一种振弦式传感器参数测量电路及方法与流程

本发明涉及信号采集技术领域，特别涉及一种振弦式传感器参数测量电路及方法。

背景技术：

随着技术的发展，建筑的大型化、复杂化趋势越来越明显，为了保障基础设施建设快速发展的同时，也能保障安全生产，需要不断改进和完善工程领域内的安全监测技术。目前工程中主要应用振弦式传感器来对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据进行监测。在本领域公知技术中，振弦式传感器信号主要采集的参数是电阻信号与频率信号，通过电阻和频率信号执行某一算法计算得到压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据。

由于频率信号在传输过程具备很好的抗干扰特性，易于长距离传输的特点，振弦式传感器在工程领域应用极为广泛。同时，由于监测对象相对固定，且监测周期较长，目前，监测人员多采用采集盒进行手动采集，由于测点数量较多且布置分散，采集过程中人力成本难以控制，且施工过程中，现场情况较为复杂，人工采集存在一定的安全风险。随着信息技术的发展以及市场的迫切的需求，主流厂商已经开始研制出相应的振弦式自动化采集设备，由于施工现场供电困难，且线路容易受到破坏，不仅会造成监测数据的丢失，甚至会引发人身伤害或火灾等恶劣后果。现有自动化采集设备通常配备ups电源，但其续航能力还是未能满足长期监测需求。因此，在振弦设备采亟需从多方面进行功耗方面的优化工作。

振弦式传感器振荡的固有频率存在一个大致范围，通常为400-4500hz。根据物理学中的共振原理，当作用到传感器上的激励信号的频率与传感器钢弦固有频率接近或相等时，钢弦发生共振。共振状态下，钢弦振荡的幅度较大。振弦式传感器激振模式有两种，一种是高压拨弦激振，一种是低压扫频激振。

高压拨弦的激振方式通常选用三极管对交流脉冲信号放大，通过变压器将三极管输出的交流信号親合到倍压整流电路中。通过控制对倍压电路中电容的充电时间，来调节电容两端的最终充电电压。当电容两端电压达到110v左右时，电容两端的电压加到振弦线圈上。线圈上的电流产生磁力驱动钢弦振动，当驱动电流消失时，由于惯性和空气阻力的存在，振弦做有阻尼衰减自由振荡，此时振动频率即为钢弦的固有频率。高压拨弦的激振电路由变压器和倍压整流电路等构成，电路结构较为复杂，体积庞大，不利于传感器测试设备的小型化。高压拨弦作用到线圈两端的电压较大，相应拨动钢弦的磁力较大，易造成传感器钢弦和线路的老化。传感器输出信号的幅度较小，信号持续时间相对较短，因此采用这种方式传感器的测量精度较低。

低压扫频激振采用包含传感器振荡频率范围的低压激励脉冲，加到传感器线圈上。作用到传感器的脉冲信号频率在激励频率段内按照一定步进变化，为了保证钢弦能够起振，脉冲信号需要在每个小的频率段内保持一段时间。相对高压拨弦激振方式，钢弦振动幅度大，线圈中感应的感生电动势较大，传感器输出信号持续时间长、幅度大。低压扫频的激振方式，对传感器的检测精度高，但所需时间较长。通常为了降低扫频时间，通常可以人为将扫频频率段分成几个小段，或利用反馈激振的方式，提高激振的效率，降低测量时间。

请参考图4，电阻信号rx的测量通常采用电阻桥电路进行测量，其中电阻r6、r7、r8的阻值相等。通过以下公式1获得传感器的电阻△rx的值。其中rx为振弦式传感器的待测电阻的初始值，u为电阻rx和r8的公共交点与电阻r6和r7的公共交点之间的电压值，△u为电阻r8和r9的公共交点与电阻rx和r6的公共交点之间的电压变化量。

由于电阻桥电路的测量方法是通过电压进行反算，而此种测量方法电压与电阻存在非线性关系，在通常情况下只是选择线性近似值，在一定范围内比较接近，而超过该范围则会误差较大。在监测过程中，频率数据存在大量噪声，采用常规方法进行滤波，数据存在抖动，影响数据精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供了一种振弦式传感器参数测量电路及方法，以提高测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种振弦式传感器参数测量电路，所述参数包括电阻，所述参数测量电路包括电阻测量电路，所述电阻测量电路包括运算放大器，所述运算放大器的输出端与同相输入端之间连接有振弦式传感器的激振线圈，所述运算放大器的同相输入端与地gnd之间连接有第一电阻，所述运算放大器的反相输入端连接有第一参考电压信号，所述运算放大器的输出端还通过模数转换器连接有微处理器。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量电路，所述第一电阻为精密电阻，所述精密电阻的误差范围为0.1％-0.01％之间。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量电路，所述参数包括频率，所述参数测量电路还包括频率测量电路，所述频率测量电路包括第二参考电压信号、低噪声运算放大器和比较器，所述第二参考电压信号与低噪声运算放大器的同相输入端之间连接有振弦式传感器的激振线圈，所述低噪声运算放大器的反相输入端连接有第三参考电压信号，所述低噪声运算放大器的输出端与所述比较器的同相输入端之间连接有带通滤波器，所述比较器的反相输入端连接有第四参考电压信号r2，所述比较器的输出端为振弦式传感器的激振线圈的数字电平信号，根据所述数据电平信号计算振弦式传感器的激振线圈的频率信号。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量电路，所述第二参考电压信号与所述低噪声运算放大器的输出端之间连接有串接的第一可变电阻和第三电阻，所述第一可变电阻的可变端连接在所述低噪声运算放大器的反相输入端。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量电路，所述第二参考电压信号与地gnd之间连接有串接的第二可变电阻和第四电阻，所述第二可变电阻的可变端连接在所述比较器的反相输入端。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量电路，所述可变电阻为程控电阻。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种振弦式传感器参数测量方法，所述参数测量方法包括电阻测量方法，采用上述的参数测量电路中的电阻测量电路，根据激振线圈和第一电阻的公共交点的反馈电压信号反馈到所述运算放大器的同相输入端，将反馈电压信号与第一参考电压信号进行比较后经所述运算放大器的输出端输出模拟电压信号，当反馈电压信号等于第一参考电压信号时，模数转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过微处理器执行以下算法计算激振线圈的电阻；

其中rx为激振线圈的电阻，vout为运算放大器的输出端电压，vr1为第一参考电压信号，r1为第一电阻。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量方法，所述参数测量方法还包括频率测量方法，采用上述的参数测量电路中的频率测量电路，通过第二参考电压信号将激振线圈的有用信号和噪声信号的幅值加载到第二参考电压信号上，使有用信号和噪声信号输入给所述低噪声运算放大器的同相输入端，与所述低噪声运算放大器的反相输入端的第三参考电压信号比较后，通过低噪声运算放大器滤除噪声信号中的高频噪声后经所述低噪声运算放大器的输出端输出有用信号和噪声信号中的低频噪声信号，经过所述带通滤波器滤除低频噪声信号后将有用信号输入给所述比较器的同相输入端，将输入给所述比较器的同相输入端的有用信号与比较器反相输入端的第四参考电压信号r2进行比较后，通过比较器的输出端将有用信号的模拟电平信号转换为数字电平信号，根据有数据电平信号得到振弦式传感器的激振线圈的频率信号。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量方法，将所述低噪声运算放大器的同相输入端和反相输入端进行对换，和/或将所述比较器的同相输入端和反相输入端进行对换。

进一步的，本发明提供的振弦式传感器参数测量方法，所述比较器采用运算放大器替换。

本发明提供的振弦式传感器参数测量电路及方法，能够测量振弦式传感器的激振线圈的电阻值。本发明通过运算放大器测量激振线圈的模拟电压信号，经模数转换器将激振线圈的模拟电压信号转换为数字电压信号后，通过微处理器执行某一算法以实现对待测量的振弦式传感器的激振线圈的电阻值精确测量的目的，从而提高了待测激振线圈的电阻测量精度。本发明通过更换或者调节第一电阻的阻值，可以调节待测量的激振线圈的测量范围，从而进一步提高测量精度。本发明由于运算放大器、模数转换器和微处理器均为低压器件，因此本发明的电阻测量电路相比于电阻桥电路来说，具有低电压供给，低功耗的效果。本发明提供的振弦式传感器参数测量电路及方法，还能够测量振弦式传感器的激振线圈的频率值。将激振线圈的有用信号和噪声信号的幅值加载到第二参考电压信号上的目的是为了绕过低噪声运算放大器的非线性放大区域，以防止经过低噪声运算放大器的信号缺失造成测量误差，从而第一次提高对激振线圈的测量精度。通过低噪声运算放大器后，滤除了噪声信号中的高频噪声信号，从而第二次提高了对激振线圈的测量精度。通过带通滤波器滤除噪声信号中的低频噪声信号和可能存在的高频噪声信号，从而第三次提高了对激振线圈的测量精度。也就是说，本发明对激振线圈的频率测量过程中多次进行了对噪声信号的处理，从而提高了频率的测量精度。本发明能够通过测量振弦式传感器的激振线圈的电阻值和频率值计算得到应用待测量振弦式传感器的工程领域等中的压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据，从而对待测量区域进行安全监测。

附图说明

图1是振弦式传感器的电阻测量电路的原理图；

图2是振弦式传感器的频率测量电路的原理图；

图3是第二参考电压信号的电压基准电路的原理图；

图4是电阻桥测量电阻电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

本发明提供一种振弦式传感器参数测量电路及方法，其中参数包括电阻和频率，参数测量电路包括电阻测量电路和频率测量电路，参数测量方法包括电阻测量方法和频率测量方法。

实施例一

请参考图1，本实施例一提供一种振弦式传感器的电阻测量电路，包括运算放大器110，所述运算放大器110的输出端与同相输入端之间连接有振弦式传感器的激振线圈l，其中激振线圈l的电阻用rl表示，所述运算放大器110的同相输入端与地gnd之间连接有第一电阻r1，所述运算放大器110的反相输入端连接有第一参考电压信号vr1，所述运算放大器110的输出端还通过模数转换器120连接有微处理器130。所述微处理器130可以为单片机(mcu)、数字信号处理器(dsp)、复杂可编程逻辑器件(cpld)或现场可编程门阵列(fpga)。其中第一电阻r1可以为精密电阻，所述精密电阻的误差范围为0.1％-0.01％之间。第一电阻r1也可以为可变电阻。通过更换或者调节第一电阻r1的阻值，可以调节待测量的激振线圈l的测量范围，从而进一步提高测量精度。

本实施例一还提供一种基于上述振弦式传感器的电阻测量电路的振弦式传感器的电阻测量方法，根据激振线圈l和第一电阻r1的公共交点的反馈电压信号vf反馈到所述运算放大器110的同相输入端，将反馈电压信号vf与第一参考电压信号vr1进行比较后经所述运算放大器110的输出端输出模拟电压信号vout，当反馈电压信号vf等于第一参考电压信号vr1时，模数转换器120将模拟电压信号转换为数字电压信号，通过微处理器130执行以下算法计算激振线圈l的电阻rl；

其中rl为激振线圈l的电阻，vout为运算放大器110的输出端电压，vr1为第一参考电压信号vr1，r1为第一电阻r1。

请参考图1，模数转换器120可以为独立器件，也可以为微处理器130内部的集成器件。

作为一种变形，所述运算放大器110的同相输入端与反相输入端可以对换，图1中的具体实施例不得作为本实施例一的限制。

本实施例一提供的振弦式传感器的电阻测量电路及方法，能够测量振弦式传感器的激振线圈l的电阻值。本实施例一通过运算放大器110测量激振线圈l的模拟电压信号vout，经模数转换器120将激振线圈l的模拟电压信号转换为数字电压信号后，通过微处理器130执行上述算法以实现对待测量的振弦式传感器的激振线圈l的电阻值精确测量的目的，从而提高了待测激振线圈l的电阻测量精度。

本实施例一由于运算放大器110、模数转换器120和微处理器130均为低压器件，因此本实施例一的电阻测量电路相比于电阻桥电路来说，具有低电压供给，低功耗的效果。即本实施例一的微处理器130可以在很低的功耗和电压下得到较高的电阻精确值，从而提高测量精度。本实施例一能够在功耗和测量精度上得到平衡。避免了电阻桥电路测量时能耗较大，电压高，误差在测量区间不固定，无法充分适应振弦式低功耗采集设备的缺陷。

实施例二

请参考图2，本实施例二提供一种振弦式传感器的频率测量电路，包括第二参考电压信号vr2、低噪声运算放大器210和比较器230，所述第二参考电压信号vr2与低噪声运算放大器210的同相输入端之间连接有振弦式传感器的激振线圈l，所述低噪声运算放大器210的反相输入端连接有第三参考电压信号vr3，所述低噪声运算放大器210的输出端与所述比较器230的同相输入端之间连接有带通滤波器220，所述比较器230的反相输入端连接有第四参考电压信号vr4，所述比较器230的输出端为振弦式传感器的激振线圈l的数字电平信号，根据所述数据电平信号计算振弦式传感器的激振线圈l的频率信号。

本实施例二的低噪声运算放大器210、带通滤波器220和比较器230均为低压器件，因此本实施例二的频率测量电路相同样具有低功耗的效果。

请参考图2，本实施例二提供的振弦式传感器的频率测量电路，所述第二参考电压信号vr2与所述低噪声运算放大器210的输出端之间连接有串接的第一可变电阻r2和第三电阻r3，所述第一可变电阻r2的可变端连接在所述低噪声运算放大器210的反相输入端。其中第一可变电阻r2可以为程控电阻。第一可变电阻r2和第三电阻r3便于调节低噪声放大器210的反相输入端的第三参考电压信号vr3。特别是当第一可变电阻r2为程控电阻时，其调节的数字量，能够提高待测激振线圈l的频率精度。

请参考图2，本实施例二提供的振弦式传感器的频率测量电路，所述第二参考电压信号vr2与地gnd之间连接有串接的第二可变电阻r5和第四电阻r4，所述第二可变电阻r5的可变端连接在所述比较器230的反相输入端。其中第二可变电阻r5可以为程控电阻。第二可变电阻r5的功效与第一可变电阻r2相同。该第二可变电阻r5和第四电阻r4构成的电路作为比较器230的偏置电路，在比较器230的反相输入端采用分压电阻得到的第四参考电压信号vr4将比较器230的输入偏置电压的影响消除，起到精确输出脉冲时间的目的。

本实施例二还提供一种基于振弦式传感器的频率测量电路的振弦式传感器的频率测量方法，通过第二参考电压信号vr2将激振线圈l的有用信号和噪声信号的幅值加载到第二参考电压信号vr2上，使有用信号和噪声信号输入给所述低噪声运算放大器210的同相输入端，与所述低噪声运算放大器210的反相输入端的第三参考电压信号vr3比较后，通过低噪声运算放大器210滤除噪声信号中的高频噪声后经所述低噪声运算放大器210的输出端输出有用信号和噪声信号中的低频噪声信号，经过所述带通滤波器220滤除低频噪声信号后将有用信号输入给所述比较器230的同相输入端，将输入给所述比较器230的同相输入端的有用信号与比较器230反相输入端的第四参考电压信号vr4进行比较后，通过比较器230的输出端将有用信号的模拟电平信号转换为数字电平信号vl，根据有数据电平信号vl得到振弦式传感器的激振线圈l的频率信号。

作为一种变形，本实施例二提供的振弦式传感器参数测量电路及方法，所述低噪声运算放大器210的同相输入端和反相输入端可以进行对换。所述比较器230的同相输入端和反相输入端也可以进行对换。

本实施例二提供的振弦式传感器参数测量电路及方法，所述比较器230采用运算放大器110替换。比较器230优选为高速比较器，其电压上升时间短，可以确保后续的数字电平信号可以获取到更准确的脉冲时间，从而提高测量效率。高速比较器可获得准确的脉冲波形，从而得到准确的频率数据。

本实施例二中带通滤波器220的频率范围可以根据振弦式传感器的激振线圈l的工作频率进行预先设定。振弦式传感器的激振线圈l的振动频率一般在400hz-4000hz之间。

本实施例一或二中的参考电压信号均可以由串接电阻分压构成的电压基准电路提供。请参考图3，例如：第二参考电压信号vr2由串接电阻分压构成的电压基准电路240提供。

本实施例二提供的振弦式传感器的频率测量电路及方法，能够测量振弦式传感器的激振线圈l的频率值。将激振线圈l的有用信号和噪声信号的幅值加载到第二参考电压信号vr2上的目的是为了绕过低噪声运算放大器210的非线性放大区域，以防止经过低噪声运算放大器210的信号缺失造成测量误差，从而第一次提高对激振线圈l的测量精度。通过低噪声运算放大器210后，滤除了噪声信号中的高频噪声信号，从而第二次提高了对激振线圈l的测量精度。通过带通滤波器220滤除噪声信号中的低频噪声信号和可能存在的高频噪声信号，从而第三次提高了对激振线圈l的测量精度。也就是说，本实施例二对激振线圈l的频率测量过程中多次进行了对噪声信号的处理，从而提高了频率的测量精度。

本发明能够通过测量振弦式传感器的激振线圈l的电阻值和频率值计算得到待测量的振弦式传感器的工程领域等中的压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据，从而对待测量区域进行安全监测。

本发明以低功耗的基础，从提高测量精度入手，优化设计了电阻测量电路和频率测量电路。

本发明的上述实施例具备实施简洁，精度高，功耗低，成本低的特点。主要从模拟信号采集技术、模拟信号处理技术两个方面来实现，只需要采用市场上常用的电子元器件，就可以实现低功耗，高精度测量的目的，同时保证了产品后期的稳定性和产品使用的周期。其中，电阻测量电路与传统的电压测量电路相比，本发明具有误差在整个测量区间保持恒定的优点，可通过调节高精度电阻的阻值实现测量范围和测量精度的调节，以达到功耗和精度的平衡，在振弦传感器等振弦采集设备中只需配置普通干电池就可以达到测量精度要求并实现低功耗目的。其中，频率测量电路与传统频率测量电路相比，本发明可简化电路，提高电路稳定性，提高频率测量精度，功耗较低，可采用普通电池供电，无需进行大量复杂的计算，频率测量速度快，可实现实时长时间的检测。

本实施例不限于上述具体实施例一或二，凡在本发明的精神和范围内所作出的各种变化，均在本实施例一的保护范围之内。