一种通用型振弦传感器读出系统及读出方法

技术领域

本发明涉及振弦传感器技术领域，具体地说涉及一种通用型振弦传感器读出系统及读出方法。

背景技术

目前市场上所使用的振弦传感器读出设备大部分采用外购品模块或者是采用自建离散模块。分别具有以下缺陷：

1、外购品模块价格昂贵，厂商支持薄弱，供货易受影响；

2、由于采集现场存在多样性和不确定性，接入的振弦传感器存在线圈阻值跨度较大、线缆长度较长的问题，导致自建离散模块复用不便利，较难正常激励起振。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单实用，且支持大阻值、长线缆振弦传感器正常起振的通用型振弦传感器读出系统及读出方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种通用型振弦传感器读出系统，涉及振弦传感器，包括：

激励单元，用于产生激励电压信号以驱动振弦传感器线圈，包括激励产生模块和激励输出选通模块，所述激励产生模块包括用于实现大跨度电压激励的两级BOOST升压模组；

拾振单元，用于捕获频率信号，所述激励单元接入至所述拾振单元，所述拾振单元包括拾振选通输入模块和拾振采集模块；

温度单元，用于测量环境温度，所述包括温度选通模块和温度采集模块；

主控单元，用于传输并处理信号，所述拾振单元和温度单元分别接入至所述主控单元，所述主控单元包括MCU控制模块和信号通讯模块。

进一步地，所述两级BOOST升压模组包括一级BOOST和二级BOOST，所述一级BOOST受控于集成芯片，所述二级BOOST受控于MCU，所述二级BOOST的输入端连接至所述一级BOOST的输出端，所述一级BOOST与所述二级BOOST均具有利用对地回路关断时电感的感应电动势抬升输出电压的动态变化。

进一步地，所述二级BOOST包括电压采样电路、电流采样电路和MOS管驱动电路；

所述电压采样电路构成输出电压闭环控制，用于稳定输出电压值，所述电流采样电路构建电流闭环控制，用于配合电压闭环控制来判断振弦传感器线圈阻值并做出短路检测，所述MOS管驱动电路中MOS管的开通与关断受控于MCU。

进一步地，所述激励产生模块还包括激励电源模组，所述激励电源模组经由外部接口连接至外部电压源，当外部电压源采用高压脉冲激励时，所述激励电源模组作为泵压源，表现为高压脉冲，脉冲峰值最高抬升至180V，当外部电压源采用低压扫频激励时，所述激励电源模组作为扫频电压，表现为低压扫频，扫频电压稳定在12V；

所述激励电源模组的输出端连接至所述两级BOOST升压模组的输入端，当所述激励电源模组表现为高压脉冲时，所述一级BOOST使能，输出电压为36V，所述二级BOOST工作，输出电压为36～180V，当所述激励电源模组表现为低压扫频时，所述一级BOOST关断，输出电压与所述激励电源模组的电压保持一致，所述二级BOOST工作，输出电压固定为12V。

进一步地，所述激励输出选通模块包括四选一分时复用电路组，用于单次仅激励单个振弦传感器通道，所述四选一分时复用电路组的开关选用NMOS加高边栅极驱动器IC的高侧开关；

所述激励电源模组的输出端连接至所述激励输出选通模块的输入端，当所述激励电源模组表现为高压脉冲时，所述四选一分时复用电路组的高侧开关具有单个开通或关断的动作，并可向振弦传感器释放一个高压脉冲，当所述激励电源模组表现为低压扫频时，所述四选一分时复用电路组的高侧开关具有周期性打开或关断的动作，并可向振弦传感器发送逐步提升的周期性低压脉冲。

进一步地，所述拾振选通输入模块连通至所述激励输出选通模块和振弦传感器的线圈节点，所述拾振选通输入模块包括与所述四选一分时复用电路组逐一对应连接的拾振选通输入电路组，用于导通自主振动的振弦传感器的回传信号，所述拾振选通输入电路组的开关选用BJT驱动固态继电器IC的高侧开关。

进一步地，所述拾振采集模块包括拾振采集电路组，用于将振弦传感器的回传信号整形为所述MCU控制模块可测量的频率信号；

所述拾振采集电路组包括用于分压防过冲的分压电阻、用于滤除杂波并将信号抬升的二阶滤波器以及用于与期望值比较并滤除幅值较低的微弱信号的比较器。

进一步地，所述温度选通模块包括与所述四选一分时复用电路组逐一对应连接的四选一通道复用电路组，用于导通振弦传感器所处环境温度信号；

所述温度采集模块包括二选一开关选择电路组，用于判定接入温度传感器的类型并进行温度信号的测量和读取。

进一步地，所述MCU控制模块包括用于读取模拟式温度传感器模拟量和所述二级BOOST电流电压模拟量的AD端、用于捕获振弦频率和读取数字式温度传感器值的定时器、用于控制所述二级BOOST升压倍率的PWM端以及用于控制各项使能和复用选择的GPIO端；

所述信号通讯模块包括用于对外通讯的TTL串口以及用于指示模块运行状态并接收外部复位请求的对外接口。

一种通用型振弦传感器读出方法，采用通用型振弦传感器读出系统，所述方法包括以下步骤：

S1：所述MCU控制模块接收外部的测量请求，获得测量通道号，并区分为振弦测量和温度测量两条支路；

S2：振弦测量时，首先判定振弦传感器是否接入并测量振弦传感器的线圈阻值，接着根据线圈阻值大小选择所述激励产生模块的激励方式和激励电压，再打开所述激励输出选通模块的开关使振弦传感器起振，延时等待振弦传感器起振，随后打开拾振选通输入模块的开关处理并导通振弦传感器的回传信号，最后由所述拾振采集模块捕获回传信号，并整形可测量的频率信号；

S3：温度测量时，首先判定接入的温度传感器的类型，再选通对应的测量回路，最后进行温度传感器环境温度值的测量或读取；

S4：所述信号通讯模块将两条支路分别测得的频率信号和温度信号分别传递至所述MCU控制模块，所述MCU控制模块综合分析频率值和温度值，计算刚弦所受应力，并反馈输出测量结果完成本次测量。

本发明的有益效果体现在：

本发明中，为了应对振弦传感器阻值多样性、现场接线长度不确定性的多样化工况，开发一款通用型振弦传感器读出系统：一方面，本系统采用自主可控方案，结构简单、易于实现，不仅适用于常见类型及施工工程用的振弦传感器，还摆脱了外购品模块的限制；另一方面，采用两级BOOST升压模组实现大跨度电压激励，解决了大阻值、长线缆的振弦传感器难以正常起振的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一级BOOST电路图。

图2是本发明实施例的一级BOOST的另一电路图。

图3是本发明实施例的二级BOOST电路图。

图4是本发明实施例的二级BOOST另一电路图。

图5是本发明实施例的二级BOOST另一电路图。

图6是本发明实施例的二级BOOST另一电路图。

图7是本发明实施例的激励输出选通模块电路图。

图8是本发明实施例的拾振选通输入模块电路图。

图9是本发明实施例的温度选通模块电路图。

图10是本发明实施例的整体流程图。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，本申请中所涉及到的各电气部件及元器件均为现有技术中可通过购买途径获得的标准件。

参见图10，通用型振弦传感器读出系统，涉及振弦传感器，包括：

激励单元，用于产生激励电压信号以驱动振弦传感器线圈，包括激励产生模块和激励输出选通模块，所述激励产生模块包括用于实现大跨度电压激励的两级BOOST升压模组；

拾振单元，用于捕获频率信号，所述激励单元接入至所述拾振单元，所述拾振单元包括拾振选通输入模块和拾振采集模块；

温度单元，用于测量环境温度，所述包括温度选通模块和温度采集模块；

主控单元，用于传输并处理信号，所述拾振单元和温度单元分别接入至所述主控单元，所述主控单元包括MCU控制模块和信号通讯模块。

本发明中，为了应对振弦传感器阻值多样性、现场接线长度不确定性的多样化工况，开发一款通用型振弦传感器读出系统：一方面，本系统采用自主可控方案，结构简单、易于实现，不仅适用于常见类型及施工工程用的振弦传感器，还摆脱了外购品模块的限制；另一方面，采用两级BOOST升压模组实现大跨度电压激励，解决了大阻值、长线缆的振弦传感器难以正常起振的问题。

参见图1-6，在一实施例中，所述两级BOOST升压模组包括一级BOOST和二级BOOST，所述一级BOOST受控于集成芯片，所述二级BOOST受控于MCU，所述二级BOOST的输入端连接至所述一级BOOST的输出端，所述一级BOOST与所述二级BOOST均具有利用对地回路关断时电感的感应电动势抬升输出电压的动态变化。

这样设计，采用BOOST升压方案可以满足大跨度的电压激励，解决大阻值、长线缆的振弦传感器难以起振的问题，之所以采用两级升压方案，是因为电压抬升比率太高，若只使用一级BOOST，则占空比高达95％，对MOS管和功率电感施加的电流应力过大，及易造成电路烧毁情况。

参见图3-6，在一实施例中，所述二级BOOST包括电压采样电路、电流采样电路和MOS管驱动电路；

所述电压采样电路构成输出电压闭环控制，用于稳定输出电压值，所述电流采样电路构建电流闭环控制，用于配合电压闭环控制来判断振弦传感器线圈阻值并做出短路检测，所述MOS管驱动电路中MOS管的开通与关断受控于MCU。

这样设计，所述电压采样电路采用电阻分压方式，等比例降低待采电压到可以采样的范围后输入到电压跟随器，提升缩小后电压的驱动力，再经过一个RC低通滤波器输送给所述MCU控制模块内置AD进行采样、放大还原，这里由于待采电压跨度较大，故通过固态继电器改变电阻分压的降压比例，而固态继电器的驱动由所述MCU控制模块控制BJT实现；

所述电流采样电路通过精密电阻进行低边采样转换成电压信号，再通过同相放大器进行放大后进过一阶RC低通滤波器输送到所述MCU控制模块内置AD进行采样、缩小还原，由于短路时电流极大，所以在电流信号转换成电压信号后需要加TVS管防过冲对后级电路的影响；

由于所述MCU控制模块的驱动能力有限，所以所述MOS管驱动电路的控制由低侧栅极驱动芯片实现，具有4A的拉、灌电流峰值和6ns的极低上升下降时间。

在一实施例中，所述激励产生模块还包括激励电源模组，所述激励电源模组经由外部接口连接至外部电压源，当外部电压源采用高压脉冲激励时，所述激励电源模组作为泵压源，表现为高压脉冲，脉冲峰值最高抬升至180V，当外部电压源采用低压扫频激励时，所述激励电源模组作为扫频电压，表现为低压扫频，扫频电压稳定在12V；

所述激励电源模组的输出端连接至所述两级BOOST升压模组的输入端，当所述激励电源模组表现为高压脉冲时，所述一级BOOST使能，输出电压为36V，所述二级BOOST工作，输出电压为36～180V，当所述激励电源模组表现为低压扫频时，所述一级BOOST关断，输出电压与所述激励电源模组的电压保持一致，所述二级BOOST工作，输出电压固定为12V。

这样设计，当所述一级BOOST被使能时，所述MCU控制模块控制网络1ST_BOOST_CTL为逻辑高电平，三极管导通将1ST_BOOST_EN网络拉至高电平，芯片XL6019E1工作，以220kHZ的频率控制SW点对GND不断导通、关断。导通期间，电感电流上升，电感两端电动势为VSEN；关断期间，由于电感电流的急剧减小，根据楞次效应电感两端产生左负右正的感应电动势，这个电动势叠加上VSEN产生一个升高之后的电压，这个电压经过一个防倒灌的低压降快恢复肖特基二极管后，就是所述一级BOOST实际输出电压，再将所述一级BOOST实际输出电压通过采样反馈回路与设定值进行比对，实时动态调节一个周期内SW点对GND导通时间：当实际值比设定值高，则减少SW点对GND导通时间，反之则增加。

当所述一级BOOST被关断时，1ST_BOOST_EN网络被下拉电阻定在逻辑低电平，芯片XL6019E1不工作，SW节点对GND一直断开，所述一级BOOST的输出略低于VSEN，具体表现为，在功率电感和肖特基二极管上有较低压降。

所述二级BOOST的输入是所述一级BOOST的输出，同样的利用对地回路关断时电感的感应电动势抬升输出电压，不同的是所述二级BOOST的输出闭环控制由所述MCU控制模块控制完成。

参见图7，在一实施例中，所述激励输出选通模块包括四选一分时复用电路组，用于单次仅激励单个振弦传感器通道，所述四选一分时复用电路组的开关选用NMOS加高边栅极驱动器IC的高侧开关；

所述激励电源模组的输出端连接至所述激励输出选通模块的输入端，当所述激励电源模组表现为高压脉冲时，所述四选一分时复用电路组的高侧开关具有单个开通或关断的动作，并可向振弦传感器释放一个高压脉冲，当所述激励电源模组表现为低压扫频时，所述四选一分时复用电路组的高侧开关具有周期性打开或关断的动作，并可向振弦传感器发送逐步提升的周期性低压脉冲。

这样设计，所述激励输出选通模块采用NMOS加高边栅极驱动器IC作为高侧开关，将所述二级BOOST电路稳定后的电压以高低电平的方波形式输出给振弦传感器，受输入功率的限制，所述四选一分时复用电路组一次只能激励一个振弦传感器通道，按照所述激励电源模组输出的不同高低压脉冲信号，做出上述不同的动作。

参见图8，在一实施例中，所述拾振选通输入模块连通至所述激励输出选通模块和振弦传感器的线圈节点，所述拾振选通输入模块包括与所述四选一分时复用电路组逐一对应连接的拾振选通输入电路组，用于导通自主振动的振弦传感器的回传信号，所述拾振选通输入电路组的开关选用BJT驱动固态继电器IC的高侧开关。

这样设计，当激励产生和输出选通后，对应通道上的振弦传感器被激励强迫振动后，进入自主振动，关闭所述激励输出选通模块，并打开对应通道上的所述拾振选通输入模块，将频率信号交给拾所述拾振采集模块；

所述拾振选通输入电路组的开关同样也是高侧开关，但对承载电流和导通电阻无较高需求，所以采用BJT驱动固态继电器IC方案。

在一实施例中，所述拾振采集模块包括拾振采集电路组，用于将振弦传感器的回传信号整形为所述MCU控制模块可测量的频率信号；

所述拾振采集电路组包括用于分压防过冲的分压电阻、用于滤除杂波并将信号抬升的二阶滤波器以及用于与期望值比较并滤除幅值较低的微弱信号的比较器。

这样设计，对应通道上的所述拾振选通输入模块被打开后，振弦传感器的回传信号被所述拾振采集电路组整形为所述MCU控制模组可测量的频率信号，就可以采集到振弦传感器的震荡频率，进而便可以计算出钢弦所受应力的大小；

振弦传感器的回传信号中包含有过冲的电压信号、扫频残留和工频干扰的频率信号，所以所述拾振采集电路组的第一部分就是分压防过冲，然后是二阶滤波器滤除杂波并将信号抬升，最后是通过比较器与期望值进行比较滤除幅值较低的微弱信号。通过计数单位时间内振弦传感器回传信号的个数求得当前振弦传感器的振动频率，为了保证频率信号的采样精度，所述MCU控制模组舍弃掉前一段回传信号，避免激励信号的干扰，然后采集少量的回传信号，预估大概频率，如果超出正常范围，则停止本次采样并进行下次采样，直至采样时间结束，或者直至采集到足够的回传样本，每次采集过程，所述MCU控制模组对结果计算判断，舍弃部分无效数据。

参见图9，在一实施例中，所述温度选通模块包括与所述四选一分时复用电路组逐一对应连接的四选一通道复用电路组，用于导通振弦传感器所处环境温度信号；

所述温度采集模块包括二选一开关选择电路组，用于判定接入温度传感器的类型并进行温度信号的测量和读取。

这样设计，每一路温度采集信号分别对应一路振弦传感器通道，在采集振弦信号之前需要先采集振弦传感器所处环境温度信号，以消除现场温度变化对振弦量采集结果的影响，其中，温度传感器兼容数字式的DS18B20传感器和模拟式的NTC电阻式传感器；

所述四选一分时复用电路组与所述二选一开关选择电路组采用低导通电阻的信号开关IC，出于保护模块内部考虑，所述四选一分时复用电路组输入部分默认全部不导通，所述二选一开关选择电路组默认选择NTC模拟式温度传感器；

NTC模拟式温度传感器采用电阻分压的方式，通过一个高精度、低温漂的标定电阻与NTC串联，再通过电压跟随器采集NTC两端的电压，并与注入电压比较得到NTC电阻与标定电阻的比值，进而算出NTC电阻，查表计算反馈出温度值，注入电压采用精密稳压器产生，并通过电压跟随器提升此电压值的电流驱动能力；

当默认的模拟式温度采集判断NTC电阻近似开路时，则判断接入的是数字式温度传感器，此时切换所述二选一开关选择电路组，选择两线制接法的DS18B20数字式温度传感器，再通过所述MCU控制模块驱动读取温度值。

在一实施例中，所述MCU控制模块包括用于读取模拟式温度传感器模拟量和所述二级BOOST电流电压模拟量的AD端、用于捕获振弦频率和读取数字式温度传感器值的定时器、用于控制所述二级BOOST升压倍率的PWM端以及用于控制各项使能和复用选择的GPIO端；

所述信号通讯模块包括用于对外通讯的TTL串口以及用于指示模块运行状态并接收外部复位请求的对外接口。

这样设计，所述主控单元接收模块外部的测量请求后，得到测量通道号，并分为温度测量和振弦测量两条支路：温度测量时，首先判定接入的温度传感器类型，再选通对应的测量回路测量读取温度传感器环境温度值；振弦测量时，先测定振弦传感器的接入与线圈阻值，根据阻值选择激励方式和激励电压，再打开所述激励输出选通模块开关使振弦传感器起振，延时之后打开所述拾振选通输入模块开关，处理回传信号并进行捕获。所述主控单元综合分析温度值和频率值，计算刚弦所受应力，并输出测量结果完成本次测量。

参见图10，一种通用型振弦传感器读出方法，采用通用型振弦传感器读出系统，所述方法包括以下步骤：

S1：所述MCU控制模块接收外部的测量请求，获得测量通道号，并区分为振弦测量和温度测量两条支路；

S2：振弦测量时，首先判定振弦传感器是否接入并测量振弦传感器的线圈阻值，接着根据线圈阻值大小选择所述激励产生模块的激励方式和激励电压，再打开所述激励输出选通模块的开关使振弦传感器起振，延时等待振弦传感器起振，随后打开拾振选通输入模块的开关处理并导通振弦传感器的回传信号，最后由所述拾振采集模块捕获回传信号，并整形可测量的频率信号；

S3：温度测量时，首先判定接入的温度传感器的类型，再选通对应的测量回路，最后进行温度传感器环境温度值的测量或读取；

S4：所述信号通讯模块将两条支路分别测得的频率信号和温度信号分别传递至所述MCU控制模块，所述MCU控制模块综合分析频率值和温度值，计算刚弦所受应力，并反馈输出测量结果完成本次测量。

本发明中，为了应对振弦传感器阻值多样性、现场接线长度不确定性的多样化工况，开发一款通用型振弦传感器读出系统，采用两级BOOST升压模组实现大跨度电压激励，解决了大阻值、长线缆的振弦传感器难以正常起振的问题。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，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。