该类方案的输入信号类型、核心处理逻辑与本发明完全不同，其针对编码器的脉冲计数信号设计，无法适配模拟位移传感器输出的连续变化模拟量信号，硬件电路与软件算法均无法直接迁移应用于模拟位移传感器的信号转换场景，同时该类定制化方案普遍存在硬件成本高、体积大、适配场景单一的问题，单台改造成本远超模拟位移传感器本体价值，不具备万台级规模设备改造的经济性。

15、综上，现有技术中尚无专门针对工业模拟位移传感器、可实现模拟量信号向标准ssi数字信号精准、稳定转换的成熟专用方案，现有相近方案均存在接口不兼容、转换精度不足、抗干扰性能差、工况适配性弱、改造成本高等核心缺陷，无法解决工业测量系统数字化升级过程中，存量及新增模拟位移传感器与ssi接口数字测量系统的无缝兼容问题，存在明显的技术空白，这也是本发明所要解决的核心技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于模拟位移传感器数字化的电子装置和检测，旨在解决以下核心技术问题：

2、解决数字化测量系统接口兼容的核心痛点：现有数字化测量系统普遍采用ssi同步串行接口作为位移测量设备的标准接入规范，无法直接接收、解析模拟位移传感器输出的连续模拟量信号，导致存量模拟位移传感器无法与现有系统无缝复用、新增模拟传感器无法适配接入，造成资产浪费与系统适配性差的问题；

3、解决现有方案的时序与协议缺陷：现有通用模拟转数字方案仅支持rs485、modbus等异步通信协议，无标准ssi接口的同步时序与帧格式适配设计，无法与主流ssi接口测量设备即插即用；额外协议转换环节会引入传输延迟、时序失配、多通道数据同步性差、系统复杂度提升等问题，无法满足精密位移测量的实时性与同步性要求；

4、解决测量精度与工况稳定性不足的问题：现有简易a/d转换电路、通用采集模块未针对模拟位移传感器的信号特性做专项优化，缺乏专用前端信号调理、线性化校准、温漂补偿、多阶抗干扰设计，导致工业现场复杂电磁环境与宽温工况下，信号转换精度损失、数据失真、运行稳定性不足，无法保障原有传感器的测量精度；

5、解决规模化应用的适配性与经济性问题：现有相近方案适配场景单一、通用性差、硬件成本高，无法同时兼容电压型与电流型模拟位移传感器，且单台改造成本过高，无法满足万台级存量模拟位移传感器低成本、规模化、标准化改造的需求。

6、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

7、一种用于模拟位移传感器数字化的电子装置，包括信号依次连接的过压保护模块、电流电压信号转换模块、模数转换模块、单片机模块与ssi输出模块；还包括模式切换开关、屏蔽外壳、模拟信号采集板与ssi数字信号生成板，所述模式切换开关与所述电流电压信号转换模块的控制端电性连接，用于在电压输入模式与电流输入模式之间切换；

8、所述过压保护模块作为装置的信号输入端，用于接入模拟位移传感器输出的模拟信号并抑制瞬态过电压；所述电流电压信号转换模块用于在电流输入模式下将4-20ma电流信号转换为0-10v电压信号，在电压输入模式下直接导通0-10v电压信号；所述模数转换模块用于将模拟电压信号转换为并行数字信号并传输至单片机模块；所述单片机模块用于对数字信号进行校准处理并生成符合ssi协议规范的串行数据；所述ssi输出模块用于将串行数据转换为标准差分ssi信号并输出至外部数据采集设备；

9、所述模拟信号采集板与ssi数字信号生成板上下分层布置于屏蔽外壳内部，中间设置金属屏蔽隔层；所述过压保护模块、电流电压信号转换模块集成于模拟信号采集板；所述模数转换模块、单片机模块与ssi输出模块集成于ssi数字信号生成板，所述屏蔽外壳为铝合金材质，表面做导电氧化处理，电磁屏蔽效能≥60db；所述屏蔽外壳一端设置模拟信号母接头，另一端设置ssi信号公接头，侧面设置模式切换开关，底部设置固定螺栓。

10、一种用于模拟位移传感器数字化的检测方法，所述检测方法具体包括以下步骤：

11、步骤1：工作模式选择：根据待接入模拟位移传感器的输出类型，拨动模式切换开关至对应挡位，选择电压输入模式或电流输入模式；

12、步骤2：模拟位移传感器接线；将模拟位移传感器的信号输出端通过屏蔽线缆连接至电子装置的模拟信号母接头，确认接线极性正确、连接牢固，屏蔽层单端可靠接地

13、步骤3：数字采集系统接线；将电子装置的ssi信号公接头通过ssi专用屏蔽线缆连接至数据采集系统的ssi标准接口，确认线缆终端电阻匹配，连接牢固；

14、步骤4：系统上电与参数配置；依次接通模拟位移传感器、电子装置与数据采集系统的供电电源，在数据采集系统端配置ssi接口参数，完成设备识别与通信建立；

15、步骤5：系统校准与精度验证；对电子装置进行零点校准与满量程校准，校准完成后输入标准位移信号，验证输出数据的精度、线性度与稳定性，确认符合测量要求；

16、步骤6；正式试验与数据采集；启动试验流程，数据采集系统通过ssi接口同步读取各通道位移数据，实时监测位移变化，记录试验全过程数据；

17、步骤7：试验结束与设备拆除；试验完成后，先断开数据采集系统与电子装置的供电，再依次拆除ssi侧线缆与模拟传感器侧线缆，整理并收纳设备。

18、本发明的有益效果是：

19、1）本发明的检测装置解决现有数字化测量系统普遍采用ssi同步串行接口作为位移测量设备的标准接入规范，无法直接接收、解析模拟位移传感器输出的连续模拟量信号，导致存量模拟位移传感器无法与现有系统无缝复用、新增模拟传感器无法适配接入的技术问题，并且解决现有通用模拟转数字方案仅支持rs485、modbus等异步通信协议，无标准ssi接口的同步时序与帧格式适配设计，无法与主流ssi接口测量设备即插即用，额外协议转换环节引入的传输延迟、时序失配、数据同步性差、系统复杂度提升的技术问题。

20、2）本发明的检测方法解决了测量精度与工况稳定性不足的问题，解决现有简易a/d转换电路、通用采集模块未针对模拟位移传感器的信号特性做专项优化，缺乏专用前端信号调理、线性化校准、温漂补偿、多阶抗干扰设计，导致工业现场复杂工况下信号转换精度损失、数据失真、运行稳定性不足的技术问题，并且解决现有相近方案适配场景单一、通用性差、硬件成本高，无法满足万台级存量模拟位移传感器低成本、规模化、标准化改造需求的技术问题。

21、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

22、进一步，所述过压保护模块包括瞬态抑制二极管与限流电阻，所述瞬态抑制二极管并联于信号输入通路与地之间，响应时间小于1ps，击穿电压覆盖0-30v量程，用于吸收工业现场的浪涌电压与静电脉冲。

23、进一步，所述电流电压信号转换模块包括采样单元、输入滤波单元、量程校准单元与差分放大单元；

24、所述采样单元包含高精度低温漂采样电阻，所述采样电阻阻值为500ω，精度等级为±0.01%，温度系数≤5ppm/℃，额定功率≥300mw，采用四线制接线方式连接于信号回路中；

25、所述输入滤波单元为rc低通滤波器，由100ω精密电阻与0.1μf陶瓷电容组成，截止频率约为15.9khz，用于抑制高频电磁干扰；

26、所述量程校准单元包括调零电位器与调满电位器，所述调零电位器阻值为10kω，用于校准4ma输入对应0v输出的零点参数；所述调满电位器阻值为100kω，用于校准20ma输入对应10v输出的满量程参数；

27、所述差分放大单元采用仪表放大器，共模抑制比≥100db，用于将采样电阻两端的差分电压放大至0-10v标准量程。

28、进一步，所述差分放大单元采用德州仪器opa系列仪表放大器，输入失调电压小于10μv，失调电压温漂小于0.1μv/℃，增益误差小于0.01%，增益温漂小于1ppm/℃。

29、进一步，所述模数转换模块采用24位δσ型模数转换器，支持四通道同步采样，最高采样速率128ksps，在8ksps采样速率下有效分辨率达20.6位，内置可编程增益放大器与数字滤波器，支持spi接口与单片机模块通信。

30、进一步，所述单片机模块采用32位微控制器，内置flash存储器与ram存储器，运行主频不低于72mhz，所述单片机模块内置采样控制单元、数据校准单元与时序生成单元；所述采样控制单元用于配置模数转换模块的采样速率、增益与通道参数；所述数据校准单元内置线性校准算法、温漂补偿算法与数字滤波算法，用于修正信号转换误差；所述时序生成单元用于生成符合ssi国际标准的同步时钟与数据帧时序。

31、进一步，所述ssi输出模块包括rs-485收发芯片，支持最高10mbps传输速率，输出差分电平符合ssi接口电气规范，所述ssi输出模块输出的ssi信号帧包含起始位、数据位、校验位与停止位，数据位长度支持16-32位可配置，校验方式支持奇校验、偶校验与无校验可切换，兼容主流工业ssi接口数据采集设备。

32、进一步，所述步骤1中当选择电流输入模式时，模式切换开关导通采样单元与差分放大单元的信号通路，4-20ma电流信号经采样转换为电压信号后输出；当选择电压输入模式时，模式切换开关旁路采样单元与差分放大单元，0-10v电压信号经滤波后直接输入模数转换模块。

33、所述步骤4中ssi接口参数配置具体包括设置ssi时钟频率为100khz-2mhz，设置数据位长度为24位，设置校验方式为奇校验，设置数据编码格式为二进制编码；配置完成后数据采集系统主动发送时钟同步信号，电子装置返回设备标识数据，完成握手连接。

34、所述步骤5中所述零点校准与满量程校准的具体流程为：

35、步骤501：零点校准；将模拟位移传感器置于零位移基准位置，待信号稳定后，在数据采集系统端触发零点校准指令，电子装置记录当前adc采样值并存储为零点基准值；

36、步骤502：满量程校准；将模拟位移传感器置于满量程位移基准位置，待信号稳定后，触发满量程校准指令，电子装置记录当前adc采样值并存储为满量程基准值；

37、步骤503：线性拟合；单片机模块基于零点基准值与满量程基准值，建立adc采样值与实际位移值的线性映射关系，完成基础量程校准。

38、进一步，所述步骤5还包括多点线性校准，具体为在量程范围内均匀选取至少5个校准点，依次输入各点对应的标准位移信号，记录每个校准点的adc采样值与标准位移值，通过最小二乘法拟合得到高阶线性修正曲线，存储至单片机模块的非易失性存储器中，用于修正全量程范围内的非线性误差。

39、进一步，所述步骤6中数据采集系统通过ssi同步时钟实现多台电子装置的同步采集，同步误差小于1μs，单片机模块对采样数据进行滑动平均滤波与异常值剔除，数据更新速率最高支持8khz，信号传输总延迟小于1ms。