專利名稱：一種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的多通道、大電荷量、可變?cè)鲆骐姾呻妷恨D(zhuǎn)換器，尤其是可以進(jìn)行混凝土內(nèi)部動(dòng)力損傷全過(guò)程監(jiān)測(cè)中的電荷數(shù)據(jù)采集。
背景技術(shù)：
地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)于了解結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理、優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、降低結(jié)構(gòu)地震破壞風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。壓電智能骨料采用混凝土粗骨料材料為基體與PZT片耦合，利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)效果很大程度上依賴于二次儀表對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的調(diào)理。PZT上產(chǎn)生的電荷需要通過(guò)專門的設(shè)備轉(zhuǎn)換能電壓信號(hào)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)米集。由于地震作用下PZT片上產(chǎn)生的電荷量較大，若采用現(xiàn)有商用電荷放大器進(jìn)行電荷電壓轉(zhuǎn)換則易出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，而導(dǎo)致無(wú)法監(jiān)測(cè)；對(duì)于輕柔的建筑結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)頻率很低，通常不到O. 2Hz，普通電荷放大器時(shí)間常數(shù)較低，無(wú)法準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換這樣的低頻信號(hào)；針對(duì)不同強(qiáng)度的地震輸入下，PZT上產(chǎn)生的電荷量不同，調(diào)制用的電荷放大器應(yīng)使用與之相應(yīng)的增益。由于地震動(dòng)輸入強(qiáng)度及頻率的不確定性，普通電荷放大器無(wú)法根據(jù)地震動(dòng)輸入自動(dòng)調(diào)整增益以及截止頻率，因而不能滿足多尺度測(cè)量的精度要求。因此為方便進(jìn)行混凝土建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)，有必要開發(fā)設(shè)計(jì)多通道、高電荷量、可變?cè)鲆娴碾姾呻妷恨D(zhuǎn)換器。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，該實(shí)用新型有效地解決了上述問(wèn)題，且性能穩(wěn)定，可在地震損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。本實(shí)用新型利用PZT的壓電效應(yīng)原理采集電荷，經(jīng)過(guò)電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用合適的反饋電容滿足壓電智能骨料強(qiáng)地震下大電荷量的采集要求，并利用可編程微控制器控制電壓增益、濾波電路截止頻率并監(jiān)測(cè)過(guò)載，利用多通道組合式結(jié)構(gòu)滿足同時(shí)觀測(cè)多路信號(hào)的要求，輸出信號(hào)和相應(yīng)增益控制值輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制研究提供了可靠有效的監(jiān)測(cè)手段。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下—種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由多個(gè)集成電路板并行構(gòu)成，與壓電傳感器輸出端相連，對(duì)傳感器多路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。每個(gè)集成電路板包括一個(gè)信源放大單元、一個(gè)控制單元、一個(gè)增益顯示單元和一個(gè)供電單元；其中信源放大單元包括電荷電壓轉(zhuǎn)換電路、可控增益放大電路、可控濾波電路、低通濾波電路、高通濾波電路和電壓射隨器，各部分依次相連；增益顯示單元由電子開關(guān)和增益指示燈電路組成；控制單元分別與射隨器輸出端、可控增益放大電路、可控濾波電路、電子開關(guān)、計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)連接；電荷電壓轉(zhuǎn)換電路的反饋電容值根據(jù)強(qiáng)地震下的電荷最大值來(lái)設(shè)定；控制單元用于比較輸出信號(hào)的反饋幅值與頻率，并發(fā)出控制信號(hào)；可控增益放大電路的接收控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)放大增益；增益指示單元中的電子開關(guān)接受控制信號(hào)，選擇顯示相應(yīng)增益；可控濾波電路接收控制信號(hào)后自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波截止頻率；增益控制值通過(guò)接口實(shí)時(shí)輸出至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，顯示輸出電壓及相應(yīng)增益值。本實(shí)用新型的有益效果1.由多通道組合式結(jié)構(gòu)，滿足同時(shí)觀測(cè)地震過(guò)程中多路信號(hào)輸入的需求。2.通過(guò)微控制器的控制，對(duì)不同幅值的電信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)增益，從而適用于對(duì)不同強(qiáng)度的地震作用監(jiān)測(cè)。3.構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，可配接長(zhǎng)電纜而不影響測(cè)量精度，適用于壓電材料損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的控制單元電路圖。圖3是本實(shí)用新型的增益顯示單元電路圖。圖中1信源放大單元；2電荷電壓轉(zhuǎn)換電路；3可控增益放大電路；4可控濾波電路；5低通濾波電路；6高通濾波電路；7電壓射隨器；8控制單元；9增益顯示單元；10電子開關(guān)；11增益指示燈電路；12供電單元；13計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。如圖1-3所示,其結(jié)構(gòu)包括信源放大單元1、控制單元8、增益顯示單元9和供電單元12。其中信源放大模塊由六級(jí)構(gòu)成電荷電壓轉(zhuǎn)換電路2、可控增益放大電路3、可控濾波電路4、低通有源濾波電路5、高通濾波電路6、電壓射隨器7依次相連，控制單元8分別與射隨器7、可控增益放大電路3、可控濾波電路4、電子開關(guān)10連接。供電電路12為各電路模塊提供合適電壓。信源放大模塊的第一級(jí)電荷電壓轉(zhuǎn)換電路是電阻、反饋電容Cf=5 μ F和FET運(yùn)算放大器AD820等組成，將輸入由壓電陶瓷傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)Q轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)U1，其中U1=QziCf ;第二級(jí)可控增益放大電路的主要芯片是AD8253，它具有四個(gè)增益等級(jí)。微控制器C8051F300根據(jù)比較MAX端口輸出信號(hào)Umax幅值，發(fā)出AlAO信號(hào)控制AD8253進(jìn)行增益切換，將輸出信號(hào)的幅值控制在適當(dāng)觀測(cè)范圍內(nèi)，第一級(jí)的輸出電壓經(jīng)AD8253被分別放大，即U2=AW1，其中A為AD8253的放大增益，當(dāng)控制信號(hào)AlAO為00、01、10、11時(shí)，A分別為1、10,100,1000 ;第三極可控濾波電路3的主要芯片是八階橢圓型開關(guān)電容濾波器ΜΑΧ293，其含有11檔轉(zhuǎn)折頻率。微控制器C8051F300根據(jù)MAX端口的輸出Umax信號(hào)頻率，產(chǎn)生獨(dú)立的時(shí)鐘CLK為ΜΑΧ293提供截止頻率；第四級(jí)和第五級(jí)分別是二階巴特沃茲濾波器和高通濾波器。由第二級(jí)放大的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)第三、四、五級(jí)構(gòu)成的帶通濾波器后，一路經(jīng)OUT端口輸出Uout，另一路經(jīng)兩級(jí)電壓射隨器放大后，由MAX端口為微控制器C8051F300提供信號(hào)。增益顯示單元主要由電子開關(guān)⑶4052、電組、四個(gè)發(fā)光二級(jí)管、四個(gè)三極管8050等組成。⑶4052根據(jù)微控制器C8051F300發(fā)出的控制信號(hào)A1A0，點(diǎn)亮相應(yīng)的增益指示燈，便于數(shù)據(jù)的記錄與測(cè)量供電單元為信源放大模塊的有源芯片均提供±6V電壓，為控制模塊和⑶4052均提供+3. 3V電壓，為增益顯示電路提供+6V電壓。此電荷電壓轉(zhuǎn)換器將壓電智能骨料產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)采集系統(tǒng)將電壓信號(hào)Uout與相應(yīng)的放大增益值A(chǔ)存入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)地震過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求1.一種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于該轉(zhuǎn)換器由多個(gè)集成電路板并行構(gòu)成，每個(gè)集成電路板包括一個(gè)信源放大單元(I)、一個(gè)控制單元(8)、一個(gè)增益顯示單元(9)和一個(gè)供電單元(12);其中信源放大單元包括電荷電壓轉(zhuǎn)換電路(2 )、可控增益放大電路(3 )、可控濾波電路(4 )、低通濾波電路(5 )、高通濾波電路(6 )和電壓射隨器(7)，各部分依次相連；增益顯示單元(9)由電子開關(guān)(10)和增益指示燈電路 (11)組成；控制單元(8)分別與射隨器輸出端(7)、可控增益放大電路(3)、可控濾波電路(4)、電子開關(guān)(10)、計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)(13)連接；電荷電壓轉(zhuǎn)換電路(2)的反饋電容值根據(jù)強(qiáng)地震下的電荷最大值來(lái)設(shè)定；控制單元(8)用于比較輸出信號(hào)的反饋幅值與頻率， 并發(fā)出控制信號(hào)；可控增益放大電路(3)的接收控制信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)放大增益；增益指示單元中的模擬選擇電子開關(guān)接受控制信號(hào)，選擇顯示相應(yīng)增益；可控濾波電路(4)接收控制信號(hào)后自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波截止頻率；增益控制值通過(guò)接口實(shí)時(shí)輸出至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，顯示輸出電壓及相應(yīng)增益值。
專利摘要一種用于壓電智能骨料地震損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，由多個(gè)集成電路板并行構(gòu)成。每個(gè)集成電路板包括信源放大單元、控制單元、增益顯示單元和供電單元。其中，信源放大單元由電荷電壓轉(zhuǎn)換電路、可控增益放大電路、可控濾波電路、低通濾波電路、高通濾波電路、電壓射隨器依次相連；增益顯示單元由電子開關(guān)和增益指示燈電路組成；控制單元分別與射隨器輸出端、可控增益放大電路、可控濾波電路、電子開關(guān)、計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)連接，監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)、控制電壓增益與增益顯示、控制濾波截止頻率；輸出電壓與相應(yīng)增益值通過(guò)接口被輸送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中并顯示。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)可同時(shí)采集多路信號(hào)；對(duì)不同強(qiáng)度地震過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷均可靠監(jiān)測(cè)；構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G01N27/00GK202836838SQ20122059158
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月10日
發(fā)明者王一帆, 喻言, 張海濱, 侯爽 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)