一种振弦式传感器激振控制电路、方法和装置与流程

本发明涉及岩土工程监测，尤其是涉及一种振弦式传感器激振控制电路、方法和装置。

背景技术：

1、目前，在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的安全。

2、振弦式仪器，或称振弦式传感器，包括一根两端固定、均质的钢弦。钢弦长度为l，在感知外界作用力f的时候，其中外界作用力f包括岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形，钢弦会产生δl的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度t的影响：

3、

4、式中，α表示线膨胀系数，l表示振弦长度，在f作用力下，振弦产生δl的拉伸变形，δt＝t-t0，表示温度变化，t表示温度，t0表示起始温度。

5、振弦的机械振动固有频率f，计算公式如下：

6、

7、式中，e表示振弦的弹性模量，ρv表示振弦的密度，λ表示振弦材料的泊松系数，e、ρv、λ均为定常数。

8、将公式(1)(2)进行整理，消除这一共同变量，得到f是f和t的确定函数，通过测量f和t，能够实现外界作用力f的测量。可见，振弦的振动固有频率参量f是最为关键的测量因子。

9、采用激振拾振的方式对固有频率进行测量，高压拨弦激振方式采用100-200v的高压，向传感器线圈发出单个脉冲信号，使振弦振起来，高压会引起传感元件的疲劳和老化，对传感器的绝缘性能提出了更高要求，长期使用会使传感器精度变差甚至失效。另外，激振时产生的高压也会威胁到使用者的人身安全。

10、低压扫频激振方式的激振波形由数字系统产生，是一系列幅度一定(5v或3.3v)、频率可调的方波，方波宽度随频率的变化而线性变化，低压扫频激振方式每次激振的持续时间长，导致每次传感器测量时间延长，导致振弦温度升高，影响仪器的测量精度，也难以实现对传感器的快速测量，同时增加电能消耗。

11、因此，如何快速使振弦起振是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种振弦式传感器激振控制电路、方法和装置，采用正负电源电压，在线圈上不同时刻形成方向相反的电流，从而在线圈周围产生交变磁场，对处于磁场中的软铁片形成推力与拉力，加速振弦的起振，节约能源。

2、第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

3、一种振弦式传感器激振控制电路，包括控制子电路、电压调节电路、驱动电路和电源电路，控制子电路分别与电压调节电路、驱动电路连接，电压调节电路与驱动电路连接，电源电路用于给激振控制电路提供电源，电压调节电路用于根据控制子电路的第二控制信号，提供可调电压幅值的正负电源电压，驱动电路用于根据控制子电路的第三控制信号，输出具有正负电压脉冲的激励信号，用于在线圈上产生不同方向的电流。

4、本发明进一步设置为：控制子电路包括控制芯片，电源电路包括依次连接的升压电路、稳压电路和第一负电源电路，升压电路用于将储能电池电压提高到升压电压，稳压电路用于对升压电压进行稳压，得到第一电压和第二电压，第一负电源电路用于将第二电压转换为第一负电源电压，第一负电源电压的电压幅度值与第二电压的电压幅度值相同。

5、本发明进一步设置为：稳压电路包括第一稳压电路和第二稳压电路，第一稳压电路的使能端与开关连接，在开关闭合时，第一稳压电路工作，产生第一电压，用于给控制子电路提供电源，第二稳压电路的使能端与控制子电路的控制信号输出端连接，在使能信号有效时将升压电压转换为第二电压。

6、本发明进一步设置为：电压调节电路包括依次连接的第一隔离电路、选择电路、可调电路和第二负电源电路，第一隔离电路的输入连接到控制子电路，可调电路根据控制子电路输出的第二控制信号，选择不同的电阻网络，对应输出不同的电源电压，第二负电源电路将可调电压转换为第二负电压电源。

7、本发明进一步设置为：选择电路包括多选一开关芯片，用于进行电阻网络的选择，可调电路包括可调芯片，其电压输入端连接升压电路的电源输出端，在控制子电路的输出的使能信号有效时，将升压电压转换为可调电压。

8、本发明进一步设置为：驱动电路包括依次连接的第二隔离电路、开关控制电路和驱动子电路，第二隔离电路的输入连接控制子电路的输出。

9、本发明进一步设置为：驱动电路包括依次连接的第二隔离电路、开关控制电路和驱动子电路，驱动电路用于根据控制子电路输出的第三控制信号组，输出对应的驱动信号，结合电压调节电路输出的可调正负电源，施加到线圈的两端，实现线圈上电流方向的改变。

10、本发明进一步设置为：驱动子电路包括h桥驱动芯片。

11、第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

12、一种振弦式传感器激振方法，在激振线圈上施加激励信号，激励信号包括正电压幅值的正脉冲的和负电压幅值的负脉冲，用于在线圈上产生方向相反的电流，形成正激励与负激励，在线圈周围产生交变磁场，在正激励时对位于交变磁场中的软铁片形成推力，在负激励时对位于交变磁场中的软铁片形成拉力，使振弦在推力与拉力的作用下快速起振。

13、第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

14、一种振弦式传感器激振装置，包括激振控制电路、线圈、振弦和软铁片，软铁片设置在振弦上，线圈设置在振弦一侧，激振控制电路输出激励信号，线圈在激励信号的作用下，产生方向相反的电流，形成正激励与负激励，在线圈周围产生交变磁场，在正激励时对位于交变磁场中的软铁片形成推力，在负激励时对位于交变磁场中的软铁片形成拉力，使振弦在推力与拉力的作用下快速起振。

15、与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：

16、1.本申请的激振控制电路，通过控制驱动电路的正负电压及驱动信号，输出电压可调的正负脉冲信号，用于在线圈上产生正反两个方向的电流，用于形成的磁场对振弦产生推力和拉力，加速振弦起振；

17、2.进一步地，本申请通过设置隔离电路，将控制芯片与振弦模拟信号进行隔离，增强了电路的抗干扰能力；

18、3.进一步地，本申请通过设置电压可调电源，同时产生同幅值的负电源电压，产生具有正负电压的激振信号，实现磁场的交变控制。

技术特征：

1.一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：包括控制子电路、电压调节电路、驱动电路和电源电路，控制子电路分别与电压调节电路、驱动电路连接，电压调节电路与驱动电路连接，电源电路用于给激振控制电路提供电源，电压调节电路用于根据控制子电路的第二控制信号，提供可调电压幅值的正负电源电压，驱动电路用于根据控制子电路的第三控制信号，输出具有正负电压脉冲的激励信号，用于在线圈上产生不同方向的电流。

2.根据权利要求1所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：控制子电路包括控制芯片，电源电路包括依次连接的升压电路、稳压电路和第一负电源电路，升压电路用于将储能电池电压提高到升压电压，稳压电路用于对升压电压进行稳压，得到第一电压和第二电压，第一负电源电路用于将第二电压转换为第一负电源电压，第一负电源电压的电压幅度值与第二电压的电压幅度值相同。

3.根据权利要求2所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：稳压电路包括第一稳压电路和第二稳压电路，第一稳压电路的使能端与开关连接，在开关闭合时，第一稳压电路工作，产生第一电压，用于给控制子电路提供电源，第二稳压电路的使能端与控制子电路的控制信号输出端连接，在使能信号有效时将升压电压转换为第二电压。

4.根据权利要求1所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：电压调节电路包括依次连接的第一隔离电路、选择电路、可调电路和第二负电源电路，第一隔离电路的输入连接到控制子电路，可调电路根据控制子电路输出的第二控制信号，选择不同的电阻网络，对应输出不同的电源电压，第二负电源电路将可调电压转换为第二负电源电压。

5.根据权利要求3所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：选择电路包括多选一开关芯片，用于进行电阻网络的选择，可调电路包括可调芯片，其电压输入端连接升压电路的电源输出端，在控制子电路的输出的使能信号有效时，将升压电压转换为可调电压。

6.根据权利要求1所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：驱动电路包括依次连接的第二隔离电路、开关控制电路和驱动子电路，第二隔离电路的输入连接控制子电路的输出。

7.根据权利要求1所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：驱动电路包括依次连接的第二隔离电路、开关控制电路和驱动子电路，驱动电路用于根据控制子电路输出的第三控制信号组，输出对应的驱动信号，结合电压调节电路输出的可调正负电源，施加到线圈的两端，实现线圈上电流方向的改变。

8.根据权利要求7所述的一种振弦式传感器激振控制电路，其特征在于：驱动子电路包括h桥驱动芯片。

9.一种振弦式传感器激振方法，其特征在于：在激振线圈上施加激励信号，激励信号包括正电压幅值的正脉冲的和负电压幅值的负脉冲，用于在线圈上产生方向相反的电流，形成正激励与负激励，在线圈周围产生交变磁场，在正激励时对位于交变磁场中的软铁片形成推力，在负激励时对位于交变磁场中的软铁片形成拉力，使振弦在推力与拉力的作用下快速起振。

10.一种振弦式传感器激振装置，其特征在于：包括激振控制电路、线圈、振弦和软铁片，软铁片设置在振弦上，线圈设置在振弦一侧，激振控制电路输出激励信号，线圈在激励信号的作用下，产生方向相反的电流，形成正激励与负激励，在线圈周围产生交变磁场，在正激励时对位于交变磁场中的软铁片形成推力，在负激励时对位于交变磁场中的软铁片形成拉力，使振弦在推力与拉力的作用下快速起振。

技术总结
本发明涉及一种振弦式传感器激振控制电路、方法和装置，控制电路包括控制子电路、电压调节电路、驱动电路和电源电路，控制子电路分别与电压调节电路、驱动电路连接，电压调节电路与驱动电路连接，电源电路用于给激振控制电路提供电源，电压调节电路用于根据控制子电路的第二控制信号，提供可调电压幅值的正负电源电压，驱动电路用于根据控制子电路的第三控制信号，输出具有正负电压脉冲的激励信号，在线圈上不同时刻产生方向相反的电流，在线圈周围产生交变磁场，对处于磁场中的软铁片形成推力与拉力，加速振弦的起振，节约能源。

技术研发人员：江修,许可,侯新华,饶少锋,沈省三
受保护的技术使用者：基康仪器股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14