CN102589410A - 一种用于测量桩基微应变的相敏检波型lvdt位移传感器 - Google Patents

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周亮
唐毅
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Abstract

本发明公开了一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、相敏检波器和单片机，稳幅振荡器的输出端分别与LVDT位移传感器的激励信号输入端和相敏检波器的比较信号输入端相连，LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述相敏检波器的输入端相连，单片机的信号输入端与相敏检波器的输出端相连，单片机的信号输出端与外部设备相连。本发明采用的LVDT位移传感器具有相当优良的共模抑制能力，可以几乎不受温度漂移的影响；由于采用了相敏检波电路，可适用于双向测量的大量程场合；可直接输出位移量，无需二次转化计算；具有极其精细的测量分辨率和线性度。

Description

一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器
技术领域
本发明涉及一种位移传感器电路，尤其涉及一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器的缩写，以下简称LVDT)位移传感器。
背景技术
建筑领域中对桩基微应变测量的传统方式是通过采用一种称为钢弦式应力传感器来实现的。其原理是：在一根两端被绷紧的钢弦上施以激励电脉冲时，该钢弦产生激振；假定该钢弦被固定在某一刚体空腔内，当该刚体受到外力作用时将发生形变，刚体的形变将导致内置钢弦的二个固定端点间的距离发生微小变化，当钢弦受到电脉冲激励时，钢弦将发生激振，其振荡频率亦发生相应的变化，通过对比当今测定频率与前次测定频率，依据经验公式换算出应变值。
从简述的原理中可以清晰看出钢弦式应力传感器具有以下不可弥补的缺陷：
(1)由于钢弦的两端是紧绷的，始终受到张力作用，因此钢弦会发生自然形变，从而导致其输出固有频率的变化；
(2)钢弦式应力计输出信号的一致性较差，其输出响应与钢弦的绷紧程度、钢弦材质的一致性有关，因此每个传感器需独立校正；
(3)钢弦式传感器的输出信号具有明显的温度漂移特征；
(4)在桩基应变测量时，需将被测钢筋截断，钢弦式传感器被焊接在钢筋的二个断口间，因此在桩基载荷时，若钢弦式传感器的弹性模量与被测钢筋不一致，则测量值不具指导施工的意义；
(5)测量值需经过经验参数进行二次换算，精度较差，不具有可比性和一致性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器，该LVDT位移传感器具有测量精度高、几乎不受温度漂移影响等特点。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器，它包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、相敏检波器和单片机，所述稳幅振荡器的输出端分别与所述LVDT位移传感器的激励信号输入端和所述相敏检波器的比较信号输入端相连，所述LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述相敏检波器的输入端相连，所述单片机的信号输入端与所述相敏检波器的输出端相连，所述单片机的信号输出端与外部设备相连；其中：
所述稳幅振荡器产生并输出稳幅的正弦波激励信号；
所述LVDT位移传感器接收所述稳幅振荡器输出的正弦波激励信号，检测后输出检测信号；
所述相敏检波器接收所述LVDT位移传感器输出的检测信号，并对其作相敏检波处理，输出二维信息信号；
所述单片机接收所述相敏检波器输出的二维信息信号，并将该信号进行数字化处理，以RS232方式向外输出数字信号。
上述的一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器，其中，所述单片机输出的数字信号为12位数字信号。
本发明位移传感器与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明采用的LVDT位移传感器具有相当优良的共模抑制能力，例如温度变化类参量在本发明位移传感器的输出响应中被转化为共模量，因此对于温度变化这种共模量具有优良的抑制能力，可以几乎不受温度漂移的影响；
2.由于采用了相敏检波电路，可适用于双向测量的大量程场合；
3.可直接输出位移量，无需二次转化计算；
4.具有极其精细的测量分辨率和线性度。
附图说明
图1是本发明LVDT位移传感器的原理框图；
图2是本发明LVDT位移传感器的电路结构图；
图3是本发明中相敏检波器的电路结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，图中示出了本发明用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器的原理结构，它包括稳幅振荡器1、LVDT位移传感器2、相敏检波器3和单片机4，稳幅振荡器1的输出端分别与LVDT位移传感器2的激励信号输入端和相敏检波器3的比较信号输入端相连，LVDT位移传感器2的检测信号输出端与相敏检波器3的输入端相连，单片机4的信号输入端与相敏检波器3的输出端相连，单片机4的信号输出端与外部设备相连。
其中，单片机4的型号为12位的CC2530。
请参阅图2，图中示出了本发明用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器的电路结构。由集成运算放大器IC1：A(TL082)和电容构成的2.5KHz稳幅振荡器1开始工作，输出的正弦波经集成运算放大器IC1：B(TL082)放大后形成3伏(有效值)的正弦波激励信号，分别输出至LVDT位移传感器2(用以激励LVDT位移传感器2的初级线圈)以及相敏检波器3(用于作为比较信号)。LVDT位移传感器2输出的检测信号被相敏检波器3进行相敏检波处理后，输出一个包含幅值特征和位移方向的信号，馈送至单片机4(CC2530)的信号输入端端口。同时，通电后单片机4(CC2530)开始工作，经2秒延时后采样电压信号；实施2秒延时的目的是等待稳幅振荡器1输出信号的稳定。经单片机4(CC2530)数字化处理后的12位数字信号以RS232方式输出。基准源集成电路IC8(REF3020)为单片机4的AD转换提供了电压基准。
上述相敏检波器3的电路结构如图3所示，其中采用的运算放大器OPA221，是一款超低噪声、带禁止端的低价高性能运放，其禁止端(Pin 8)上接入正电平时，器件输出呈高阻，输出被封闭；当禁止端(Pin 8)上接入零电平时，输出被使能。
请参阅图3，相敏检波器3的原理如下：LVDT位移传感器2的衔铁离开原点延轴向向左偏离，则输出信号SIG与OSC同相(为正)。当在LVDT位移传感器2的原边加入2.5KHz的稳幅正弦波激励信号OSC时，在正弦波激励信号的上半周，比较器IC1：A(LM339)输出DIS2为高电平，比较器IC1：B(LM339)输出DIS1为低电平，因此，IC3(OPA211)反相放大器输出被禁止，IC2(OPA211)同相放大器输出被使能，由于IC3(OPA211)反相端及IC2(OPA211)同相的输入信号与激励信号OSC同相，IC2(OPA211)输出正极性正弦波上半波包络；当正弦波激励信号过零进入下半周时，比较器IC1：A(LM339)输出DIS2为低电平，比较器IC1：B(LM339)输出DIS1为高电平，因此，IC3(OPA211)反相放大器输出被使能，IC2(OPA211)同相放大器输出被禁止，IC3(OPA211)输出正极性下半周正弦波包络；合成IC2(OPA211)和IC3(OPA211)的输出，得到类似全波整流的正极性正弦波包络。
当图3中LVDT位移传感器2的衔铁离开原点延轴向向右偏离时，则输出信号SIG与OSC反相。在正弦波激励信号的上半周，比较器IC1：A(LM339)输出DIS2为高电平，比较器IC1：B(LM339)输出DIS1为低电平，因此，IC3(OPA211)反相放大器输出被禁止，IC2(OPA211)同相放大器输出被使能，由于IC3(OPA211)反相端及IC2(OPA211)同相的输入信号与激励信号OSC反相，IC2(OPA211)输出负极性正弦波半波包络；当正弦波激励信号过零进入下半周时，比较器IC1：A(LM339)输出DIS2为低电平，比较器IC1：B(LM339)输出DIS1为高电平，因此，IC3(OPA211)反相放大器输出被使能，IC2(OPA211)同相放大器输出被禁止，IC3(OPA211)输出负极性下半周正弦波包络；合成IC2(OPA211)和IC3(OPA211)的输出，得到类似全波整流的负极性正弦波包络。图3电路中的电阻R8、R14分别与电容E1构成IC2(OPA211)和IC3(OPA211)的输出平滑网络，取激励源OSC信号周期约3倍的时间常数；当然，可以取更大的时间常数，因为用于桩基钢筋应变测量中，钢筋的应变量是个非常缓慢的变量。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器，其特征在于，它包括稳幅振荡器、LVDT位移传感器、相敏检波器和单片机，所述稳幅振荡器的输出端分别与所述LVDT位移传感器的激励信号输入端和所述相敏检波器的比较信号输入端相连，所述LVDT位移传感器的检测信号输出端与所述相敏检波器的输入端相连，所述单片机的信号输入端与所述相敏检波器的输出端相连，所述单片机的信号输出端与外部设备相连；其中：
所述稳幅振荡器产生并输出稳幅的正弦波激励信号；
所述LVDT位移传感器接收所述稳幅振荡器输出的正弦波激励信号，检测后输出检测信号；
所述相敏检波器接收所述LVDT位移传感器输出的检测信号，并对其作相敏检波处理，输出二维信息信号；
所述单片机接收所述相敏检波器输出的二维信息信号，并将该信号进行数字化处理，以RS232方式向外输出数字信号。
2.如权利要求1所述的一种用于测量桩基微应变的相敏检波型LVDT位移传感器，其特征在于，所述单片机输出的数字信号为12位数字信号。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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