一种振弦传感器激励系统的制作方法

1.本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种振弦传感器激励系统。


背景技术：

2.建筑的大型化、复杂化趋势越来越明显，在保障基础设施建设快速发展的同时，也需保障安全生产，因此需要不断改进和完善工程领域内的安全监测技术。目前工程中常应用振弦传感器来对压力、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。振弦传感器的工作需要依赖外部的激励系统，通过激励系统对其内部的线圈施加间歇性的激励脉冲后，由线圈进一步带动振弦传感器内部的钢弦振动，钢弦最终达到共振状态，开始起振，此时钢弦的共振频率即为其固有振动频率。振弦传感器在整个使用寿命中，会因为自身形变等因素使得其固有振动频率发生变化，因此不能采用固定频率的激励脉冲。因此目前的激励系统内部还包含采集模块，在钢弦开始振动后，通过采集模块对钢弦的振动频率进行采集，采集回传至单片机模块，由单片机模块判断采集回的钢弦振动频率是否为钢弦的共振频率，若为共振频率，则将此频率作为激励脉冲的频率，之后钢弦处于共振状态，使得后续钢弦传感器在感应外部压力、应力等的变化时，线圈拾振输出的信号强度处于最大值。然而在振弦传感器的激励阶段，当采集模块对钢弦的振动频率进行采集时，采集到的信号通常为低频小信号，同时外部的高频杂波使得采集到的信号波形存在毛刺干扰等，由此造成检出的钢弦振动频率出现误差或无法检出，使得最终激励脉冲的输出频率为非共振频率，导致振弦传感器激励失败或激励出的信号偏弱等问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种振弦传感器激励系统，解决的技术问题为：现有振弦传感器激励系统中针对钢弦振动频率进行采集的模块或电路采集到的信号强度偏低且存在杂波干扰等，使得检出的钢弦振动频率出现偏差，并由此带来的激励脉冲输出频率误差，造成激励失败或激励信号弱的问题。
4.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.一种振弦传感器激励系统，所述激励系统包括激励生成单元、采集单元、滤波放大单元、频率检出单元和主控单元；所述激励生成单元的输出端与所述振弦传感器的线圈连接，激励生成单元的输入端与所述主控单元的频率控制端连接，所述采集单元的输入端与所述振弦传感器的线圈连接，所述采集单元的输出端与所述滤波放大单元的输入端连接，所述滤波放大单元的输出端与所述频率检出单元的输入端连接，所述频率检出单元的输出端与所述主控单元的频率采集端连接；所述滤波放大单元包括低通滤波电路、第一隔直滤波电路、第一级运算放大器、电压比较放大器和稳压二极管；
6.所述低通滤波电路的输入端与所述采集单元的输出端连接；
7.所述第一级运算放大器的输入端与低通滤波电路的输出端连接；
8.所述第一隔直滤波电路的输入端与所述第一级运算放大器的输出端连接；
9.所述电压比较放大器的输入端与第一隔直滤波电路的输出端连接，所述电压比较放大器的输出端分别与所述稳压二极管的负极和所述频率检出单元的输入端连接，所述稳压二极管的正极接地。
10.进一步改进地，所述滤波放大单元还包括第二隔直滤波电路、第三隔直滤波电路、第一跟随器、第二跟随器和反相器；所述第一级运算放大器的正极输入端与所述低通滤波电路的输出端连接，所述第二隔直滤波电路的输入端与第一级运算放大器的输出端连接，所述第一跟随器的负极输入端与第二隔直滤波电路的输出端连接，第一隔直滤波电路的输入端与第一跟随器的输出端连接，所述反相器的负极输入端与所述第一隔直滤波电路的输出端连接，所述第三隔直滤波电路的输入端与反相器的输出端连接，所述第二跟随器的负极输入端与第三隔直滤波电路的输出端连接，电压比较放大器的正极输入端与第二跟随器的输出端连接，电压比较放大器的负极输入端接地。
11.进一步改进地，所述低通滤波电路包括第一高频滤波电容，所述第一高频滤波电容的第一端分别与所述采集单元的输出端和所述第一级运算放大器的正极输入端连接，第一高频滤波电容的第二端接地。
12.进一步改进地，所述第一隔直滤波电路包括第一隔直电容；所述第一隔直电容的输入端与所述第一跟随器的输出端连接，第一隔直电容的输出端与所述反相器的负极输入端连接。
13.进一步改进地，所述第二隔直滤波电路包括第二隔直电容；所述第二隔直电容的输入端与所述第一级运算放大器的输出端连接，第二隔直电容的输出端与所述第一跟随器的负极输入端连接。
14.进一步改进地，所述第三隔直滤波电路包括第三隔直电容，所述第三隔直电容的输入端与所述反相器的输出端连接，第三隔直电容的输出端与所述第二跟随器的负极输入端连接。
15.本实用新型的有益效果是：
16.（1）、通过低通滤波电路，将线圈感应到的低频小信号中混入的高频干扰滤除，之后送入第一级运算放大器，第一级运算放大器进行第一次放大处理，经第一级放大处理后输入第一隔直滤波电路，滤除混入的直流干扰信号，之后送入电压比较放大器，电压比较放大器进行第二次放大处理，并与稳压二极管配合，进一步滤除高频毛刺干扰，同时使得经电压比较放大器后的输出信号变换为近似方波信号，简化了后一级频率检出单元的电路设计，由此本方案实现了激励系统滤波放大性能的提升，也相应的提升了后一级频率检出单元的频率检出准确率，并保证了激励生成单元最终输出的激励脉冲为钢弦的共振频率，据此提升了激励系统的整体性能。
17.（2）、通过第二隔直滤波电路和第三隔直滤波电路，进一步的滤除直流干扰，提升了激励系统的滤波放大性能。
18.（3）、通过第一跟随器和第二跟随器，改善了第一级运算放大器、反相器和电压比较放大器各级之间的阻抗匹配，由此提升了激励系统的滤波放大性能。
附图说明
19.图1为振弦传感器激励系统的一种连接示意图；
20.图2为滤波放大单元的一种电路原理图第一部分；
21.图3为滤波放大单元的一种电路原理图第二部分；
22.图4为滤波放大单元的一种电路原理图第三部分。
23.图中，1、振弦传感器；2、线圈；3、钢弦。
具体实施方式
24.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。
25.如图1至图4所示，本实施例提供了一种振弦传感器激励系统。本激励系统应用于单线圈2的振弦传感器1，单线圈2即为激励线圈，也为拾振线圈。
26.激励系统包括：激励生成单元、采集单元、滤波放大单元、频率检出单元和主控单元。
27.激励生成单元，激励生成单元的输出端与振弦传感器1的线圈2连接，激励生成单元的输入端与主控单元的频率控制端连接，激励生成单元用于通过线圈2为钢弦3提供起振用激励脉冲。
28.采集单元，采集单元的输入端与振弦传感器1的线圈2连接，采集单元的输出端与滤波放大单元的输入端连接，采集单元用于通过线圈2采集钢弦3的振动信号。
29.滤波放大单元，滤波放大单元的输出端与频率检出单元的输入端连接，滤波放大单元用于对采集单元采集到的钢弦3振动信号进行滤波和放大处理。
30.频率检出单元，频率检出单元的输出端与主控单元的频率采集端连接，频率检出单元用于检出钢弦3振动信号的频率值。
31.主控单元，用于采集钢弦3振动信号的频率值，且控制激励生成单元输出的激励脉冲的频率值。
32.其中，滤波放大单元包括低通滤波电路、第一隔直滤波电路、第一级运算放大器u10a、电压比较放大器u12a和稳压二极管d12。低通滤波电路的输入端与采集单元的输出端连接；第一级运算放大器u10a的输入端与低通滤波电路的输出端连接；第一隔直滤波电路的输入端与第一级运算放大器u10a的输出端连接；电压比较放大器u12a的输入端与第一隔直滤波电路的输出端连接，电压比较放大器u12a的输出端分别与稳压二极管d12的负极和频率检出单元的输入端连接，稳压二极管d12的正极接地。
33.本实用新型的激励原理为：
34.主控单元根据所需激励的振弦传感器1的型号确认出该型号的固有振动频率范围，并从固有振动频率范围中选取一个频率值作为激励生成单元的初始输出频率，激励生成单元生成该初始输出频率的激励脉冲，将生成的激励脉冲作用至线圈2，钢弦3振动，采集单元通过线圈2采集钢弦3的振动信号并将采集到的钢弦3振动信号输入滤波放大单元，滤波放大单元进行滤波和放大处理后输出至频率检出单元，频率检出单元计算钢弦3振动信号的频率值，然后输出至主控单元，主控单元生成控制信号，控制信号再次作用至激励生成单元，激励生成单元生成与主控单元接收到的频率值一致的激励脉冲，并再次输出至线圈
2。重复上述采集、滤波放大、频率检出、激励生成过程，钢弦3快速进入共振状态。主控单元判断钢弦3的振动是否已处于稳定状态，并记录此时接收到的频率值，控制激励生成单元输出该频率值的激励脉冲，并将激励脉冲再次作用至线圈2，此时钢弦3共振，钢弦3共振使得采集单元输出信号强度达到最大，该频率值即为钢弦3的共振频率，后续以该频率值的激励脉冲作用至线圈2。此时激励生成单元的输出脉冲幅值不高于10v,避免了高压脉冲激励（通常达上百伏）时出现的钢弦3拨断并致使振弦传感器1寿命减短的情形。
35.优选地，滤波放大单元还包括第二隔直滤波电路、第一跟随器u10b、反相器u11a、第三隔直滤波电路、第二跟随器u11b。
36.具体的，如图2所示，低通滤波电路包括第一高频滤波电容c60, 第一隔直滤波电路包括第一隔直电容c57，第二隔直滤波电路包括第二隔直电容c59，第三隔直滤波电路包括第三隔直电容c58。第一级运算放大器u10a、第一跟随器u10b、反相器u11a、第二跟随器u11b和电压比较放大器u12a采用的型号均为tl082。第一高频滤波电容c60的第一端与采集单元的输出端连接，第一高频滤波电容c60的第二端接地，第一高频滤波电容c60的第一端还分别与第一二极管d10的负极、第一电阻r73的第一端以及第二电阻r68的第一端连接，第一二极管d10的正极和第一电阻r73的第二端均连接至地端agnd4，第二电阻r68的第二端与第一级运算放大器u10a的正极输入端连接，第一级运算放大器u10a的负极输入端分别与第三电阻r63的第一端和第四电阻r61的第一端连接，第三电阻r63的第二端连接至地端agnd4，第四电阻r61的第二端与第一级运算放大器u10a的输出端连接，第一级运算放大器u10a的正偏置端接至第二电源端vccb+5v，第一级运算放大器u10a的负偏置端接至第一电源端vcca-5v，第一级运算放大器u10a的输出端与第五电阻r64的第一端连接，第五电阻r64的第二端分别与第一电容c55的第一端、第二隔直电容c59的第一端以及第六电阻r74的第一端连接，第六电阻r74的第二端连接至地端agnd4，第一电容c55的第二端分别与第七电阻r62的第一端和第一跟随器u10b的输出端连接，第二隔直电容c59的第二端分别与第七电阻r62的第二端和第一跟随器u10b的负极输入端连接，第一跟随器u10b的正极输入端连接至地端agnd4，第一跟随器u10b的输出端与第一隔直电容c57的第一端连接。
37.如图3所示，第一隔直电容c57的第二端分别与第八电阻r72的第一端和第九电阻r66的第一端连接，第八电阻r72的第二端连接至地端agnd4，第九电阻r66的第二端与反相器u11a的负极输入端连接，反相器u11a的正极输入端连接至地端agnd4，反相器u11a的输出端经第十电阻r60与反相器的负极输入端连接，反相器u11a的负偏置端接第一电源端vcca-5v，反相器u11a的正偏置端接第二电源端vccb+5v，反相器u11a的输出端还与第十一电阻r67的第一端连接，第十一电阻r67的第二端分别与第三隔直电容c58的第一端、第二电容c56的第一端以及第十二电阻r75的第一端连接，第三隔直电容c58的第二端与第二跟随器u11b的负极输入端连接，第二电容c56的第二端与第二跟随器u11b的输出端连接，第十二电阻r75的第二端连接至地端agnd4，第二电容c56的第二端与第三隔直电容c58的第二端之间还串接有第十三电阻r65，第二跟随器u11b的正极输入端连接至地端agnd4，第二跟随器u11b的输出端与第十四电阻r69的第一端连接，第十四电阻r69的第二端与电压比较放大器u12a的正极输入端连接，第电压比较放大器u12a的负极输入端连接至地端agnd4，电压比较放大器u12a的正偏置端接第二电源端vccb+5v，电压比较放大器u12a的负偏置端接第一电源端vcca-5v，电压比较放大器u12a的输出端与第十五电阻r70的第一端连接，第十五电阻
r70的第二端分别与稳压二极管d12的负极以及第十六电阻r71的第一端连接，稳压二极管d12的正极连接至地端agnd4，第十六电阻r71的第二端与频率检出单元的输入端连接，电压比较放大器u12a的正极输入端还经第十七电阻r80与电压比较放大器u12a的输出端连接。
38.如图4所示，第一电源端vcca-5v分别经第一极性电容c67、第二极性电容c68、第三极性电容c69、第三电容c64、第四电容c65和第五电容c66连接至地端agnd4。第二电源端vccb+5v分别经第四极性电容c70、第五极性电容c71和第六极性电容c72、第六电容c61、第七电容c62和第八电容c63连接至地端agnd4。通过第二电源端vccb+5v与地端之间的六个电容，第一电源端vcca-5v与地端之间的六个电容,滤除直流偏置中的交流成分，防止外部高频信号对第二电源端vccb+5v端以及第一电源端vcca-5v端的干扰，提高了第一级运算放大器u10a、反相器u11a、第一跟随器u10b、第二跟随器u11b和电压比较放大器u12a的静态工作点的稳定性，并据此保证了滤波放大单元的整体性能。
39.滤波放大单元的作用原理为：
40.从低通滤波电路的输入端接入采集单元采集到的振弦振动信号，低通滤波电路中的第一高频滤波电容c60将振动信号中的高频杂波过滤到地，第一级运算放大器u10a进行第一次放大处理，第二隔直电容c59进行第一次的直流干扰滤除，第一跟随器u10b作交流跟随，第一隔直电容c57进行第二次的直流干扰滤除，反相器u11a进行放大倍数为-1倍的第二次放大处理，第三隔直电容c58进行第三次的直流干扰滤除，第二跟随器u11b作交流跟随，电压比较放大器u12a进行第三次的放大处理，并通过电压比较放大器u12a输出端接的稳压二极管d12进行输出信号的钳位，使得经电压比较放大器u12a输出端输出的信号为近似方波信号。
41.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。