CN102798431A

CN102798431A - 一种压电晶体振荡及检测装置

Info

Publication number: CN102798431A
Application number: CN2012103171671A
Authority: CN
Inventors: 蔡明�; 刘兆; 王兴坤
Original assignee: BEIJING JING YI-HIFOR AUTOMATION INSTRUMENT CO LTD
Current assignee: Beijing Far East Instrument Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN102798431B

Abstract

本发明公开了一种压电晶体振荡及检测装置，包括：电源转换电路，DC-DC升压变换电路，PWM波波形发生电路，压控电子开关，压电晶体，谐振体以及振荡检测电路。本发明技术方案的实现，不仅能够使***功耗大大降低，易于起振，振荡持续稳定，且具显著降低了***储能元件的参数值和压电晶体的激励电压，从而使***具有本质安全等重要特征，因此，极其适用于易燃、易爆等对安全要求较高的工业现场。

Description

一种压电晶体振荡及检测装置

技术领域

本发明涉及电子信息和自动控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种压电晶体振荡及检测装置。

背景技术

目前，压电晶体振荡及其检测技术，是一种非常重要的检测手段，广泛应用于工农业生产，尤其是过程控制工程领域中。压电晶体振荡及其检测技术的工作原理是，交变的电压信号作用于压电晶体的电轴信号输入端，在其机械轴轴线方向便会产生周期振动，当该振荡频率与与之连接的谐振体（譬如音叉）固有振荡频率一致时，谐振体便会产生共振。当共振中的谐振***于不同的介质中时，其振荡频率和振幅会发生变化，通过检测其振荡频率和振幅的变化，便可以测量固体或液体料位的界面，达到物位测量的目的。

在本发明的实现过程中，发明人发现：

目前，现有技术中的压电晶体振荡器之中，交变电压信号一般采用模拟电压信号，由CPU输出一定周期的矩形波，通过低通滤波RC等形式的滤波器件，将矩形波变成近似正弦或余弦信号的脉动波形，该脉动波信号再通过差分放大器进行差分放大，变成相位差值为180度的两路差分信号，再通过变压器升压后，将两路信号分别加到压电晶体的信号输入端，从而引发压电晶体的机械振荡。目前，传统的压电晶体振荡及检测装置中存在着储能元器件参数值过大，难以达到本质安全要求，功耗过高，模拟器件和模拟信号传输与处理，起振困难，易停振等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电晶体振荡及检测装置，能够使***功耗大大降低，易于起振，且振荡持续稳定。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施例提供了一种压电晶体振荡及检测装置，包括：

电源转换电路，所述电源转换电路的信号输入端与外部电源输入端连接，电源转换电路的信号输出端与DC-DC升压变换电路的信号输入端连接，用于生成较高的工作电压；

DC-DC升压变换电路，所述DC-DC升压变换电路的信号输出端与压控电子开关的电源端连接，用于执行低电压到高电压的电压升压操作，产生满足压电晶体振荡需要的较高的工作电压；

PWM波波形发生电路，所述PWM波波形发生电路的信号输出端与压控电子开关的信号输入端连接，用于产生至少两路的PWM脉宽调制波形，以便形成压控电子开关所需要的电压控制信号；

压控电子开关，所述压控电子开关的信号输出端与所述压电晶体的信号输入端连接，用于在PWM脉宽调制信号控制下产生压电晶体振荡所需要的较高电压值的交变电压信号；

压电晶体，所述压电晶体的信号输入端，与压控电子开关信号输出端连接，在交变变压信号作用下，产生机械振荡；同时，所述压电晶体与所述谐振体被紧密地固定在一起，其产生的机械振动，可以直接传导给谐振体；所述压电晶体同时还与检测压电晶体紧密固定在一起，其产生的机械振动，可以同时直接传到检测压电晶体，并使检测压电晶体产生一定幅值的电压输出信号。

谐振体，所述谐振体为机械结构体，用于提供较稳定的谐振频率，所述谐振体与压电晶体和检测压电晶体紧密固定在一起。当压电晶体的振荡频率与所述谐振体的固有频率一致时，所述谐振体便会共振，产生持续的机械振荡；

振荡检测电路，用于实时检测谐振体的振荡频率变化和振幅变化状况。

进一步的，所述装置还包括：

中央处理器，所述振荡检测电路的信号输出端与中央处理器所在主电路信号输入端连接，所述中央处理器所在的主电路的信号输出端与反馈输出电路相连，用于对所述振荡检测电路输出信号进行采样处理；同时，根据处理后的数据信息，输出PWM脉宽调制信号。

反馈输出电路，用于将中央处理器处理后的信号，以4-20mA的方式输出。

进一步的，所述电源转换电路包括：

整流与二次保护器件、电流-电压转换与稳压器件、滤波器件以及线性稳压电路；

其中，所述整流与二次保护器件的输入端与外部输入电源信号连接，所述整流与二次保护器件的信号输出端与电流-电压转换与稳压器件的信号输入端连接；所述电流-电压转换与稳压器件的信号输出端与滤波器件的信号输入端连接；所述滤波器件的信号输出端分别与线性稳压电路的输入端和DC-DC升压变换电路的电流输入端连接。

进一步的，所述DC-DC升压变换电路包括：

电感线圈、DC-DC专用芯片及其附属电路、整流电路以及反馈与稳压滤波网络；

其中，所述电感线圈的输入端与所述电源转换电路的电流输出端连接；所述电感线圈的输出端与所述DC-DC专用芯片及其附属电路以及所述整流电路的输入端连接；所述整流电路的输出端与所述反馈与稳压滤波网络的信号输入端连接；所述反馈与稳压滤波网络的反馈信号输出端与DC-DC专用芯片及其附属电路的反馈信号输入端连接。

进一步的，所述反馈输出电路包括：

接口电路，所述接口电路的输入端与主电路的中央处理器相连；

无线传输电路，与所述接口电路的输出端相连，用于将所述采样信号以无线的方式进行传输；

有线传输电路，与所述接口电路的输出端相连，用于将所述采样信号以有线的方式进行传输。

进一步的，所述有线传输电路包括：

开关光耦、触发整形电路、D/A转换器、模拟电压放大器、电流放大器以及负反馈电路；

其中，所述中央处理器的信号输出端通过接口电路与所述开关光耦的信号输入端相连接；开关光耦的信号输出端与所述触发整形电路的信号输入端相连接；触发整形电路的信号输出端与所述D/A转换器的信号输入端相连接；D/A转换器的信号输出端与所述模拟电压放大器的信号输入端相连接；模拟电压放大器的信号输出端与所述电流放大器的信号输入端相连接；电流放大器的信号输出端与所述负反馈电路的信号输入端相连接；负反馈电路的信号输出端与所述模拟电压放大器的信号输入端相连接。

进一步的，所述无线传输电路采用调频传输技术，对所述采样信号进行传输。

进一步的，所述电源转换电路的输入电源信号为4-20mA、HART总线信号以及24V直流电源中的任意一种。

进一步的，所述电源转换电路、DC-DC升压变换电路、PWM波波形发生电路以及压控电子开关，还可以用于作为通用电路，对压电阀或电磁阀压控可执行部件进行驱动控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种压电晶体振荡及检测装置，使用DC-DC升压变换电路替换传统的升压变压器；用PWM波波形发生电路和压控电子开关代替传统的模拟差分放大器和滤波器；用PWM波代替传统的正弦或余弦信号作为压电晶体的激励信号；电源转换电路可以兼容4-20mA电流、HART总线信号以及24V直流电源信号；PWM波波形发生电路，可以产生多路PWM驱动信号，带动多路压电晶体和谐振体工作，实现多路检测。在工作中，利用动态数字扫频技术，实时调整晶体振荡频率，使之动态跟踪谐振体固有振荡频率的变化。本发明的技术方案能够大幅降低***功耗，而且结构精简，压电晶体更易于起振，谐振体振荡持续稳定，同时具有本质安全防爆等重要特征，极其适用于易燃、易爆等对安全要求较高的工业现场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的压电晶体振荡及检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供电源变换和DC-DC升压变换电路的电路原理图；

图3为本发明实施例所提供高精度反馈输出电路的原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压电晶体振荡及检测装置，包括：

电源转换电路1，用于生成工作电压；

DC-DC升压变换电路2，用于执行低电压到高电压的电压升压操作，产生满足压电晶体振荡需要的较高的工作电压；

PWM波波形发生电路5，用于产生至少两路的PWM脉宽调制波形，以便形成压控电子开关所需要的电压控制信号；

压控电子开关3，用于在PWM脉宽调制信号控制下产生压电晶体振荡所需要的较高的交变电压信号；

压电晶体4，用于产生振荡信号；

谐振体7，用于当压电晶体的振荡频率与所述谐振体的固有频率一致时，所述谐振体7便会共振，产生持续的机械振荡；

振荡检测电路6，用于实时检测谐振体的振荡频率域振幅变化状况。

其中，所述电源转换电路的信号输入端与外部电源输入端连接，电源转换电路的信号输出端与DC-DC升压变换电路的信号输入端连接；所述DC-DC升压变换电路的信号输出端与压控电子开关的电源端连接；所述PWM波波形发生电路的信号输出端与压控电子开关的信号输入端连接；所述压控电子开关的信号输出端与所述压电晶体的信号输入端连接；所述压电晶体的信号输出端与谐振体的信号输入端连接；所述谐振体的信号输出端与振荡检测电路连接。

进一步的，所述装置还可以包括：

中央处理器（CPU）8，所述振荡检测电路的信号输出端与中央处理器所在主电路信号输入端连接，所述中央处理器的输出端与反馈输出电路相连，用于对所述振荡检测电路输出的信号进行采样处理；同时，还与PWM波波形发生电路连接，用于输出PWM脉宽调制波。

反馈输出电路9，用于将中央处理器处理后的信号，以4-20mA等方式输出。

如图2所示为本发明实施例所提供电源变换和DC-DC升压变换电路等的电路原理图，所述电源转换电路进一步可以包括：

整流与二次保护器件21、电流-电压转换与稳压器件22、滤波器件23以及线性稳压电路24；

其中，所述整流与二次保护器件的输入端与外部输入电源信号连接，所述整流与二次保护器件的信号输出端与电流-电压转换与稳压器件的信号输入端连接；所述电流-电压转换与稳压器件的信号输出端与滤波器件的信号输入端连接；所述滤波器件的信号输出端分别与线性稳压电路的输入端和DC-DC升压变换电路2的电流输入端连接。

所述电源转换电路的输入电源信号可以适应4-20mA、HART总线信号以及24V直流电源中的任意一种输入电源信号。来自外部的电源信号，譬如4-20mA电流信号，通过所述整流与二次保护器件21、所述电流-电压转换与稳压器件22和所述滤波器件23等，完成整流与二次保护、电压拾取、稳压与初步滤波等，产生具有一定数值的直流电压。该电压经过所述线性稳压电路24，产生稳定的供CPU等电路单元正常工作使用的电压信号。

进一步的，所述DC-DC升压变换电路可以包括：

电感线圈25、DC-DC专用芯片及其附属电路26、整流电路27以及反馈与稳压滤波网络28；

其中，所述电感线圈的输入端与所述电源转换电路的电流输出端连接；所述电感线圈的输出端与所述DC-DC专用芯片及其附属电路以及所述整流电路的输入端连接；所述整流电路的输出端与所述反馈与稳压滤波网络的信号输入端连接；所述反馈与稳压滤波网络的反馈信号输出端与DC-DC专用芯片及其附属电路的反馈信号输入端连接。通过调整相关参数，可以将较低的输入电压值升高到所需求数值。

基于上述技术方案具体的说，通过所述电源转换电路1可以形成多种电压，以满足所述DC-DC升压变换电路2升压需要的电压和图2中线性稳压电路等单元电路正常工作所需要的电压，通过所述DC-DC升压变换电路2完成由低电压到高电压的电压升压功能，产生满足所述压电晶体4振荡所需的较高工作电压，通过所述PWM波形发生器5产生两路或数路PWM脉宽调制波形，形成所述压控电子开关3所需要的电压控制信号，所述压控电子开关3在PWM脉宽调制信号控制下产生所述压电晶体4振荡所需要的较高交变电压信号，当压电晶体4的振荡频率与所述谐振体7的固有频率一致时，所述谐振体7便会共振，产生持续的机械振荡，通过所述的振荡检测电路6便可以实时检测谐振体的振荡频率与振幅变化状况，进而进行相关物理量的检测与测量。

另外，PWM信号的输出与检测，可以采用数字动态扫频技术，动态调整PWM波的周期频率，以补偿由于温度变化等因素而造成的谐振体固有频率偏移问题。使驱动电压频率跟踪谐振体固有频率变化。

如图3所示，所述反馈输出电路可以包括：

接口电路39，所述接口电路的输入端与主电路的中央处理器相连；

无线传输电路316，与所述接口电路的输出端相连，用于将所述采样信号以无线的方式进行传输；

进一步的，所述有线传输电路可以包括：

开关光耦310、触发整形电路311、D/A转换器312、模拟电压放大器313、电流放大器314以及负反馈电路315；

进一步的，所述无线传输电路采用调频传输技术，对所述采样信号进行传输。将数据信息通过无线网络传输到远端，在远端电路中，数据信息可以以4-20mA等模式输出。

在有线传输模块中，数据输出到所述开关光耦310，经过所述触发整形电路311后，输入所述D/A转换器312，D/A转换器312将数字信号转换为相应的模拟信号后，此模拟信号经过所述模拟电压放大器313放大并输出至电流放大器314，与负反馈电路315之间组成闭环负反馈回路，通过该回路完成电压-电流转换和稳流措施后，最终形成8mA和16mA环路电流形式或其他信号传输模式输出，从而提高了所述反馈输出信号的传输精度。

另外，本发明实施例中所述电源转换电路、DC-DC升压变换电路、PWM波波形发生电路以及压控电子开关，还用于作为通用电路，对压电阀以及电磁阀可执行部件的工作控制。

基于上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，通过使用DCDC升压变换电路替换传统的升压变压器，使用PWM波波形发生电路和压控电子开关代替传统的模拟差分放大器和滤波器，使用经过PWM技术调制的矩形波代替传统的正弦交变信号作为压电晶体的激励信号，在所述反馈输出通道增加了有线、无线两种模式，增加了输出信号的灵活性。

通过在阀位反馈输出回路中，增加电流负反馈输出单元电路设计，提高了负载适应性和电流信号输出的稳定性；在阀位变送器的阀位反馈输出部分，采用开关光耦隔离和数字式传输，降低了信号传输的误码率，提高了信号传输距离。

不仅***功耗大大降低，易于起振，振荡持续稳定，且具显著降低了***储能元件的参数值和压电晶体的激励电压，从而使***具有本质安全防爆等重要特征。因此，极其适用于易燃、易爆等对安全要求较高的工业现场。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种压电晶体振荡及检测装置，其特征在于，包括：

电源转换电路，所述电源转换电路的信号输入端与外部电源输入端连接，电源转换电路的信号输出端与电感型开关模式DC-DC升压变换电路的信号输入端连接，用于生成工作电压；

脉冲宽度调制PWM波波形发生电路，所述PWM波波形发生电路的信号输出端与压控电子开关的信号输入端连接，用于产生至少两路的PWM脉宽调制波形，以便形成压控电子开关所需要的电压控制信号；

压电晶体，所述压电晶体的信号输入端，与压控电子开关信号输出端连接，在交变变压信号作用下，产生机械振荡；同时，所述压电晶体与所述谐振体被紧密地固定在一起，其产生的机械振动，可以直接传导给谐振体；所述压电晶体同时还与检测压电晶体紧密固定在一起，其产生的机械振动，可以同时直接传到检测压电晶体，并使检测压电晶体产生一定幅值的电压输出信号；

谐振体，所述谐振体为机械结构体，用于提供较稳定的谐振频率，所述谐振体与压电晶体和检测压电晶体紧密固定在一起；当压电晶体的振荡频率与所述谐振体的固有频率一致时，所述谐振体便会共振，产生持续的机械振荡；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

中央处理器，所述振荡检测电路的信号输出端与中央处理器所在主电路信号输入端连接，所述中央处理器所在的主电路的信号输出端与反馈输出电路相连，同时，还与PWM波波形发生电路连接；中央处理器用于对所述振荡检测电路输出的信号信号进行采样处理，同时，输出PWM波。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电源转换电路包括：

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述DC-DC升压变换电路包括：

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反馈输出电路包括：

无线传输电路，与所述接口电路的输出端相连，用于将所述中央处理器输出的信号以无线的方式进行传输；

有线传输电路，与所述接口电路的输出端相连，用于将所述中央处理器输出的信号以有线的方式进行传输。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述有线传输电路包括：

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述无线传输电路采用调频传输技术，对所述中央处理器输出的信号进行传输。

8.根据权利要求1－6中任一所述的装置，其特征在于，所述电源转换电路的输入电源信号为4-20mA或HART总线信号以及24V直流电源中的任意一种。

9.根据权利要求1－6中任一所述的装置，其特征在于，所述电源转换电路、DC-DC升压变换电路、PWM波波形发生电路以及压控电子开关，还用于作为通用电路，对压电阀或电磁阀压控可执行部件进行驱动控制。