一种振弦信号调理装置的制作方法

1.本实用新型属于数据监测技术领域，尤其涉及一种振弦信号调理装置。


背景技术：

2.振弦传感器是用于测量应力、压力、液位、沉降等数据量的一种非电量电测的传感器，在信息化工程监测技术领域应用广泛。振弦传感器使用时被直接埋入地下混凝土或者焊接在工程结构体上，其在给定位置处的形变情况即为待测物体在此处的形变情况，此过程的原理是通过直接检测振弦式传感器内部钢弦的自振频率变化，且钢弦的自振频率变化与其自身在测量方向的形变成一定的可量化的关系，由此间接测量出物体在给定位置处振弦传感器测量方向上的应变情况，继而由物体的材质等条件可以得到物体在给定位置振弦传感器的测量方向上的应力情况。
3.但在振弦数据的采集现场存在大量的干扰源，并且从振弦传感器拾取到的振弦信号本身较为微弱，在大量干扰源的作用下，振弦信号的波形毛刺粗糙，杂波分量较多，导致最终由振弦信号采集装置测得的自振频率出现误差，非常不利于工程监测。此外，现有的振弦信号调理装置调理实现的放大倍数固定，在不同振弦传感器型号和不同的安装环境下，放大倍数的固定限制了振弦信号调理装置的适用性，若放大倍数不匹配，也造成了振弦信号采集装置测得的自振频率出现相应的误差。因此针对低误差和高可靠性的振弦数据采集的研究实现非常重要。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种振弦信号调理装置。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种振弦信号调理装置，包括防雷电浪涌模块、第一级滤波模块、可调增益放大模块、门限电压调理模块、方波调理模块、电源管理模块和上拉电阻；
7.所述防雷电浪涌模块的第一输入端用于与外部振弦传感器的第一拾振输出端连接，防雷电浪涌模块的第二输入端用于与外部振弦传感器的第二拾振输出端连接，防雷电浪涌模块的第一输出端与所述第一级滤波模块的第一输入端连接，防雷电浪涌模块的第二输出端与所述第一级滤波模块的第二输入端连接；
8.第一级滤波模块的第一输出端与所述可调增益放大模块的第一输入端连接，第一级滤波模块的第二输出端与所述可调增益放大模块的第二输入端连接；
9.所述可调增益放大模块的输出端与所述门限电压调理模块的输入端连接，可调增益放大模块的增益控制端用于与外部的振弦信号采集装置的第一端连接；
10.所述门限电压调理模块的输出端与所述方波调理模块的输入端连接，门限电压调理模块的数字地经0欧电阻与所述可调增益放大模块的模拟地连接；
11.所述方波调理模块的输出端用于与外部的振弦信号采集装置的第二端连接，所述
方波调理模块的输出端还与所述上拉电阻的第一端连接，所述上拉电阻的第二端与所述电源管理模块的输出端连接；
12.所述电源管理模块的输出端还分别与所述可调增益放大模块的供电端、所述门限电压调理模块的供电端和所述方波调理模块的供电端连接。
13.进一步改进地，所述振弦信号调理装置还包括第二级滤波模块，所述第二级滤波模块串接在所述可调增益放大模块的输出端与所述门限电压调理模块的输入端之间。
14.进一步改进地，所述振弦信号调理装置还包括电源滤波模块，所述电源管理模块的输出端与所述电源滤波模块的输入端连接，所述电源滤波模块的输出端分别与所述上拉电阻的第二端、所述可调增益放大模块的供电端、所述门限电压调理模块的供电端和所述方波调理模块的供电端连接。
15.进一步改进地，所述门限电压调理模块包括施密特触发器，所述施密特触发器的输入端与所述可调增益放大模块的输出端连接，施密特触发器的输出端与方波调理模块的输入端连接，施密特触发器的数字地经0欧电阻与所述可调增益放大模块的模拟地连接。
16.进一步改进地，所述方波调理模块包括第一npn管；所述第一npn管的基极与所述施密特触发器的输出端连接；所述第一npn管的集电极用于与外部的振弦信号采集装置的第二端连接，且所述第一npn管的集电极还与所述上拉电阻的第一端连接，第一npn管的发射极连接至数字地。
17.进一步改进地，所述第一级滤波模块包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容的输入端分别与所述防雷电浪涌模块的第一输出端和所述可调增益放大模块的第一输入端连接，所述第二滤波电容的输入端分别与所述防雷电浪涌模块的第二输出端和所述可调增益放大模块的第二输入端连接，第一滤波电容的输出端和第二滤波电容的输出端均连接至模拟地。
18.进一步改进地，所述第二级滤波模块为第一隔直电容。
19.本实用新型的有益效果是：
20.（1）、一般的，振弦传感器的拾振输出端经接插件接入振弦信号调理装置，通过防雷电浪涌模块的设置，滤除接插件处雷电和浪涌干扰，实现防雷电和浪涌保护；
21.（2）、通过第一级滤波模块进行第一次滤波；通过可调增益放大模块进行放大倍数可调的差分放大处理，实现了所述振弦信号调理装置对多种不同振弦传感器型号的兼容以及在不同安装环境下的适用性，同时滤除共模干扰；通过门限电压调理模块进行第二次放大处理和门限电压输出，避免了高频杂波对采集到的振弦信号的毛刺干扰；
22.（3）、通过将门限电压调理模块的数字地与可调增益放大模块的模拟地之间串接0欧电阻，减少了门限电压调理模块和可调增益放大模块引入的接地干扰；
23.（4）、通过上拉电阻的设置，提高了整个振弦信号调理装置输出端的带负载能力，也同步提高了振弦信号采集装置第二端的抗干扰能力；
24.（5）、通过第一隔直电容的设置，进一步滤除直流噪声；
25.（6）、通过电源滤波模块的设置，对电源管理模块输出的直流供电电压进行滤波，减少了因供电而引入可调增益放大模块、门限电压调理模块和方波调理模块的干扰；
26.综上所述，本方案通过多种抗干扰电路的设置，极大的降低了振弦信号采集装置采集到的振弦频率数据的误差，提高了采集到的振弦频率数据的可信度，降低了振弦频率
数据采集实现中对振弦信号采集装置高滤波运算能力的依赖。
附图说明
27.图1为振弦信号调理装置的一种逻辑框图（虚线框内）；
28.图2为第一级滤波模块、可调增益放大模块、门限电压调理模块和方波调理模块的一种原理图；
29.图3为电源滤波模块的一种原理图。
具体实施方式
30.下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.如图1所示，本实施例提供了一种振弦信号调理装置，包括防雷电浪涌模块、第一级滤波模块、可调增益放大模块、门限电压调理模块、方波调理模块、电源管理模块和上拉电阻。
32.防雷电浪涌模块的第一输入端用于经第一接插件与外部振弦传感器的第一拾振输出端连接，防雷电浪涌模块的第二输入端用于经第一接插件与外部振弦传感器的第二拾振输出端连接，防雷电浪涌模块的第一输出端与第一级滤波模块的第一输入端连接，防雷电浪涌模块的第二输出端与第一级滤波模块的第二输入端连接。第一级滤波模块的第一输出端与可调增益放大模块的第一输入端连接，第一级滤波模块的第二输出端与可调增益放大模块的第二输入端连接。
33.可调增益放大模块的输出端与门限电压调理模块的输入端连接，可调增益放大模块的增益控制端用于经第二接插件与外部的振弦信号采集装置的第一端连接。门限电压调理模块的输出端与方波调理模块的输入端连接，门限电压调理模块的数字地经0欧电阻与可调增益放大模块的模拟地连接。方波调理模块的输出端用于经第二接插件与外部的振弦信号采集装置的第二端连接，方波调理模块的输出端还与上拉电阻的第一端连接，上拉电阻的第二端与电源管理模块的输出端连接。电源管理模块的输出端还分别与可调增益放大模块的供电端、门限电压调理模块的供电端和方波调理模块的供电端连接。
34.作为上述方案的进一步改进，在门限电压调理模块的输入端与可调增益放大模块的输出端之间串接第二级滤波模块，第二级滤波模块优选第一隔直电容c3。
35.作为上述方案的进一步改进，电源管理模块将直流电压输出至上拉电阻的第二端、可调增益放大模块的供电端、门限电压调理模块的供电端和方波调理模块的供电端的通路上增设电源滤波模块。优选地，电源滤波模块包括多个滤波电容和钽电容。
36.具体的，如图2所示，第一级滤波模块包括第一滤波电容c1和第二滤波电容c2。可调增益放大模块包括可调增益放大器u1，可调增益放大器u1采用的型号为pga205。门限电压调理模块包括施密特触发器u2，施密特触发器u2采用的型号为sn74lvc1g17。方波调理模块包括第一npn管q1，第一npn管q1采用的型号为sn8050。第一滤波电容c1的第一端与防雷电浪涌模块的第一输出端连接，且还与第一电阻r1的第一端连接，第一滤波电容c1的第二
端接至一个模拟地agnd。第一电阻r1的第二端与可调增益放大器u1的-vin端连接，第二滤波电容的第一端与防雷电浪涌模块的第二输出端连接，且还与第二电阻r2的第一端连接，第二滤波电容c2的第二端接至一个模拟地agnd。第二电阻r2的第二端与可调增益放大器u1的 vin端连接。可调增益放大器u1的v-端连接至vccb-5v，可调增益放大器u1的v 端连接至vcca 5v，可调增益放大器u1的a0端连接至外部振弦信号采集装置的第一i/o端，可调增益放大器u11的a1端连接至外部振弦信号采集装置的第二i/o端，通过第一i/o端和第二i/o端输出控制信号改变可调增益放大器u1的放大倍数，使得本方案可对多种不同型号的振弦传感器的信号进行调理。可调增益放大器u1的数字地端dgnd连接至一个模拟地端agnd，可调增益放大器u1的feedback端与可调增益放大器u1的输出端vo连接，可调增益放大器u1的ref端连接至一个模拟地agnd，可调增益放大器u1的输出端vo与第一隔直电容c3的第一端连接，第一隔直电容c3的第二端与第一可调电阻器r6的第一端连接，第一可调电阻器r6的第二端接至一个模拟地agnd，第一可调电阻器r6的调节端连接至施密特触发器u2的a端，施密特触发器u2的接地端gnd连接至一个数字地dgnd，且还经第三电阻r3与可调增益放大器u1的ref端连接，第三电阻r3的阻值为0欧。通过0欧第三电阻r3的设置，减少可调增益放大器u1和施密特触发器u2两个元件接地时引入的干扰。施密特触发器u2的vcc端连接至vccc 3.3v，施密特触发器u2的输出端y端与第四电阻r4的第一端连接，第四电阻r4的第二端与第一npn管q1的基极连接，第一npn管q1的发射极接至一个数字地dgnd，第一npn管q1的集电极经上拉电阻r5连接至vccc 3.3v，第一npn管q1的集电极还用于经第二接插件与外部的振弦信号采集装置的第二端（从adc端中选取）连接，从而将经过调理后的拾振信号送至外部的振弦信号采集装置。经上拉电阻r5的上拉作用，使得第一npn管q1集电极开路输出状态下的带负载能力得到提高，改善了现有技术中很多方波调理模块输出带负载能力较差从而导致振弦信号采集装置不能采集到振弦频率数据的问题。
37.如图3所示，电源滤波模块包括对电源管理模块输出的vcca 5v直流电压进行滤波的第一部分，对电源管理模块输出的vccb-5v直流电压进行滤波的第二部分，以及对电源管理模块输出的vccc 3.3v直流电压进行滤波的第三部分。其中第一部分包括第一钽电容c4、第二钽电容c5、第三钽电容c6、第四电容c7、第五电容c8和第六电容c9，第一钽电容c4、第二钽电容c5和第三钽电容c6的正极均与电源管理模块的vcca 5v输出端连接，第四电容c7、第五电容c8和第六电容c9的第一端均与电源管理模块的vcca 5v输出端连接，第一钽电容c4、第二钽电容c5和第三钽电容c6的负极均接至一个模拟地agnd，第四电容c7、第五电容c8和第六电容c9的第二端均接至一个模拟地agnd。第二部分包括第四钽电容c10、第五钽电容c11、第六钽电容c12、第七电容c13、第八电容c14和第九电容c15，第四钽电容c10、第五钽电容c11和第六钽电容c12的负极均与电源管理模块的vccb-5v输出端连接，第七电容c13、第八电容c14和第九电容c15的第一端均与电源管理模块的vccb-5v输出端连接，第四钽电容c10、第五钽电容c11和第六钽电容c12的正极均接至一个模拟地agnd，第七电容c13、第八电容c14和第九电容c15的第二端均接至一个模拟地agnd。第三部分包括第七钽电容c16、第八钽电容c17、第九钽电容c18、第十电容c19、第十一电容c20和第十二电容c21，第七钽电容c16、第八钽电容c17和第九钽电容c18的正极均与电源管理模块的vccc 3.3v输出端连接，第十电容c19、第十一电容c20和第十二电容c21的第一端均与电源管理模块的vccc 3.3v输出端连接，第七钽电容c16、第八钽电容c17和第九钽电容c18的负极均接至一个模拟地
agnd，第十电容c19、第十一电容c20和第十二电容c21的第二端均接至一个模拟地agnd。
38.本实用新型的工作原理为：
39.将振弦信号调理装置经第一接插件与振弦传感器的拾振输出端连接，将振弦信号调理装置经第二接插件与振弦信号采集装置连接。防雷电浪涌模块接收振弦传感器拾取到的拾振信号，若有雷电和浪涌冲击，则进行防雷电和浪涌保护，第一级滤波模块对拾振信号进行差模干扰的滤波处理，后端的振弦信号采集装置第一端输出控制信号来设定可调增益放大器u1的放大倍数，可调增益放大器u1对拾振信号进行第一次放大处理，且滤除混入拾振信号中的共模干扰，第一隔直电容c3滤除直流噪声，施密特触发器u2将输入的拾振信号进行第二次放大处理，并将输入的拾振信号转换成脉冲信号，输出的脉冲信号具有驱动第一npn管q1工作的能力，脉冲信号在第一npn管q1的开关状态切换下进行高低电平转化，得到后端的振弦信号采集装置第二端（从adc口中选取）所需的方波信号，方波信号经第二接插件输出至振弦信号采集装置的第二端，拾振信号调理完成。
40.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。