专利名称：一种测量无源传感器输出信号的测量装置及信号检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于信号检测与处理技术领域，更具体地，涉及一种测量无源传感器输出信号的测量装置及信号检测系统。
背景技术：
在大量工业现场和科研试验中，无源传感器常因工作环境具有较强干扰而导致较大的测量误差，例如光纤结冰传感器极易受背景光干扰的影响，光源发光强度也易发生波动。同时，无源传感器测量电路本身也因工作环境条件的变化而导致测量误差，例如前置放大电路的零点电压会随温度的变化而漂移
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量无源传感器输出信号的测量装置，旨在解决现有的测量装置因工作环境条件的变化导致测量误差的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种用于测量无源传感器输出信号的测量装置，包括放大电路、驱动电路和微处理器；所述微处理器包括定时器、模数转换器和串行通信接口 ；所述放大电路的输入端与无源传感器连接，所述放大电路的输出端与所述模数转换器连接；所述驱动电路的输入端与所述定时器连接，所述驱动电路的输出端与所述无源传感器连接；所述串行通信接口与外部的计算机连接；所述驱动电路根据所述微处理器输出的方波信号输出激励电压或电流并使得所述无源传感器在激励状态和非激励状态之间周期性的工作；所述放大电路将所述无源传感器输出的电信号放大为模拟电压信号；所述模数转换器将所述模拟电压信号转换为数字信号；所述微处理器将多个周期内所述无源传感器两种工作状态的中间时刻得到的数字信号进行求差和平均计算，计算结果作为所述无源传感器的输出信号并通过所述串行通讯接口输出给计算机处理。更进一步地，所述无源传感器为热敏电阻、压敏电阻、湿敏电容或光纤结冰传感器。更进一步地，所述微处理器为单片机或DSP芯片。更进一步地，所述驱动电路包括第一电阻、第一电容、第一开关管；所述第一电阻的一端作为所述驱动电路的输出端正极，所述第一电阻的另一端连接+5V电压；所述第一电容的一端连接至所述+5V电压，所述第一电容的另一端接地；所述第一开关管的控制端作为所述驱动电路的输入端，所述第一开关管的第一端作为所述驱动电路的输出端负极，所述第一开关管的第二端接地；所述第一开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。更进一步地，所述第一开关管为三极管，所述三极管的基极作为所述第一开关管的控制端，所述三极管的集电极作为所述第一开关管的第一端，所述三极管的发射极作为所述第一开关管的第二端。更进一步地，所述放大电路包括第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容、放大器、第一单向导通元件、第二单向导通元件；所述放大器包括8个端口，第I个端口依次通过第二电阻和第三电阻连接至第8端口，第2个端口作为所述放大电路的输入端负极，第3个端口作为所述放大电路的输入端正极，第4端口接-12V电压，第4端口还通过第三电容接地，第5端口接地，第6端口作为所述放大电路的输出端，第7端口连接+12V电压，第7端口还通过所述第二电容接地；所述第一单向导通元件和所述第二单向导通元件依次连接在+3. 3V电压与地之间，所述第一单向导通元件和所述第二单向导通元件的串联连接端连接至所述放大器的第6端口。·更进一步地，所述第一单向导通元件为第一二极管，所述第一二极管的阴极连接+3. 3V电压，所述第一二极管的阳极连接至所述放大器的第6端口。更进一步地，所述第二单向导通元件为第二二极管，所述第二二极管的阴极连接至所述放大器的第6端口，所述第二二极管的阳极接地。本发明提供的测量装置通过驱动电路根据微处理器输出的方波信号输出激励电压或电流并使得无源传感器在激励状态和非激励状态之间周期性的工作；再通过微处理器将多个周期内无源传感器两种工作状态的中间时刻得到的数字信号进行求差和平均计算，计算结果作为无源传感器的输出信号并通过串行通讯接口输出给计算机处理；大大减小了干扰和噪声的影响，有较大的信噪改善比和较高的测量精度。本发明的另一目的在于提供一种信号检测系统，包括依次连接的无源传感器、测量装置和计算机；所述测量装置将所述无源传感器的输出信号输出给计算机处理；该测量装置为上述的测量装置。采用上述测量装置对无源传感器的输出信号进行测量，测量精度高、简单可靠且成本低。
图I是本发明实施例提供的测量无源传感器输出信号的测量装置的模块结构示意图；图2是本发明实施例提供的测量装置中放大电路的具体电路图；图3是本发明实施例提供的测量装置中微处理器的具体电路图；图4是本发明实施例提供的测量装置中驱动电路的具体电路图；图5是本发明实施例提供的测量装置应用于光纤结冰传感器中的原理示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供的测量无源传感器输出信号的测量装置主要应用于智能信号检测与处理技术和可靠性测量技术领域，该测量装置是一种可消除或减小测量干扰和噪声的高精度测量电路；具有普遍而明显的现实意义。
图I示出了本发明提供的测量无源传感器输出信号的测量装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下连接在无源传感器I与计算机3之间的用于测量无源传感器输出信号的测量装置2包括放大电路21、驱动电路23和微处理器22 ;微处理器22包括定时器222、模数转换器221和串行通信接口 223 ;其中，放大电路21的输入端与无源传感器I连接，放大电路21的输出端与模数转换器221连接；驱动电路23的输入端与定时器222连接，驱动电路23的输出端与无源传感器I连接；串行通信接口 223与外部的计算机3连接；驱动电路23根据微处理器22输出的方波信号输出激励电压或电流并使得无源传感器I在激励状态和非激励状态之间周期性的工作；放大电路21将无源传感器I输出的电信号放大为模拟电压信号；模数转换器221将模拟电压信号转换为数字信号；微处理器22将多个周期内无源传感器I两种工作状态的中间时刻得到的数字信号进行求差和平均计算，计算结果作为无源传感器I的输出信号并通过串行通讯接口 223输出给计算机3处理。本发明提供的测量装置是一种适用于无源传感器的抗干扰测量电路，包括微处理器22、驱动电路23和放大电路21 ;微处理器22利用内部定时器222的比较单元产生恒定频率的方波信号，并从IO端口输出；驱动电路23接收到微处理器22产生的方波后输出激励方波，该方波既可以是电压信号，也可以是电流信号。方波的高电压或大电流使无源传感器工作于激励状态，低电压或小电流使无源传感器工作于非激励状态。因此，无源传感器I将在激励状态和非激励状态之间周期性地切换工作状态；放大电路21具有高输入阻抗、低噪声特性，它将无源传感器I输出的电压或电流信号放大为模拟电压信号；该模拟电压信号被微处理器22内部的模数转换器221转换为数字信号；微处理器22先计算无源传感器I在同一个方波周期内激励状态与非激励状态的中间时刻模数转换器得到的不同数字信号的差值，再计算包含许多个方波周期的一段时间内这些差值的平均值，此计算结果作为无源传感器I的输出信号；无源传感器器I的输出信号可通过微处理器22内部的串行通讯接口 223输出给计算机3作进一步分析处理。在本发明中，无源传感器I是敏感元件，其本身无直接的能量转换能力、只能随输入信号改变本身的电特性的一类传感器，可以为热敏电阻、压敏电阻、湿敏电容或光纤结冰传感器。该无源传感器I必须采用外加激励源对无源传感器进行激励，才能得到输出信号。在本发明中，放大电路21是具有高输入阻抗、高增益、低噪声的精密电压放大电路或电流放大电路；图2示出了该放大电路21的具体电路结构；详述如下放大电路21包括第二电阻R2、第三电阻R3、第二电容C2、第三电容C3、放大器U1、第一单向导通元件、第二单向导通元件；放大器Ul包括8个端口，第I个端口依次通过第二电阻R2和第三电阻R3连接至第8端口，第2个端口作为放大电路21的输入端负极，第3个端口作为放大电路21的输入端正极，第4端口接-12V电压，第4端口还通过第三电容C3接地，第5端口接地，第6端口作为放大电路21的输出端，第7端口连接+12V电压，第7端口还通过第二电容C2接地；第一单向导通元件和第二单向导通元件依次连接在+3. 3V电压与地之间，第一单向导通元件和第二单向导通元件的串联连接端连接至放大器的第6端□。在本发明实施例中，第三电阻R3为可调电阻，阻值10K。第一单向导通元件可以为第一二极管D1，其中，第一二极管Dl的阴极连接电压+3. 3V，第一二极管Dl的阳极连接至放大器的第6端口。第二单向导通元件可以为第二二极管D2，其中，第二二极管D2的阴极连接至放大器的第6端口，第二二极管D2的阳极接地。第一单向导通元件和第二单向导通元件还可以为其它能够实现单向导通的元器件。在本发明中，微处理器22是本身集成了定时器、带有采样保持功能的积分型模数转换器、参考电压发生器和串行通讯接口的单片机或DSP芯片；其具体电路如图3所示，微处理器22包括MCU芯片U2、接口芯片U3及其外围电路。微处理器22产生的方波的占空比为50%，其频率是根据无源传感器的动态特性和微处理器的处理能力综合确定的。适当增大频率，有利于使本发明能够抵抗或消除的干扰和噪声的频带变宽；但该频率又不能太高，一是因为无源传感器的在激励和非激励两种工作状态之间切换时需要一定的上升时间或下降时间，二是因为模数转换器的转换速率有限。微处理器22中模数转换器221对模拟电压信号的采集和转换，在方波信号每个周期的高电平的中间时刻和低电平的中间时刻各发生一次。“中间时刻”的确定，是通过微处理器22的定时器222来实现的。其中平均计算所选取的“一段时间”，包括整数个方波周期，且周期数远大于I。该段时间是工频周期的整数倍，以便消除工频干扰；该段时间可适当延长，以提高测量精度，但时间又不能太长，以免降低测量实时性。在本发明中，驱动电路23是输出信号与输入信号的波形相同、相位相同或相反且能给无源传感器输出足够大的激励电流的电路；图4示出了该驱动电路23的具体电路结构；详述如下驱动电路23包括第一电阻R1、第一电容Cl、第一开关管；第一电阻Rl的一端作为驱动电路23的输出端正极,第一电阻Rl的另一端连接+5V电压；第一电容Cl的一端连接至+5V电压，第一电容Cl的另一端接地；第一开关管的控制端作为驱动电路23的输入端，第一开关管的第一端作为驱动电路23的输出端负极，第一开关管的第二端接地；第一开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。在本发明中，第一开关管可以为三极管、MOS管或可控硅等起开关作用的元器件；当第一开关管为三极管Ql时，三极管Ql的基极作为第一开关管的控制端，三极管Ql的集电极作为第一开关管的第一端，三极管Ql的发射极作为第一开关管的第二端。本发明提供的测量装置能够消除或减小测量干扰和噪声；主要是利用了同步相关检测这一智能信号检测与处理技术，具体地详述如下(I)设测量起始时刻为0，激励方波的周期为T，t时刻放大电路的输出电压为V (t)，传感器输出有效电压为Ve (t)，电路零点电压为Vz (t)，环境干扰电压为Vi (t)，电路噪声电压为 Vo(t),则 V(t) = Ve (t) +Vz (t) +Vi (t) +Vn (t);(2)在方波低电平的中间时亥Ij (3T/4，7T/4，11T/
态，传感器输出有效电压为零，故
权利要求
1.一种用于测量无源传感器输出信号的测量装置，其特征在于，包括放大电路、驱动电路和微处理器； 所述微处理器包括定时器、模数转换器和串行通信接口 ； 所述放大电路的输入端与无源传感器连接，所述放大电路的输出端与所述模数转换器连接；所述驱动电路的输入端与所述定时器连接，所述驱动电路的输出端与所述无源传感器连接；所述串行通信接口与外部的计算机连接； 所述驱动电路根据所述微处理器输出的方波信号输出激励电压或电流并使得所述无源传感器在激励状态和非激励状态之间周期性的工作；所述放大电路将所述无源传感器输出的电信号放大为模拟电压信号；所述模数转换器将所述模拟电压信号转换为数字信号；所述微处理器将多个周期内所述无源传感器两种工作状态的中间时刻得到的数字信号进行求差和平均计算，计算结果作为所述无源传感器的输出信号并通过所述串行通讯接口输出给计算机处理。
2.如权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述无源传感器为热敏电阻、压敏电阻、湿敏电容或光纤结冰传感器。
3.如权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述微处理器为单片机或DSP芯片。
4.如权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述驱动电路包括 第一电阻、第一电容、第一开关管； 所述第一电阻的一端作为所述驱动电路的输出端正极，所述第一电阻的另一端连接+5V电压； 所述第一电容的一端连接至所述+5V电压，所述第一电容的另一端接地； 所述第一开关管的控制端作为所述驱动电路的输入端，所述第一开关管的第一端作为所述驱动电路的输出端负极，所述第一开关管的第二端接地；所述第一开关管的控制端控制其第一端与第二端之间的导通。
5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述第一开关管为三极管，所述三极管的基极作为所述第一开关管的控制端，所述三极管的集电极作为所述第一开关管的第一端，所述三极管的发射极作为所述第一开关管的第二端。
6.如权利要求I所述的测量装置，其特征在于，所述放大电路包括第二电阻、第三电阻、第二电容、第三电容、放大器、第一单向导通元件、第二单向导通元件； 所述放大器包括8个端口，第I个端口依次通过第二电阻和第三电阻连接至第8端口，第2个端口作为所述放大电路的输入端负极，第3个端口作为所述放大电路的输入端正极，第4端口接-12V电压，第4端口还通过第三电容接地，第5端口接地，第6端口作为所述放大电路的输出端，第7端口连接+12V电压，第7端口还通过所述第二电容接地； 所述第一单向导通元件和所述第二单向导通元件依次连接在+3. 3V电压与地之间，所述第一单向导通元件和所述第二单向导通元件的串联连接端连接至所述放大器的第6端□。
7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第一单向导通元件为第一二极管，所述第一二极管的阴极连接+3. 3V电压，所述第一二极管的阳极连接至所述放大器的第6端口。
8.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第二单向导通元件为第二二极管，所述第二二极管的阴极连接至所述放大器的第6端口，所述第二二极管的阳极接地。
9.一种信号检测系统，包括依次连接的无源传感器、测量装置和计算机；所述测量装置将所述无源传感器的输出信号输出给计算机处理；其特征在于，所述测量装置为权利要求1-8任一项所述的测量装置。
全文摘要
本发明适用于信号检测与处理技术领域，提供了一种测量无源传感器输出信号的测量装置及信号检测系统；该测量装置包括放大电路、驱动电路和微处理器；微处理器包括定时器、模数转换器和串行通信接口。本发明提供的测量装置通过驱动电路根据微处理器输出的方波信号输出激励电压或电流并使得无源传感器在激励状态和非激励状态之间周期性的工作；再通过微处理器将多个周期内无源传感器两种工作状态的中间时刻得到的数字信号进行求差和平均计算，计算结果作为无源传感器的输出信号并通过串行通讯接口输出给计算机处理；大大减小了干扰和噪声的影响，有较大的信噪改善比和较高的测量精度。
文档编号G01D3/028GK102944249SQ20121040305
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者叶林, 邹建红, 葛俊锋 申请人:华中科技大学