一种信号调理电路、调理方法以及采集箱与流程

1.本申请涉及信号采集的技术领域，尤其是涉及一种信号调理电路、调理方法以及采集箱。


背景技术：

2.水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利的目的而修建的工程。
3.水利水电工程现场试验中，经常需要使用种类繁多的各类传感器，较常用的传感器有：振动传感器、压力传感器、位移传感器、液位传感器、流量计、流速仪、温度传感器、拉压力传感器等。试验人员需要针对每一种类型的传感器信号，进行信号数据采集。但是不同传感器的输出信号类型往往是不一样的，如电流型输出传感器、电压型输出传感器、脉冲型输出传感器等，在收集多种传感器信号时，需要根据传感器的信号类型采用专用类型的数据采集装置进行信号数据采集。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为存在有传感器数据采集装置仅可对一种类型的传感器信号进行采集，使用不灵活的缺陷。


技术实现要素：

5.为了实现传感器数据采集装置可适用于多种传感器，本申请提供一种信号调理电路、调理方法以及采集箱。
6.第一方面，本申请提供的一种信号调理电路采用如下的技术方案：一种信号调理电路，包括：直流电源；与直流电源耦接的接线端子，所述接线端子包括电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
；所述电源负极端口v
‑
连接于直流电源的负极端；所述电源正极端口v+与直流电源正极端之间依次连接有第一电阻r1、单刀双掷开关sb1、第二电阻r2；所述单刀双掷开关sb1的动触点与第二电阻r2连接，所述单刀双掷开关sb1的静触点a与电源正极端口v+连接，所述单刀双掷开关sb1的静触点b与第一电阻r1连接；所述第二电阻r2的两端为信号输出端。
7.通过采用上述技术方案，将单刀双掷开关sb1的动触点掰动至与其上不同的静触点闭合即可使调理电路形成两组不同的电路回路，调理电路可适配两线制外电路无源的传感器的分压需求，将传感器输入的不符合同一数据采集卡的采集范围内的信号转化为符合同一采集范围内的信号，使数据采集卡的同一通道可以采集到多种传感器的信号，且调理电路的组成简单，便于集成于小型设备内携带，从而具有使用灵活的效果。
8.优选的，所述直流电源与第二电阻r2之间耦接有单刀三掷开关sb2，所述单刀三掷
开关sb2的动触点与直流电源正极端连接，所述单刀三掷开关sb2的静触点c空置断开，所述单刀三掷开关sb2的静触点d与第二电阻r2连接，所述单刀三掷开关sb2的静触点e与电源正极端口v+连接；所述接线端子还包括第一信号端口s1、第二信号端口s2；所述第一信号端口s1与单刀三掷开关sb2的静触点e之间依次连接有第三电阻r3、第四电阻r4；所述第二信号端口s2与单刀三掷开关sb2的静触点d之间连接有单刀单掷开关sb3；所述信号输出端连接有双刀双掷开关sb4，所述双刀双掷开关sb4的动触点连接信号输出端，所述双刀双掷开关sb4的静触点组1的两个静触点分别连接于第二电阻r2与单刀双掷开关sb1之间、第二信号端口s2与单刀单掷开关sb3之间，所述双刀双掷开关sb4的静触点组2的两个静触点分别连接于第四电阻r4的两端。
9.通过采用上述技术方案，掰动开关，使开关的动触点与对应的静触点闭合和/或调节至断开状态，使传感器接入调理电路不同的电阻，且接线端子增设第一信号端口s1与第二信号端口s2，使调理电路可接入两线制、三线制的传感器，而增设单刀三掷开关sb2则是使调理电路可适配外电路有源或是无源的传感器，通过单刀三掷开关sb2将直流电源接入或断开，而各个开关与传感器接入接线端子的端口不同，使调理电路呈现的当前电路组成不同，使调理电路可适配各种类型传感器的分压需求，将不同类型以及不同范围的传感器信号转化为可被同一类型数据采集卡采集的电压信号，使信号采集装置的适配性更高，使用更灵活。
10.优选的，所述直流电源为24v直流电源，所述第一电阻r1的阻值为1kω，所述第二电阻r2的阻值为250ω；所述第三电阻r3的阻值为2kω，所述第四电阻r4的阻值为1kω。
11.通过采用上述技术方案，电流型输出传感器输出的电流范围通常在4
‑
20ma电压脉冲型输出传感器输出的电压脉冲最高为直流电源电压，电阻阻值的设置根据电流电压公式、欧姆定律等公式计算可知，经过调理后输出的电压范围在0
‑
5v，适配所有采集范围于
±
10v的数据采集卡，在本领域电气参数采集的数据采集卡中，采集电压值的数据采集卡是目前较为便利、精度较高、技术最为成熟的数据采集卡，因为部分传感器在个别工况下使用时会发生超量程的情况，传感器的输出信号会超过最大值，调理电路将传感器信号调理为0
‑
5v的电压信号，使采集范围于
±
10v的数据采集卡采集和读取传感器经过调理后的电压信号留有余量，让采集范围于
±
10v的数据采集卡的采集范围完全覆盖传感器的输出信号范围，从而减少信号的丢失。
12.第二方面，本申请提供一种信号调理方法，采用如下的技术方案：采用如前述信号调理电路进行信号调理的信号调理方法，包括以下步骤：将待获取数据的传感器接入接线端子的对应端口；调节开关至对应状态。
13.通过采用上述技术方案，将传感器接入接线端子的对应端口，然后根据传感器的类型调节开关至相对的状态，即可使调理电路当前形成的回路适配当前的传感器类型，从而使调理电路可对多种类型的传感器信号进行处理以输出适配同一类型数据采集卡的电压信号，具有适配性较高的优点。
14.优选的，当传感器类型为两线制外电路无源的电流型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
连接；调节单刀单掷开关sb3至闭合状态；调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点d闭合；调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合；调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
15.通过采用上述技术方案，使当前闭合的回路串联第二电阻r2，根据欧姆定律公式即可获得第二电阻r2分压的电压范围，使调理电路适配两线制外电路无源的电流型输出传感器使用。
16.优选的，当传感器类型为两线制外电路无源的电压脉冲型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
连接；调节单刀单掷开关sb3至闭合状态；调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点d闭合；调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点b闭合；调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
17.通过采用上述技术方案，使当前闭合的回路串联第一电阻r1、第二电阻r2，根据欧姆定律公式即可获得第二电阻r2分压的电压范围，使调理电路适配两线制外电路无源的电压脉冲型输出传感器使用。
18.优选的，当传感器类型为三线制外电路无源的电压型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+连接、电源负极端口v
‑
、第一信号端口s1连接；调节单刀单掷开关sb3至闭合状态；调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点e闭合；调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合；调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组2闭合。
19.通过采用上述技术方案，使当前闭合的回路串联第三电阻r3、第四电阻r4，根据欧姆定律公式即可获得第四电阻r4分压的电压范围，使调理电路适配三线制外电路无源的电压型输出传感器使用。
20.优选的，当传感器类型为两线制外电路有源的电流型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、第二信号端口s2连接；调节单刀单掷开关sb3至闭合状态；调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点c闭合；调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合；调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
21.通过采用上述技术方案，使当前闭合的回路串联第二电阻r2，根据欧姆定律公式即可获得第二电阻r2分压的电压范围，使调理电路适配两线制外电路有源的电流型输出传
感器使用。
22.优选的，当传感器类型为两线制外电路有源的电压型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、第二信号端口s2连接；调节单刀单掷开关sb3至打开状态；调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点c闭合；调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合；调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
23.通过采用上述技术方案，使当前传感器直连信号输出端，从而适配两线制外电路有源的电压型输出传感器使用。
24.第三方面，本申请提供的一种信号采集箱采用如下的技术方案：一种信号采集箱，包括：箱体；安装于箱体内的面板；集成于面板上的若干组如前述的信号调理电路。
25.通过采用上述技术方案，传感器与调理电路内的接线端子相接，即可将不同类型的传感器信号调理为数据采集卡可采集的电压范围，从而具有便于携带，使用灵活的效果。
附图说明
26.图1是本申请一实施例一种信号调理电路的结构示意图；图2是本申请一实施例调理电路对应两线制外电路无源电流型输出传感器的调理结构图；图3是本申请一实施例调理电路对应两线制外电路无源电压脉冲型输出传感器的调理结构图；图4是本申请一实施例调理电路对应三线制外电路无源电压型输出传感器的调理结构图；图5是本申请一实施例调理电路对应两线制外电路有源电流型输出传感器的调理结构图；图6是本申请一实施例调理电路对应两线制外电路有源电压型输出传感器的调理结构图；图7是本申请一实施例一种信号调理方法的流程框图；图8是本申请一实施例一种信号采集箱的结构示意图。
27.附图标记说明：1、箱体；2、面板；3、针排线母头；4、品字插座；5、触屏工业平板电脑。
具体实施方式
28.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1
‑
8及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
29.本申请实施例公开一种信号调理电路。参照图1，信号调理电路包括：直流电源。
30.与直流电源耦接的接线端子，接线端子包括电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
。
31.电源负极端口v
‑
连接于直流电源的负极端。
32.电源正极端口v+与直流电源正极端之间依次连接有第一电阻r1、单刀双掷开关sb1、第二电阻r2。
33.单刀双掷开关sb1的动触点与第二电阻r2连接，单刀双掷开关sb1的静触点a与电源正极端口v+连接，单刀双掷开关sb1的静触点b与第一电阻r1连接。
34.第二电阻r2的两端为信号输出端。
35.在本实施例中，直流电源为24v直流电源，与信号输出端连接以采集调理后的传感器信号的数据采集卡可采用ni9205数据采集卡、ni9206型数据采集板卡、usb
‑
6003数据采集板卡等，根据采用的数据采集卡采集信号的范围调整第一电阻r1和第二电阻r2的阻值，进而调整分压的比例，最终使得调理后的传感器信号满足采集板卡的采集范围，本实施例采用ni9205数据采集卡的原因是因为在目前所有电气参数采集中，电压信号的检测和采集是最为便利和精度最高、技术最成熟的，ni9205数据采集卡在电压信号采集的设备里面具有性价比较高、采集精度高的优点，而ni9205数据采集卡可采集的电压信号采集范围为
‑
10v~+10v。
36.基于使用ni9205数据采集卡采集信号输出端输出的经过调理的传感器信号，在本实施例中，第一电阻r1的阻值为1kω，第二电阻r2的阻值为250ω，本实施例的调理电路可适用于传感器类型为两线制外电路无源的电流型输出传感器以及传感器类型为两线制外电路无源的电压脉冲型输出传感器。
37.参照图1和图2，两线制外电路无源的电流型输出传感器一般有压力传感器、压差传感器、液位传感器、电磁流量传感器等,传感器输出信号为4
‑
20ma电流信号，将两线制外电路无源的电流型输出传感器对应接入电源正极端口v+与电源负极端口v
‑
，其调理电路的实现方法是，使单刀双掷开关sb1的动触点闭合其静触点a，在传感器的两线制电路中加入250ω第二电阻r2，以第二电阻r2的两端为与ni9205数据采集卡的采集端口连接的信号输出端，根据欧姆定律：4ma*250ω=1v，20ma*250ω=5v，两线制外电路无源的电流型输出传感器输出的4
‑
20ma的电流信号转化成1
‑
5v电压信号，可被ni9205数据采集卡识别并采集。
38.参照图1和图3，两线制外电路无源的电压脉冲型输出传感器，如流速仪，流速仪信号本身的性质是开关量，流速仪每旋转一周，则会对电路进行通断一次，有的流速仪会通断两次或更多，识别出电路中单位时间的通断次数，就可以推算出流速仪的转数，进而计算出流量，流速仪信号属于开关量，其高电平=直流电源供电24v，其低电平=电路断开0v。
39.通过调理电路对流速仪产生的电压信号进行分压，具体实现方法是将单刀双掷开关sb1的动触点闭合其静触点b，流速仪输出端电路串联加入250ω的第二电阻r2和1kω的第一电阻r1，以第二电阻r2的两端为与ni9205数据采集卡的采集端口连接的信号输出端。
40.流速仪的高电平信号通过调理电路分压成了4.8v电压信号，分压电路原理：24v*250/1250=4.8v，低电平信号仍然是0v，可被ni9205数据采集卡识别并采集。
41.有些传感器在个别工况下使用存在超量程的现象，在这种现象下传感器的输出会超过最大值，为了让采集板卡的采集范围完全覆盖传感器的输出信号范围，让采集留有余
量，所以调理电路将传感器输出的信号转化为范围在0
‑
5v的电压信号。
42.参照图1，在一实施例中，直流电源与第二电阻r2之间耦接有单刀三掷开关sb2，单刀三掷开关sb2的动触点与直流电源正极端连接，单刀三掷开关sb2的静触点c空置断开，单刀三掷开关sb2的静触点d与第二电阻r2连接，单刀三掷开关sb2的静触点e与电源正极端口v+连接。
43.接线端子还包括第一信号端口s1、第二信号端口s2。
44.第一信号端口s1与单刀三掷开关sb2的静触点e之间依次连接有第三电阻r3、第四电阻r4。
45.第二信号端口s2与单刀三掷开关sb2的静触点d之间连接有单刀单掷开关sb3。
46.信号输出端连接有双刀双掷开关sb4，双刀双掷开关sb4的动触点连接信号输出端，双刀双掷开关sb4的静触点组1的两个静触点分别连接于第二电阻r2与单刀双掷开关sb1之间、第二信号端口s2与单刀单掷开关sb3之间，双刀双掷开关sb4的静触点组2的两个静触点分别连接于第四电阻r4的两端。
47.在本实施例中，通过单刀单掷开关sb3、单刀双掷开关sb1、双刀双掷开关sb4以及单刀三掷开关sb2掰动至相应的触点，即可对不同模拟信号类型的传感器输入信号进行调理转换成为所需范围的电压信号。
48.在本实施例中，于信号输出端连接以采集调理后的传感器信号的数据采集卡也可采用ni9205数据采集卡、ni9206型数据采集板卡、usb
‑
6003数据采集板卡等，根据采用的数据采集卡采集信号的范围调整第一电阻r1和第二电阻r2的阻值、第三电阻r3、第四电阻r4的阻值，进而调整分压的比例，最终使得调理后的传感器信号满足数据采集卡的采集范围，在本实施例中，仍采用ni9205数据采集卡。
49.第三电阻r3的阻值为2kω，第四电阻r4的阻值为1kω，电阻阻值的设置使信号输出端输出的电压信号适配所有数据采集范围在
±
10v的数据采集卡。
50.参照图1和图4，在一实施例中，传感器类型为三线制外电路无源的电压型输出传感器，比如电涡流探头传感器、振动传感器等，电涡流探头传感器、振动传感器输出的信号为0
‑
15v电压信号，超过ni9205数据采集卡识别范围
±
10v，所以通过调理电路对其分压，具体实现方法是将传感器接入电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
和第一信号端口s1，闭合单刀单掷开关sb3，将单刀三掷开关sb2的动触点与其静触点e闭合，将单刀双掷开关sb1的动触点与其静触点a闭合，将双刀双掷开关sb4与其静触点组2闭合，即于传感器接入的第一信号端口s1电路上串联加入1个1kω的第四电阻r4和1个的2kω第三电阻r3，传感器输出信号分压调理成为0
‑
5v电压信号，分压电路原理：15v*1000/3000=5v，可被ni9205数据采集卡识别并采集。
51.参照图1和图5，在一实施例中，当接入传感器类型为两线制外电路有源的电流型输出时，比如功率变送器、输出电流信号的隔离模块等，功率变送器、输出电流信号的隔离模块输出信号是4
‑
20ma电流信号，无法直接被ni9205数据采集卡识别采集，调理电路的具体实现方法是将传感器接入电源正极端口v+和第二信号端口s2，闭合单刀单掷开关sb3，将单刀三掷开关sb2的动触点与其静触点c闭合，将单刀双掷开关sb1的动触点与其静触点a闭合，将双刀双掷开关sb4与其静触点组1闭合，即于传感器接入的第二信号端口s2电路上串联加入1个250ω第二电阻r2，这样4
‑
20ma的电流信号就转化成了1
‑
5v电压信号，根据欧姆
定律：4ma*250ω=1v，20ma*250ω=5v，可被ni9205数据采集卡识别并采集。
52.参照图1和图6，当设备类型为两线制外电路有源的电压型信号输出类型设备时，比如输出电压信号的隔离模块，输出电压信号的隔离模块输出电压范围在1
‑
5v，则调节电路的具体实现的方式为将该隔离模块接入电源正极端口v+和第二信号端口s2，断开单刀单掷开关sb3，将单刀三掷开关sb2的动触点与其静触点c闭合，将单刀双掷开关sb1的动触点与其静触点a闭合，将双刀双掷开关sb4与其静触点组1闭合，则使ni9205数据采集卡采集到输出电压信号的隔离模块的电压值。
53.参照图1和图6，本实施例还公开一种应用于水利工程现场试验的多功能信号调理方法，包括：将待获取数据的传感器接入接线端子的对应端口。
54.调节开关至对应状态。
55.当传感器类型为两线制外电路无源的电流型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
连接。
56.调节单刀单掷开关sb3至闭合状态。
57.调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点d闭合。
58.调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合。
59.调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
60.当传感器类型为两线制外电路无源的电压脉冲型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、电源负极端口v
‑
连接。
61.调节单刀单掷开关sb3至闭合状态。
62.调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点d闭合。
63.调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点b闭合。
64.调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
65.当传感器类型为三线制外电路无源的电压型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+连接、电源负极端口v
‑
、第一信号端口s1连接。
66.调节单刀单掷开关sb3至闭合状态。
67.调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点e闭合。
68.调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合。
69.调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组2闭合。
70.当传感器类型为两线制外电路有源的电流型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、第二信号端口s2连接。
71.调节单刀单掷开关sb3至闭合状态。
72.调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点c闭合。
73.调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合。
74.调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
75.当传感器类型为两线制外电路有源的电压型输出传感器时，具体通过以下方法进行信号采集：传感器分别与电源正极端口v+、第二信号端口s2连接。
76.调节单刀单掷开关sb3至打开状态。
77.调节单刀三掷开关sb2至动触点与静触点c闭合。
78.调节单刀双掷开关sb1至动触点与静触点a闭合。
79.调节双刀双掷开关sb4至其动触点组与静触点组1闭合。
80.本实施例还公开一种信号采集箱，信号采集箱包括：箱体1、安装于箱体1内的面板2以及集成于面板2上的若干组如上述的信号调理电路。
81.在理论上，设于面板2上的信号调理电路的组数可以无限增加，但实际中考虑使用者需求和兼顾设备轻巧便携性，因此在本实施例中，信号调理电路共设置有32组，以适配32通道的ni9205数据采集卡，ni9205数据采集卡需要接入笔记本电脑，通过调理电路将各类不同传感器信号统一调理转化成可被ni9205数据采集卡识别并采集的电压信号，将此信号统一传送到ni9205数据采集卡中，最终ni9205数据采集卡通过内部的模数转换，将各传感器的调理信号传送至笔记本电脑中，笔记本电脑进行最终的信号存储和示波显示。
82.面板2上安装有针排线母头3，针排线母头3对应与调理电路的信号输出端连接，针排线母头3用于外接数据采集卡，将调理电路调理转化后的电压信号传输至数据采集卡。
83.可选的，在箱体内侧还安装有触屏工业平板电脑5，在进行传感器信号的采集以及显示时，采用usb数据线将数据采集卡连接于触屏工业平板电脑5，于触屏工业平板电脑5内预先安装有采集分析软件，通过采集分析软件对接收的调理后传感器信号进行分析处理且显示。
84.在本实施例中，考虑到实际使用工况以及携带便携性等因素，触屏工业平板电脑5的尺寸为10寸，但实际使用中，也可根据实际需求更换不同尺寸。
85.在面板2上安装有品字插座4，通过品字插座4接入220v交流电以给直流电源供电，于直流电源的正极端与负极端之间连接有直流电压表，直流电压表用于显示直流电源输出端的电压，品字插座4的零线、火线与直流电源之间均设有金属按钮开关s1，在直流电源的正极端、负极端与直流电压表的两端之间均设有金属按钮开关s2，在本实施例中，直流电压表存在以下作用：（1）直流电压表用于监测直流电源是否正常输出了24v电源，如果按下金属按钮开关s2，直流电压表显示24v，则说明直流电源工作正常，如果显示为0，则说明24v直流电源工作异常。
86.（2）当外部传感器需要直流电源供电方可工作时，在调试传感器或者传感器接线过程中，则应关闭直流电源，直流电压表用于显示外部传感器的供电状态，以便于在操作传感器时确认直流电源供电状态。
87.（3）当外部接入的传感器发生短路，或者外部传感器负载过高，均会导致直流电源输出电压降低，使直流电压表示数远低于24v，使用者通过直流电压表示数判定外部输入是否存在传感器短路和传感器负载过高的情况。
88.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的
功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。