一种在ICP恒流源电路中实现多路信号输出的专用转接装置的制作方法

本发明涉及icp传感器信号传输领域，具体涉及一种在icp恒流源电路中实现多路信号输出的专用转接装置。

背景技术

随着传感器技术的普遍应用，尤其是icp或者iepe传感器的普遍使用，使用大量传感器及配套数据采集进行机械设备或系统运行状态监测已成为行业常态。icp或者iepe传感器需要数据采集分析系统进行恒流源供电，一般是单路信号对应单独的数据采集分析系统，传感器信号利用率相对较低。将一路icp传感器信号转成多路电压信号输出，供不同的数据采集分析系统采集，实现不同的分析需求，是目前提高传感器信号利用率而需要解决的技术问题。尤其对于固化在大型结构中的振动噪声监测系统，为获取icp传感器信号，需要在不影响监测系统正常使用的前提下，进行传感器原始数据的多路采集，因此极有必要设计一种专用的转接设备。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有传感器信号利用率相对较低的不足，提供一种在icp恒流源电路中实现多路信号输出的专用转接装置，针对icp传感器输出的一路模拟信号转为多路电压信号输出，且不影响原电路信号，输出电路出现短路、icp供电等异常情况时不对原电路产生影响，实现不同数据采集分析系统对同一路icp传感器信号采集分析的需求，同时满足一定的精度和系统安全性要求。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种在icp恒流源电路中实现多路信号输出的专用转接装置，设置有电源接口、输入信号接口、输出信号接口和信号多路输出装置模块，输入信号接口接在icp传感器的输出端，输出信号接口并联设置多路接口供不同的数据采集分析系统连接(icp恒流源电路包括icp传感器、第一数据采集分析系统，其他数据采集设备是相对第一数据采集分析系统而言)，所述信号多路输出装置模块包括隔直电路、rc高通滤波电路、射随电路和反向输入保护电路；

所述隔直电路采用电容c1串联在输入信号接口(信号输入端)与输出信号接口(信号输出端)之间，用于滤去icp传感器采集的信号中的直流电压，得到传感器交变电压信号(从而准确采集icp传感器信号)；

所述rc高通滤波电路包括电阻r2和电容c1，电阻r2串联在信号输出端前与地连接部位之间，用于防止信号电路与地之间存在的电压差，电容c1设置信号的滤波频率，rc高通滤波电路的截止频率为1/2πr2c1(根据测试所需设定r2和c1值来调整电路截止频率)；

所述射随电路包括运算放大器opa140，用于对icp传感器采集的信号电流进行增强；

所述反向输入保护电路用于输出短路时的保护，包括：电容c1、运算放大器opa140(当专用转接装置输出端出现短路情况时，通过运算放大器opa140及电容c1的隔断，对输入端电路提供保护)。

按上述方案，还包括防误动作电路，防误动作电路包括两个稳压二极管，两个稳压二极管反向串接在输出信号接口与地之间(两个稳压二极管均为25v输入，5v稳压二极管，对于输出信号误动作，导致输出端变成24vdc输入，由两个稳压二极管组成防误动作电路，因此，加在运算放大器输出端的电压不会超过5v，而运算放大器的供电是正负15v，其输出端是可以承受电压不小于15v)。

本发明的工作原理：在电路设计上，采用从icp传感器输出端引出两路输出，一路直接引入原测量系统(第一数据采集分析系统)，另一路引入专用转接装置，通过专用转接装置后输出至第二数据采集分析系统。icp传感器经过其中一路数据采集的恒流源供电输出后，其信号是在一个18～30v的直流偏置电压(通常标准为24v)上叠加有用的传感器信号，在后级电路中，为准确采集icp传感器采集的信号，在专用转接装置的电路中加一个电容作为隔直滤波电路，利用电容的隔直通交的特性，滤去信号中的直流电压，得到纯净的传感器感知的交变电压信号。本发明电路在恒流源输出后，加一隔直电容c1，并与一电阻r2组成高通滤波，截止频率为1/2πr2c1，可根据测试所需设定r2、c1值。专用转接装置在隔直滤波电路后端，采用反向输入保护电路，当专用转接装置输出端出现短路情况时，对输入端电路提供保护，不影响输入端和输出端电路及信号特性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明主要用于将icp或者iepe传感器信号输入转换为多路信号输出，供其他数据采集分析系统采集使用，在适用频率范围内实现将一路icp传感器信号复制为多路独立的电压信号，确保复制的模拟信号与原测量系统电路信号可同时独立进行模拟信号采集测量；实现不同数据采集分析系统对同一路icp传感器信号采集分析的需求；

2、专用转接装置输出端口未接测量系统时，对原测量系统电路(第一数据采集分析系统)模拟信号适用频率范围内精度影响小于一定范围，输出端口外接测量系统时(第二数据采集分析系统，串联专用转接装置)，对原测量系统电路模拟信号精度影响小于一定范围；

3、专用转接装置输出端口外接测量系统，出现外接测量系统短路或者外接测量系统提供恒流源供电时，对原系统设备无损坏，且外接测量系统测量的模拟信号的误差小于一定范围；同时，当外接测量系统出现误操作提供24vdc恒流源供电时，对原测量系统电路模拟信号采集精度影响小于一定范围；

4、通过反向输入保护电路使得，转接装置输出端口出现短路情况时，对原测量系统电路模拟信号采集精度影响小于一定范围；

5、传感器的模拟信号有利于后期数据处理分析，本发明可以实现传感器实时数据的并行获取，在不影响监测系统基本使用的前提下，获取传感器的一手数据，打破获取数据受制于人的局面。

附图说明

图1为本发明专用转接装置的应用原理系统框图；

图2为本发明专用转接装置的信号多路输出装置模块的集成电路原理图；

图3为rc高通滤波电路图；

图4为反向输入保护电路图；

图5为等效电路图；

图6为防误动作电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照附图1所示，本发明一种在icp恒流源电路中实现多路信号输出的专用转接装置，应用于icp恒流源电路中，icp恒流源电路包括icp传感器(或者iepe传感器)、第一数据采集分析系统，专用转接装置实现将icp传感器信号输入转换为多路信号输出提供给其它数据采集分析系统(如第二数据采集分析系统)，icp传感器由第一数据采集分析系统进行供电，第二数据采集分析系统不需要再次进行icp恒流源供电。

专用转接装置主要由交流转直流电源和信号多路输出装置模块组成，其中专用转接装置输出端口并联设置多路接口供不同的数据采集分析系统使用。信号多路输出装置模块包括隔直电路，rc高通滤波电路和反向输入保护电路。一般专用转接装置设置电源接口(5vdc电源)、输入信号接口、输出信号接口。输入信号接口可接入各种传感器模拟信号(包含icp传感器信号)；输出信号接口将对应的输入信号转换成2hz～40khz范围内的模拟信号输出给其它数据采集设备(如第二数据采集分析系统)。

设置第二数据采集分析系统的参数，将专用转接装置的输出信号接入外部数据采集设备后，对应于输入信号传感器的灵敏度填入第二数据采集分析系统，设置信号的供电方式为外部供电(direct)，高通和低通与原输入信号相同。

图2为本发明专用转接装置的信号多路输出装置模块的集成电路原理图，经过系统模块的调试，选取符合测量要求的电子元件，形成集成化模块。在实际应用中，各个模块相互独立，可以组合成多通道的转接装置。装置信号输出原理：在输入信号接口(信号输入端)和输出信号接口(信号输出端)之间串联电容c1作为隔直电路，用于隔直流，同时保证电路不对原有信号进行供电干扰。

如图3所示，rc高通滤波电路包括电容c1和电阻r2，电容c1设置信号的滤波频率，rc高通滤波电路的截止频率为1/2πr2c1(根据测试所需设定r2和c1值来调整电路截止频率)。

由于传感器信号是由两组采集设备采集的，为了确保信号进入数据采集设备时，有足够的驱动能力，因此，在电路设计中增加一个运算放大器opa140，串联在输入信号接口(信号输入端)和输出信号接口(信号输出端)之间，组成射随电路，对信号电流进行增强，如图2中线框所示。

输出短路时的反向输入保护电路包括：电容c1、运算放大器opa140，如图4所示。

如果输出vout对地短路，则形成一个以电容c1及运算放大器opa140组成的高通滤波器，opa140等效为高阻抗，等效电路如附图5所示。

对于输入信号vin而言，或传感器及另一路数据采集设备而言，一个高通滤波电路是不会对信号造成干扰(其截止频率为1hz以下)，更不会对传感器及另一路数据采集设备造成损坏。

对于输出信号误动作，导致输出端变成24vdc输入，如图6所示，由两个稳压二极管d1、d2组成反向输入保护电路，稳压二极管d1、d2均为25v输入，5v稳压二极管。

因此，加在运算放大器opa140输出端的电压不会超过5v，而运算放大器opa140的供电是正负15v，因此，其输出端是可以承受电压不小于15v。同时，经过稳压二极管后的5v电压，由于有opa140及c1的隔断，是不叠加到输入vin端的。

本发明专用转接装置实现不同数据采集分析系统对同一路icp传感器信号采集分析步骤：

第一步：在专用转接装置的信号输入端接入需要分路的icp传感器信号，信号电压不大于24dc；

第二步：接入专用转接装置的供电模块，供电模块由交流220v转换为直流6v供电，为装置的正常运行提供电源；

第三步：将专用转接装置的信号输出端通过信号线接入其他数据采集设备(第二数据分析采集系统，也可扩展多个数据采集设备)，在数据采集分析系统中设置相应的参数，采集原始信号由专用转接装置之后形成的分路信号。

本发明专用转接装置适用频率影响分析：

为满足分路信号与原始信号的一致性，合理选用电容和电阻，对于直流分量的滤除本质上通过电容c1的高通滤波特性实现的，其对一定频率内的低频分量都会有一定抑制。还可以在电容c1后端增加用于电容抑制特性相关的电路放大器，实现对抑制频段的放大。

高频截至频率是通过选择电容、电阻实现，选择截至频率适当的电感，在适用频率范围内的线性特征，适当放宽截至频率上限，保证在适用的频率范围内无衰减。

本发明专用转接装置采集精度影响分析：

为适应icp传感器供电所需，行业有明确规定，在恒流源电路部分，恒流源电路供电电压18～30vdc，恒定电流2～20ma，通常恒流源额定值为24vdc，4ma。

一般的数据采集设备，在采集过程中，由于前端调理部分，有运算放大器，射随器，有源滤波器，以及adc电路，这些电路均对信号有一定驱动能力要求，过小的电流会无法驱动这些电路，或者驱动能力不足，而导致信号无法测试，或测试不精准。但是本发明数据采集设备的前端调理电路，或adc电路，其对信号驱动能力要求大多都在微安(100μa以上)，也就是毫安信号是完全能被数据采集设备精准采集。

根据上述恒流源行业规定，数据采集设备的恒流源电路是最小电流2ma设计，将icp传感器经恒流源分多路输出，可以实现驱动多个数据采集设备，而不影响信号的真实值。

上述应用仅为本发明的一个较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。