专利名称：一种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的电荷电压转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的多通道、大电荷量、可变 增益电荷电压转换器，尤其是可以进行混凝土内部动力损伤全过程监测中的电荷数据采集。
背景技术：
地震作用下混凝土结构内部应力监测对于了解结构损伤机理、优化结构抗震设计、降低结构地震破坏风险具有重要意义。压电智能骨料采用混凝土粗骨料材料为基体与PZT片耦合，利用正压电效应进行结构动态应力监测，其监测效果很大程度上依赖于二次仪表对监测信号的调理。PZT上产生的电荷需要通过专门的设备转换能电压信号，才能进行数据米集。由于地震作用下PZT片上产生的电荷量较大，若采用现有商用电荷放大器进行电荷电压转换则易出现过载现象，而导致无法监测；对于轻柔的建筑结构，其振动频率很低，通常不到O. 2Hz，普通电荷放大器时间常数较低，无法准确转换这样的低频信号；针对不同强度的地震输入下，PZT上产生的电荷量不同，调制用的电荷放大器应使用与之相应的增益。由于地震动输入强度及频率的不确定性，普通电荷放大器无法根据地震动输入自动调整增益以及截止频率，因而不能满足多尺度测量的精度要求。因此为方便进行混凝土建筑结构地震反应监测，有必要开发设计多通道、高电荷量、可变增益的电荷电压转换器。
发明内容
本发明提供一种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的电荷电压转换器，该发明有效地解决了上述问题，且性能稳定，可在地震损伤过程监测领域大量推广应用。本发明利用PZT的压电效应原理采集电荷，经过电荷放大器将电荷信号转换为电压信号，利用合适的反馈电容满足压电智能骨料强地震下大电荷量的采集要求，并利用可编程微控制器控制电压增益、滤波电路截止频率并监测过载，利用多通道组合式结构满足同时观测多路信号的要求，输出信号和相应增益控制值输入数据采集系统，为混凝土结构地震损伤机制研究提供了可靠有效的监测手段。本发明的技术方案如下—种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的电荷电压转换器，该转换器由多个集成电路板并行构成，与压电传感器输出端相连，对传感器多路信号进行实时采集。每个集成电路板包括一个信源放大单元、一个控制单元、一个增益显示单元和一个供电单元；其中信源放大单元包括电荷电压转换电路、可控增益放大电路、可控滤波电路、低通滤波电路、高通滤波电路和电压射随器，各部分依次相连；增益显示单元由电子开关和增益指示灯电路组成；控制单元分别与射随器输出端、可控增益放大电路、可控滤波电路、电子开关、计算机信号采集系统连接；电荷电压转换电路的反馈电容值根据强地震下的电荷最大值来设定；控制单元用于比较输出信号的反馈幅值与频率，并发出控制信号；可控增益放大电路的接收控制信号，自动调节相应放大增益；增益指示单元中的电子开关接受控制信号，选择显示相应增益；可控滤波电路接收控制信号后自动调节滤波截止频率;增益控制值通过接口实时输出至计算机数据采集系统中，显示输出电压及相应增益值。本发明的有益效果I.由多通道组合式结构，满足同时观测地震过程中多路信号输入的需求。2.通过微控制器的控制，对不同幅值的电信号自动调节增益，从而适用于对不同强度的地震作用监测。3.构造简单、性能稳定，可配接长电缆而不影响测量精度，适用于压电材料损伤过程监测的广泛应用。
图I是本发明的结构示意图。图2是本发明的控制单元电路图。图3是本发明的增益显示单元电路图。图中1信源放大单元；2电荷电压转换电路；3可控增益放大电路；4可控滤波电路；5低通滤波电路；6高通滤波电路；7电压射随器；8控制单元；9增益显示单元；10电子开关；11增益指示灯电路；12供电单元；13计算机信号采集系统。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。如图1-3所示,其结构包括信源放大单元I、控制单元8、增益显示单元9和供电单元12。其中信源放大模块由六级构成电荷电压转换电路2、可控增益放大电路3、可控滤波电路4、低通有源滤波电路5、高通滤波电路6、电压射随器7依次相连，控制单元8分别与射随器7、可控增益放大电路3、可控滤波电路4、电子开关10连接。供电电路12为各电路模块提供合适电压。信源放大模块的第一级电荷电压转换电路是电阻、反馈电容Cf=5 μ F和FET运算放大器AD820等组成，将输入由压电陶瓷传感器产生的电荷信号Q转换为电压信号U1，其中U1=QziCf ;第二级可控增益放大电路的主要芯片是AD8253，它具有四个增益等级。微控制器C8051F300根据比较MAX端口输出信号Umax幅值，发出AlAO信号控制AD8253进行增益切换，将输出信号的幅值控制在适当观测范围内，第一级的输出电压经AD8253被分别放大，即U2=AW1，其中A为AD8253的放大增益，当控制信号AlAO为00、01、10、11时，A分别为I、10,100,1000 ;第三极可控滤波电路3的主要芯片是八阶椭圆型开关电容滤波器ΜΑΧ293，其含有11档转折频率。微控制器C8051F300根据MAX端口的输出Umax信号频率，产生独立的时钟CLK为ΜΑΧ293提供截止频率；第四级和第五级分别是二阶巴特沃兹滤波器和高通滤波器。由第二级放大的电压信号经过第三、四、五级构成的带通滤波器后，一路经OUT端口输出Uout，另一路经两级电压射随器放大后，由MAX端口为微控制器C8051F300提供信号。增益显示单元主要由电子开关⑶4052、电组、四个发光二级管、四个三极管8050等组成。⑶4052根据微控制器C8051F300发出的控制信号Α1Α0，点亮相应的增益指示灯，便于数据的记录与测量供电单元为信源放大模块的有源芯片均提供±6V电压，为控制模块和⑶4052均提供+3. 3V电压，为增益显示电路提供+6V电压。此电荷电压转换器将压电智能骨料产生的电荷转化为电压信号，并通过相应的信号采集系统将电压信号Uout与相应的放大增益值A存入计算机中进行处理，从而可实现对地震过程中混凝土结构动力损伤进行准确可靠的监测。
权利要求
1.一种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的电荷电压转换器，其特征在于该转换器由多个集成电路板并行构成，每个集成电路板包括一个信源放大单元(I)、一个控制单元(8)、一个增益显示单元(9)和一个供电单元(12);其中信源放大单元包括电荷电压转换电路(2 )、可控增益放大电路(3 )、可控滤波电路(4 )、低通滤波电路(5 )、高通滤波电路(6 )和电压射随器(7)，各部分依次相连；增益显示单元(9)由电子开关(10)和增益指示灯电路(11)组成；控制单元(8)分别与射随器输出端(7)、可控增益放大电路(3)、可控滤波电路(4)、电子开关(10)、计算机信号采集系统(13)连接；电荷电压转换电路(2)的反馈电容值根据强地震下的电荷最大值来设定；控制单元(8)用于比较输出信号的反馈幅值与频率，并发出控制信号；可控增益放大电路(3)的接收控制信号，自动调节相应放大增益；增益指示单元中的模拟选择电子开关接受控制信号，选择显示相应增益；可控滤波电路(4)接收控制信号后自动调节滤波截止频率；增益控制值通过接口实时输出至计算机数据采集系统中，显示输出电压及相应增益值。
全文摘要
一种用于压电智能骨料地震损伤监测系统的电荷电压转换器，由多个集成电路板并行构成。每个集成电路板包括信源放大单元、控制单元、增益显示单元和供电单元。其中，信源放大单元由电荷电压转换电路、可控增益放大电路、可控滤波电路、低通滤波电路、高通滤波电路、电压射随器依次相连；增益显示单元由电子开关和增益指示灯电路组成；控制单元分别与射随器输出端、可控增益放大电路、可控滤波电路、电子开关、计算机信号采集系统连接，监测输出信号、控制电压增益与增益显示、控制滤波截止频率；输出电压与相应增益值通过接口被输送至计算机数据采集系统中并显示。本发明优点可同时采集多路信号；对不同强度地震过程中混凝土结构动力损伤均可靠监测；构造简单、性能稳定。
文档编号G01N27/00GK102944340SQ20121044744
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月10日 优先权日2012年11月10日
发明者王一帆, 喻言, 张海滨, 侯爽 申请人:大连理工大学