CN106054088B - 一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路 - Google Patents

一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路，包括磁通量传感器、积分电路、模拟开关、减法电路、放大器、低通滤波器、模数转换器、微控制器、数模转换器；其特征在于：磁通量传感器输出的感应信号通过积分电路输出积分电压，并经过模拟开关到达减法电路得到消零的传感器信号，再通过放大器和低通滤波器经过模数转换器转换成数字量被微控制器读取。本发明通过从电路上将磁通量传感器测量到的零点基值归零，并经过放大电路对动态信号放大，从而直接提高了传感器的灵敏度，提高***的抗干扰能力，从而使得***测量精度大大提升。

Description

一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路
技术领域
本发明涉及属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业，具体涉及一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路。
背景技术
目前，国内桥梁索力的检测通常是采用如下几种方法：油压表法、压力传感器测定、振动法(频率法)等。但是，由于油压表法存在指针易偏位，高压时指针抖动大，读数人为误差大等缺点；压力传感器测定法动态响应差，寿命短，价格昂贵等问题；振动法(频率法)的可靠性取决于拾振器的安装位置，不能实现全天候检测等问题；但是，近年来针对桥梁索力检测出现了以磁通量法为代表的新方法，并且具有较高的工程应用前景。桥梁索力磁通量检测方法的原理是基于铁磁性材料的磁弹性效应，即当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其内部的磁化强度(磁导率)发生变化。在工程实践中，通过测试铁磁性材料制成的构件的磁导率变化即可以用来测定构件的内应力。然而目前的磁通量数据采集***中，传感器输出的满量程感应信号一般在几十到几百毫伏，外界的电磁干扰、设备的本底噪声都会对传感器的输出信号产生影响，从而降低***的测量精度。又因为磁通量传感器在缆索零受力时，会输出当前状态下的感应电压，其它量程的感应电压都是相对于缆索零受力时的相对变化，感应电压再经过积分电路可以得到对应实际物理量的积分电压，此时的积分电压(零点基值)已经占去了模数转换器大部分的动态范围，所以如果不消除缆索在零受力时的零状态感应电压值，那么无论是模数转换器的动态范围浪费还是后级信号的放大都将受到限制。
发明内容
本发明为了解决现有技术的不足之处，特推出一种新的放大电路，具体的方案是：一种提高磁通量传感器动态输出范围的自零放大电路，包括磁通量传感器、积分电路、模拟开关、减法电路、放大器、低通滤波器、模数转换器、微控制器、数模转换器；其特征在于：所述磁通量传感器输出的感应信号通过积分电路输出积分电压，并经过模拟开关到达减法电路得到消零的传感器信号，再通过放大器和低通滤波器经过模数转换器转换成数字量被微控制器读取。
优选的，积分电路输出的零点基值通过微控制器控制模拟开关直接输入到模数转换。
优选的，微控制器将零点基值通过数模转换器输入到减法电路。
优选的，积分电压经过减法电路减去零点基值后再经过放大器提高信噪比。
优选的，微控制器控制模拟开关来选择信号链路。
工作原理，首先磁通量传感器内部缆索在零受力输出的感应电压信号通过积分电路转换成缆索磁通量的变化量，因为积分电路有一个时间常数，所以经过积分电路后，输出的信号还是电压值，将该值记做U0。因***第一次需要获取零点基值电压U0，故下一级通过一个受控于微控制器的模拟开关，将信号直接调理到模数转换器中，并将该值记录在微控制器中。当***进入测量阶段时，比如缆索收到了外力。并且产生的信号经过积分电路后得到为U1，此时微控制器通过模拟开关将信号链切换至减法器一路，同时微控制器通过数模转换器将保存好的U0配置到减法器的输入端，准备与U1进行减法运算。这样当U1到达减法器后，与U0相减，得到一个相对与U0的变化量ΔU，该变化量就是磁通量传感器测量到的缆索从0受力到受到某一个力值时，所反映出来的电信号变化量，该信号因为幅度小，可通过下一级放大将传感器的灵敏度提升，再经低通滤波器将干扰信号滤除后经过模数转换器，从而使得传感器的输出动态范围增加，提高了***的测量精度。
本电路利用放大电路能够放大信号，而对设备本底噪声不同样放大的原理，提高***的信噪比，从而提高了***的测量精度。如在电路不消零时，信号已经接近模数转换器的半个量程，此时如果将信号放大器，信号必将削波失真，如果不放大，比如信号电压值为2.5V，设备本底噪声带来的干扰为±1mV，***满量程变化量为100mV，那么由于设备本底噪声带来的误差将达到±1％；而通过自消零放大电路后，比如将2.5V的零点基值置零，此时可通过放大电路将信号放大5～10倍，比如放大5倍时，此时设备本底噪声基本不变，信号满量程变化量为500mV，那么***的误差将减少为±0.2％。
本发明通过从电路上将磁通量传感器测量到的零点基值归零，并经过放大电路对动态信号放大，从而直接提高了传感器的灵敏度，提高***的抗干扰能力，从而使得***测量精度大大提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明自消零模拟电路模块部分。
图3为本发明放大滤波电路部分。
附图标记说明：
1、磁通量传感器；2、积分电路；3、模拟开关；4、减法电路；5、放大器；6、低通滤波器；7、模数转换器；8、微控制器；9、数模转换器。
具体实施方式
如图1所示的原理框图，一种提高磁通量传感器动态输出范围的自消零放大电路，它包括磁通量传感器1、积分电路2、模拟开关3、减法电路4、放大器5、低通滤波器6、模数转换器7、微控制器8、数模转换器9；其特征在于：磁通量传感器1输出的感应信号通过积分电路2输出积分电压，并经过模拟开关3到达减法电路4得到消零的传感器信号，再通过放大器5和低通滤波器6经过模数转换器7转换成数字量被微控制器8读取；积分电路2输出的零点基值通过微控制器8控制模拟开关3直接输入到模数转换7；微控制器8将零点基值通过数模转换器9输入到减法电路4；积分电压经过减法电路4减去零点基值后再经过放大器5提高信噪比；微控制器8控制模拟开关3来选择信号链路。
首先磁通量传感器内部缆索在零受力输出的感应电压信号通过积分电路转换成缆索磁通量的变化量，因为积分电路有一个时间常数，所以经过积分电路后，输出的信号还是电压值，将该值记做U0。因***第一次需要获取零点基值电压U0，故下一级通过一个受控于微控制器的模拟开关，将信号直接调理到模数转换器中，并将该值记录在微控制器中。当***进入测量阶段时，比如缆索收到了外力。并且产生的信号经过积分电路后得到为U1，此时微控制器通过模拟开关将信号链切换至减法器一路，同时微控制器通过数模转换器将保存好的U0配置到减法器的输入端，准备与U1进行减法运算。这样当U1到达减法器后，与U0相减，得到一个相对与U0的变化量ΔU，该变化量就是磁通量传感器测量到的缆索从0受力到受到某一个力值时，所反映出来的电信号变化量，该信号因为幅度小，可通过下一级放大将传感器的灵敏度提升，再经低通滤波器将干扰信号滤除后经过模数转换器，从而使得传感器的输出动态范围增加，提高了***的测量精度。
在本实施例中，信号链部分的积分放大电路、减法器、放大器、滤波器等采用低噪声高精密运放，实际中积分电路使用OP297，其他部分使用OPA2277。数模转换器部分使用AD420经过外部运放的组合，使得数模转换器输出能够达到±10V的输出范围。AD420通过数字接口连接至微控制器，由微控制器配置其输出电压，用于减法器其中一端输入。零点积分电压和数模转换器AD420配置的电压相减后，输出到同相比例放大电路U71B，再经过低通滤波器U66A进入模数转换器。当***第一次获取零点基值时，积分电路输出通过模拟开关ADG1219直接片选至模数转换器进行读取。
本发明的效果是：本电路利用放大电路能够放大信号，而对设备本底噪声不同样放大的原理，提高***的信噪比，从而提高了***的测量精度。如在电路不消零时，信号已经接近模数转换器的半个量程，此时如果将信号放大器，信号必将削波失真，如果不放大，比如信号电压值为2.5V，设备本底噪声带来的干扰为±1mV，***满量程变化量为100mV，那么由于设备本底噪声带来的误差将达到±1％；而通过自消零放大电路后，比如将2.5V的零点基值置零，此时可通过放大电路将信号放大5～10倍，比如放大5倍时，此时设备本底噪声基本不变，信号满量程变化量为500mV，那么***的误差将减少为±0.2％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种提高磁通量传感器动态输出范围的自消零放大电路，它包括磁通量传感器(1)、积分电路(2)、模拟开关(3)、减法电路(4)、放大器(5)、低通滤波器(6)、模数转换器(7)、微控制器(8)、数模转换器(9)；其特征在于：所述磁通量传感器(1)输出的感应信号通过积分电路(2)输出积分电压，并经过模拟开关(3)到达减法电路(4)得到消零的传感器信号，再通过放大器(5)和低通滤波器(6)经过模数转换器(7)转换成数字量被微控制器(8)读取，所述积分电路(2)输出的零点基值通过所述微控制器(8)控制模拟开关(3)直接输入到模数转换器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种提高磁通量传感器动态输出范围的自消零放大电路，其特征在于：所述微控制器(8)将零点基值通过数模转换器(9)输入到所述减法电路(4)。
3.根据权利要求1所述的一种提高磁通量传感器动态输出范围的自消零放大电路，其特征在于：所述积分电压经过减法电路(4)减去零点基值后再经过放大器(5)提高信噪比。
4.根据权利要求2所述的一种提高磁通量传感器动态输出范围的自消零放大电路，其特征在于：所述微控制器(8)控制模拟开关(3)来选择信号链路。
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