一种振弦式采集仪信号接口防雷电路的制作方法

本实用新型涉及土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业，更具体地说，涉及一种振弦式采集仪信号接口防雷电路。

背景技术：

目前振弦类传感器的应用环境基本都是户外野外，比如桥梁、大坝、边坡等等，而且这些应用环境避免不了雷雨天气的影响，尤其是雷电。雷电对振弦式数据采集系统的影响主要是感应雷，感应雷会在振弦式传感器至振弦式采集仪的信号线缆上产生浪涌脉冲，从而可能会导致振弦式采集仪信号接口由于遭受浪涌而损坏，从而导致设备失效。目前大部分的振弦采集仪的传感器信号接口部分都仅仅提供了一级的tvs管防护甚至没有防护器件，防护等级较弱，随着结构安全监测对系统的可靠性要求越来越高，也对其数据采集系统的抗浪涌冲击能力要求越来越高。除了在采集仪内部考虑浪用防护外，目前也有采用专用的外接式防雷器进行保护，但是外接式防雷器存在几个问题：1、价格贵、体积大，不便于系统集成；2、接线麻烦，给现场工程安装人员带来了较大的工作量；3、兼容性差，一般外界专用信号防雷器都是针对一些工业常用信号比如rs485等的专用防护设计，没有针对振弦类接口的专用模块，所以如果匹配不好，不仅不会起到防护作用，可能还会导致正常的信号测量产生问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种振弦式采集仪信号接口防雷电路，以解决背景技术中所提到的技术问题。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种振弦式采集仪信号接口防雷电路，包括振弦式传感器、第一级gdt防护器件、退耦器件、第二级tvs管防护器件、抗浪涌保护接地装置、被保护后级电路，由第一级gdt防护器件、退耦器件、第二级tvs管防护器件组成的全差分振弦信号的抗浪涌保护电路，承受振弦式传感器信号线上感应的浪涌脉冲，防止浪涌脉冲损坏被保护后级电路，并通过抗浪涌保护接地装置泄放浪涌能量；

三引脚双gdt的第一级gdt防护器件和一对退耦器件、一对第二级tvs管防护器件对振弦式采集仪差分对信号接口进行保护。

在上述任一方案中优选的是，当浪涌脉冲信号经过抗浪涌电路模块时，由于tvs管的响应速度快于gdt，第二级tvs管防护器件先进行动作，而退耦器件通过自身的一定内阻，将输入退耦器件侧的电压提高到第一级gdt防护器件的击穿电压上，此时第一级gdt防护器件进行大通流的泄放，起到保护作用。

在上述任一方案中优选的是，所述振弦式传感器的金属外壳与信号线缆的屏蔽层连在一起，并最终连接在抗浪涌保护接地装置的等电位连接端子上。

在上述任一方案中优选的是，所述后级电路最大耐受电压都是60v。

在上述任一方案中优选的是，所述振弦通道切换采用g6k-2f-y-5v型信号继电器。

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

本实用新型专利解决了目前行业内，目前振弦类采集设备内部只有一级浪涌防护电路或者甚至没有，而且在需要防雷的场景中，可能需要配置专用的外置信号防雷器，但是外置的信号防雷器不仅体积大，而且成本很高，最重要的信号防雷器的防护信号与振弦信号的匹配度问题。本设计专门从振弦信号电气特性角度，以及后级防护电路的要求，设计成两级浪涌防护电路，不仅体积小、成本低，而且从理论设计上完全匹配振弦信号以及振弦采集系统的浪涌防护要求，实际的浪涌等级测试中，也完全满足lpz0b-3的浪涌防护要求。

附图说明

图1为本实用新型的防雷接口模块框图；

图2为本实用新型振弦式采集仪信号接口防雷电路原理图；

图3为本实用新型抗浪涌厚膜贴片电阻电路图。

图中标号说明：

1、振弦式传感器，2、第一级gdt防护器件，3、退耦器件，4、第二级tvs管防护器件，5、抗浪涌保护接地装置，6、被保护后级电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例1：

请参阅图1-3，一种振弦式采集仪信号接口防雷电路，包括振弦式传感器1、第一级gdt防护器件2、退耦器件3、第二级tvs管防护器件4、抗浪涌保护接地装置5、被保护后级电路6组成，由第一级gdt防护器件2、退耦器件3、第二级tvs管防护器件4组成的全差分振弦信号的抗浪涌保护电路，承受振弦式传感器1信号线上感应的浪涌脉冲，防止浪涌脉冲损坏被保护后级电路6，并通过抗浪涌保护接地装置5泄放浪涌能量。

在本实施例中，使用三引脚双gdt的第一级gdt防护器件2和一对退耦器件3、一对第二级tvs管防护器件4对振弦式采集仪差分对信号接口进行保护；

在本实施例中，当浪涌脉冲信号经过抗浪涌电路模块时，由于tvs管的响应速度快于gdt，第二级tvs管防护器件4先进行动作，而退耦器件3通过自身的一定内阻，将输入退耦器件3侧的电压提高到第一级gdt防护器件2的击穿电压上，此时第一级gdt防护器件2进行大通流的泄放，起到保护作用；

在本实施例中，振弦式传感器1的金属外壳与信号线缆的屏蔽层连在一起，并最终连接在抗浪涌保护接地装置5的等电位连接端子上。

本方案采用多级防护，逐级递减浪涌能量的原理，实现保护振弦采集仪信号接口电路的目的。本系统共采用两级防护，第一级采用大通流器件，如气体放电管gdt或者压敏电阻mov，第二级采用精确钳位器件保证电压不超过后级电路能承受的最大电压，比如tvs器件。由于第一级防护器件和第二级防护器件的响应时间、击穿电压等参数不同，还需要在两级防护器件之间增加退耦器件才能保证两级防护电路的协同工作。

振弦通道切换采用g6k-2f-y-5v型信号继电器，由技术规格书可知振弦式采集仪信号接口的后级电路最大耐受电压都是60v（即vabs），按照该最大耐受电压进行浪涌防护电路的设计，同时需要确定防护电路的最大工作电压。

另外根据设备使用的场景和防雷要求，一般设备安装在接近界面的防护箱内，或者类似山坡上，匹配的防雷等级要求是：lpz0b-3，属于室外地面设备系统，按照6kv-3ka的浪涌防护要求设计。因此本电路的设计要依据此等级的防护要求进行设计。

振弦信号接口两级抗浪涌器件参数设计步骤如下：

（1）第一级选择90v击穿电压的gdt（3r090m-6*8），实际最大击穿电压为108v，108v则对应为第二级tvs管防护的残压参数，即vmax=108v;

（2）激励电压33v，则vinmax=33v；

（3）电路的最大输入安全电压vabs=60v；

（4）tvs的钳位电压vc≤vabs=60v；

（5）tvs管的反向关断电压vr≥vinmax=33v，选择vr=1.1*33v=36.3v，选择vr=36v；

（6）ipp=（vmax-vc）/2ω=（108v-36v）/2ω=36a;

（7）最大峰值脉冲功率pppm=ipp*vc=36a*36v=1296w，实际选择1500w的tvs管。

依据以上参数，可选择smcj36ca，vc=58.1v，vr=36v，vbr=40v@1ma，ipp=25.9a，pppm=1500w。可看到smcj36ca的ipp不满足要求，需要退耦器件进行限流。如选择1欧姆的退耦电阻，则ipp可限制为（108v-36v）/3ω=24a，满足要求。

1欧姆电阻需要选择抗浪涌厚膜贴片电阻。电路设计如图3所示。另外，退耦器件的直流电阻不能影响振弦信号的测量，如果退耦器件阻值过大，可能会导致振弦式传感器难以激励，而反馈回来的本来已经微弱的信号又可能受到退耦器件的衰减影响。本实用新型通过实际计算，实际退耦电阻为1欧姆，而一般振弦式传感器的线圈直流电阻大都在100欧姆以上，对信号的影响程度可以忽略不计，实际测试中也发现长距离（如1000米）的测试，有无抗浪涌电路模块不会影响振弦信号的幅值，不影响信号完整性。

附图1说明：振弦式传感器（1）两根信号线输出全差分信号，所以两个箭头代表一对大小相等，极性相反的差分对信号，经过第一级gdt可选择三引脚的型号，在经过两个抗浪涌功率电阻，最后经过第二级tvs精确电压钳位进而保护后级电路，整个信号链的保护电路因为全差分信号而呈上下对称的结构。

附图2说明：黑色方框里面的电感l1和电阻r83组成振弦式传感器的等效电路模型。f+和f-组成全差分信号差分对，所在的电气连接线表示振弦式传感器到振弦式采集仪接口部分的传感器信号线。g17和r78、r79、d47、d48组成两级抗浪涌保护电路模块。ls9表示被保护的后级电路的元器件。g1表示振弦传感器的金属外壳和信号电缆的屏蔽层，g1表示振弦式采集仪板上的保护接地（抗浪涌保护接地），用于提供浪涌脉冲的能量泄放回路。g1和g2在振弦式采集仪接口上连接在一起。

工作原理：

tvs，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。它是采用标准的半导体工艺制成的具有单个pn结或多个pn结集成的器件。tvs有单向与双向之分，单向tvs一般应用于直流供电电路，双向tvs应用于电压交变的电路。直流应用时单向tvs反向并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到其（雪崩）击穿电压时，tvs迅速由高阻态突变为低阻态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在一个安全水平之内，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，tvs阻值又恢复为高阻态。

gdt，即陶瓷气体放电管。gdt是由封装在充满惰性气体的陶瓷管中具有一个或一个以上的放电间隙组成的器件。gdt电气性能取决于气体种类、气体压力、内部电极结构、制作工艺等因素。gdt可以承受高达数十甚至数百千安培的浪涌电流冲击，具有极低的结电容，应用于保护电子设备和人身免遭瞬态高电压的危害。

根据实现原理中的计算步骤，选择gdt、tvs、退耦器件的参数分别为：

gdt：型号选择3r090m-6*8，dcspark-overvoltage90v±20%,8/20us5ka,2.0pf

tvs：型号选择smcj36ca双向tvs管，vc=58.1v，vr=36v，vbr=40v@1ma，ipp=25.9a，pppm=1500w

退耦电阻：型号swr12jtfa1r，1.5w，1欧姆，10/700us浪涌脉冲能承受400v最高电压，而本实用新型中的设计，1欧姆电阻流通电流为24a，功率为576w，本型号的功率耐受在10/700us浪涌脉冲时为1500w。

对于接地的要求，振弦式采集仪内部配置防雷器件后，需要将抗浪涌保护接地可靠地连接到真正的大地上，而且接地电阻要求需要满足国家标准的规范要求，这样才能起到抗浪涌的作用。同时振弦式传感器的金属外壳与信号线缆的屏蔽层连接到与抗浪涌保护接地装置等电位连接端子上，这样通过电磁屏蔽原理，能够进一步降低振弦信号的差分线受浪涌的影响程度。

关于退耦器件的选择：

第一级防护器件与第二级防护器件采用的过电压器件种类不同，击穿电压大小不同，击穿电压大小不同，响应时间不同，所以要在两级过电压保护器件之间加退耦元件才能保证两级过电压保护器件协同工作。退耦元件要求有一定的阻抗才能起到退耦的作用。

退耦器件的工作原理，一般第二级过电压保护器件采用钳位电压较低响应速度较快的小通流器件，浪涌电压冲击时会先导通，退耦器件具有一定的内阻，经过大浪涌电流时，会将退耦器件之前的电压提高到第一级电压元件的击穿电压之上，第一级元件导通后可泄放大浪涌电流，从而分担了第二级保护器件的压力。若两级过电压保护器件之间不加退耦器件，这样第二级保护器件就会一直处于先导通状态，当浪涌电流超过第二级元器件的吸收功率能力时，便会使其损坏。

退耦器件的选取要根据线路的工作电流大小来选取，如一些信号电路工作电流较小，在保证其正常通信的情况下可选取功率型电阻或自恢复保险丝，退耦电阻一般选取10欧姆以内。从浪涌防护的角度来讲，退耦电阻越大越好，但也不能太大，否则会影响线路正常工作电流，需要在电路设计时综合考虑。

对一些输入电流较大的低频线路，可选用电感来进行退耦，电感阻抗的计算公式为zl=2πfl，当确定好阻抗值后，可从公式中计算出所用电感的大小。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式；但本实用新型的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。