SLJ系列傳感器多通道信號解調儀研制

蔡卡宏, 袁向榮, 孫 卓, 張力文

(廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006)

SLJ系列傳感器多通道信號解調儀研制

蔡卡宏, 袁向榮, 孫 卓, 張力文

(廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006)

針對SLJ系列傳感器在多通道使用時,由于缺少電源供應系統,快速切換信號輸出選擇易出現錯誤接線,從而導致傳感器過載問題,自主研發了集成化信號解調儀,介紹了硬件組成及功能,并在實驗教學和實際工程應用檢驗了其工作性能,所研發的多通道信號調解儀達到了預期效果,制作方法也可推廣到類似實驗儀器設備。

傳感器; 多通道; 直流供電; 信號解調儀

SLJ系列位移、速度、加速度傳感器能夠將振動產生的位移、速度、加速度信號轉換成電壓信號,以實現對各種低頻、超低頻振動的測量,低頻從0 Hz開始,動態范圍達140 dB[1-2]。具有加速度曲線平坦型幅頻特性響應和線性的相頻特性響應,在測量應用中可獲得滿意的精度和足夠的動態范圍,適用于建筑、交通、地質、地震,橋梁,環境等工程低頻振動測量。傳感器工作時必須提供±12 V直流供電,根據信號的強弱可選擇高靈敏度和低靈敏度輸出。

在實驗教學中由于受學時的限制,專業課實驗內容的重點放在工程結構的檢測,不可能詳細講授儀器儀表的工作原理、系統信號線連接等內容,學生對這方面知識了解甚少。而目前傳感器生產廠家沒有配套生產相應的多通道快速連接電源供應系統,靈敏度輸出也無法實現快速轉換。使用時只能通過人工進行繁雜的接線,特別是電源線,不小心接錯會導致傳感器永久損壞,造成經濟損失。為解決上述問題,本文設計制作了SLJ系列多通道傳感器信號解調儀,下面介紹儀器設計制作技術和過程。

1 儀器結構及工作原理

1.1 儀器結構設計

儀器結構主要分成3部分,第一部分是給傳感器供電,采用LM317集成電路穩壓,提供穩定的5 V電壓[3],如果工作電流不能滿足要求,可改用LM323集成塊。電源穩壓后再經過DC-DC電源模塊[4-5],ZW6-0512(DC-DC電源模塊)向傳感器提供穩定的±12V直流電。第二部分是信號連接,傳感器信號通過專用屏蔽導線傳送到解調儀,通過解調儀的信號輸出端與數據采集儀連接。第三部分是設置靈敏度[6]選擇開關,根據實驗采集信號的強弱選擇,使數據采集儀采集到合適的信號。解調儀工作原理框圖見圖1。前后面板功能布置見圖2,圖中陰影部分為開孔位置,面板上的文字用激光雕刻后再涂上絲印油墨。

圖1 解調儀工作原理框圖

圖2 前后面板功能布置圖

1.2 供電電源

解調儀設有工作電源指示燈,紅色代表電源正極,綠色代表電源負極。當提示燈亮度明顯變暗或熄滅,應檢查傳感器內部線路或信號線是否存在故障。如解調儀未連接傳感器而指示燈亮度明顯變暗或熄滅,應檢查儀器內部電源線路。考慮到野外作業時交流供電不方便,解調儀設置有直流12 V供電輸入,可以方便地使用蓄電池為解調儀供電。未凈化的交流電中存在高頻率的電磁諧波,進入儀器電源后疊加到觀測數據中,使得儀器記錄數據噪聲變大[7],使用外接直流供電,可以很好地解決交流電中雜波對采集信號的影響。信號解調儀供電原理圖見圖3,電源板接線圖見圖4,印刷電路板[8]見圖5。

圖3 供電原理圖

圖4 電源板接線圖

圖5 印刷電路板圖

1.3 傳感器引腳定義

傳感器設有7芯快速連接插頭,7根線各有功能。在焊接插頭和導線時,應確保電纜線無破損、短路和斷路情況。尤其注意核對電源線的正負端是否正確。各輸出腳功能見表1。傳感器及快速連接頭見圖6。

表1 插頭引腳號及外引線顏色分配

圖6 SLJ傳感器及連接件圖

1.4 靈敏度選擇

解調儀設有靈敏度選擇開關,該開關設有保護鎖止功能,避免實驗過程中外部碰撞導致靈敏度改變。實驗時可根據實驗信號的強弱選擇靈敏度。一般采集大地脈動信號時選用高靈敏度,強迫振動信號選用低靈敏度,從而避免出現信號失真現象[9]。

2 主要元件的選取

2.1 電源變壓器

為了盡量減少電磁干擾對測試信號的影響,儀器內部的電源變壓器選用R型變壓器[10-11]，如圖7所示。該類型變壓器較傳統EI型變壓器具有體積小、厚度薄、質量輕的優點。由于采用高性能硅鋼片,100%利用圓截面和沒有切斷聯為整體的R型鐵芯,兩個線包反相平分卷線后,漏磁相互抵消。因此勵磁曲線易吸收,電磁噪音較少,漏磁很小,一般不需要作特殊磁屏蔽處理。

圖7 R型變壓器圖

2.2 DC-DC電源模塊

根據每個傳感器的工作電流和通道數,在選用電源模塊時要注意正負電壓的一致性。工作電流滿足最大通道數的總電流1.2倍,從而減少模塊發熱量,保證元件工作穩定。

2.3 靈敏度開關

為防止采集數據過程中誤撥開關,選用帶檔位鎖定功能的鈕子開關[12]，如圖8所示,上面是常用鈕子開關,下面是帶檔位鎖定功能的鈕子開關,此開關在使用時需先向外拉動撥桿,再撥向所選的檔位。

2.4 信號連接件

信號輸出連接采用標準的BNC組件,傳感器連接采用帶自鎖功能的航空連接件,保證了數據采集工作的可靠性。

圖8 鈕子開關圖

3 實驗與分析

解調儀加工總裝內部布局見圖9,外觀見圖10。針對同一實驗項目將學生分成2組,一組用人工接線方式,將傳感器各信號線與數據采集儀連接；另一組用設計制作的解調儀連接,所采集到的同一測試點的數據基本一樣,但2組學生所花的實驗時間有明顯區分,而且人工接線小組在實驗過程中出現數據閃斷現象,經檢查是信號線連接部位不牢固所致。通過對比,學生一致認為設計制作的設備效果好,操作簡單方便。

該解調儀應用于某兩跨預應力連續箱梁橋的現場振動測試,分析其實際振型,與有限元計算分析結果符合較好。采集的加速度時程曲線及頻譜圖見圖11。

圖9 解調儀裝配完成內部圖

圖10 解調儀裝配完成外觀圖

圖11 某工況加速度時程曲線及頻譜圖

4 結論

本裝置根據傳感器和數據采集儀特點自行設計制作,解決了SLJ系列傳感器與數據采集儀的快速連接,經過多年使用表明,該裝置具有多通道、靈敏度快速轉換和連接簡便等特點,而且制作所需配件如變壓器、電源、開關、連接件等,均為電子市場常見易購配件,只需按本文介紹的方法,具有一定的電子、電氣知識和工作經驗的實驗人員均可進行類似加工或改裝,制作方法也可推廣到類似實驗儀器設備。

References)

[1] 王家行,胡振榮 SLJ型寬頻帶大動態力平衡三分向加速度計的設計與研制[J]. 地震地磁觀測與研究,1997,18(5):46-52.

[2] 王家行,胡振榮,馬新生,等.SLJ-100DH型井下數字三分向力平衡加速度計裝置研制[J].地震工程與工程振動,2006,26(4):255-259.

[3] 袁捷,李雨慷. 探討LM317三端可調穩壓器原理及應用[J]. 數字技術與應用,2011(4)：66,68.

[4] 呂長志,馬衛東,謝雪松,等. DC/DC電源模塊可靠性的研究[J].北京工業大學學報,2010,36(7): 891-895.

[5] 徐德鴻,DC/DC模塊電源發展動態[J].電子產品世界,2004(11)：36-38.

[6] 李德葆,陸秋海.工程振動試驗分析[M].北京；清華大學出版社,2015.

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[8] 俞國林.電路板制作方法的比較分析[J].科技信息,2006(1)：166-167.

[9] 陳玉青,雷智強,劉會倩. ICP加速度傳感器信號失真調整方法研究[J].機械工程與自動化,2014(1):124-125.

[10] 趙光云.R型變壓器的特點及其應用[J].電子科技導報,1994(3)：18-19.

[11] 王小紅.新型 R型變壓器的結構性能與應用[J].青海科技,2006(1)：48-49.

[12] 曹武民.一種新型自動復位鈕子開關[J].機電元件,1995(4)：9-11.

Development of multichannel signal demodulator for SLJ series sensors

Cai Kahong, Yuan Xiangrong, Sun Zhou, Zhang Liwen

(College of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China)

As the wrong wiring in the fast switching signal output is easy to occur due to the lack of power supply system when the SLJ series sensors are used in multi-channels,which leads to the sensor overload problems,an integrated signal demodulator has been developed independently. Its hardware composition and function are introduced,and its performance is tested in experimental teaching and practical engineering. The developed multi-channel signal demodulator has achieved the desired results,and the manufacturing method can also be extended to the development of the similar experimental instruments and equipment.

sensors； multi-channel； DC power supply； signal demodulator

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.023

2017-03-10

國家自然科學基金項目(51278137)

蔡卡宏(1970—),男,廣東廣州,本科，實驗師,主要從事道路與橋梁實驗教學及工程檢測技術研究.

E-mail：1416845045@qq.com

P315.6； G484

A

1002-4956(2017)07-0085-04