專利名稱：具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電學(xué)測量領(lǐng)域，涉及一種城市地鐵和輕軌雜散電流傳感器，具體涉及一種能實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)功能的雜散電流監(jiān)測傳感器。
背景技術(shù)：
城市地鐵和輕軌系統(tǒng)的供電通常采用直流供電，利用鋼軌作為返回線，非常容易產(chǎn)生雜散電流，但是雜散電流難以直接測量，一般采用間接測量的辦法來反映雜散電流的腐蝕情況。地鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼與金屬設(shè)備受雜散電流腐蝕的危險(xiǎn)性指標(biāo)，是由結(jié)構(gòu)鋼表面流向周圍電解質(zhì)的電流密度和由此引起的電位極化來確定的。而電流密度難以直接測量，只有通過測量電位極化偏移來判斷，目前世界各國對地鐵雜散電流采用的監(jiān)測方法一般都是基于極化電壓監(jiān)測的方法，在地鐵建設(shè)初期埋設(shè)永久性參比電極，通過雜散電流傳感器測量埋地金屬結(jié)構(gòu)與參比電極之間的電位差來反映地鐵雜散電流的擾動情況以及腐蝕情況。 根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來控制排流柜進(jìn)行雜散電流的排流。因此，對數(shù)據(jù)的測量精度直接影響到排流的科學(xué)與否。在數(shù)據(jù)測量過程中，一方面元器件和電路板帶來的系統(tǒng)誤差將影響數(shù)據(jù)的測量精度；另一方面更為嚴(yán)重的是，由于雜散電流系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置安裝在戶外，且常年運(yùn)行，一年四季溫度變化范圍大，電路參數(shù)隨溫度變化帶來的誤差將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的測量精度。目前相關(guān)產(chǎn)品都沒有考慮在數(shù)據(jù)采集電路中增加自動校準(zhǔn)功能，消除電路的系統(tǒng)誤差和溫漂帶來的測量誤差。因此，設(shè)計(jì)一種具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器對提高地鐵雜散電流測量精度，實(shí)現(xiàn)科學(xué)排流具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器，減小現(xiàn)有雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)中由于溫度的變化和電路系統(tǒng)誤差造成的測量誤差。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器，包括將被測信號與內(nèi)部電路進(jìn)行隔離的信號隔離電路、將隔離后的信號進(jìn)行濾波和縮放的信號調(diào)理電路、將各個不同溫度下的電路進(jìn)行自校準(zhǔn)的自校準(zhǔn)電路、對數(shù)據(jù)在各溫度下進(jìn)行精度測量的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理的嵌入式微處理器、用于傳感器和外界裝置之間通信的通信電路，以及將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的電源電路；所述信號隔離電路、信號調(diào)理電路、自校準(zhǔn)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式微處理器和通信電路依次連接，電源電路與該六種電路分別連接。其中，電源電路包括依次連接的電磁兼容保護(hù)電路、整流電路、濾波電路和線性穩(wěn)壓電路；電磁兼容保護(hù)電路用于提高電路的抗干擾能力，整流電路和濾波電路用于實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，線性穩(wěn)壓電路用于為傳感器提供各種穩(wěn)壓電壓。其中，信號隔離電路包括相連接的信號電磁兼容保護(hù)電路和線性隔離電路；信號電磁兼容保護(hù)電路用于提高電路的抗干擾能力，線性隔離電路用于被測信號與內(nèi)部電路的隔尚°[0007]其中，信號調(diào)理電路包括相連接的濾波電路和放大電路。其中，自校準(zhǔn)電路由基于多路開關(guān)的電路構(gòu)成，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的兩端分別與自校準(zhǔn)電路的引腳3及引腳13連接。進(jìn)一步，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為12位雙極性高性能低漂移芯片高速A/D轉(zhuǎn)換器。其中，通信電路包括依次連接的隔離電路、通信接口電路和通信保護(hù)電路；隔離電路用于通信線上的干擾信號和傳感器內(nèi)部電路的隔離，通信接口電路用于完成各種通信接口的電氣轉(zhuǎn)換，通信保護(hù)電路用于保護(hù)通信線的EMC。本實(shí)用新型的有益效果是在各電路板制作調(diào)試完成后采用命令的方式對傳感器進(jìn)行理論值和實(shí)測值之間的校準(zhǔn)，消除了元器件和電路板帶來的系統(tǒng)誤差，對數(shù)據(jù)自動定期進(jìn)行溫度校準(zhǔn)消除了電路中運(yùn)放在各溫度下的失調(diào)電壓，減小了電路參數(shù)受溫度的影響帶來的測量誤差，實(shí)現(xiàn)了雜散電流監(jiān)測的自動校準(zhǔn)功能和數(shù)據(jù)的高精度測量。

圖1是本實(shí)用新型具有自校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型電源電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實(shí)用新型信號隔離電路結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本實(shí)用新型信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本實(shí)用新型自校準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型通信電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中，1.信號隔離電路，2.信號調(diào)理電路，3.自校準(zhǔn)電路，4.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，5.嵌入式微處理器，6.通信電路，7.電源電路，8.電磁兼容保護(hù)電路，9.整流電路，10.濾波電路，11.線性穩(wěn)壓電路，12.信號電磁兼容保護(hù)電路，13.線性隔離電路，14.濾波電路，15.放大電路，16.隔離電路，17.通信接口電路，18.通信保護(hù)電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器，包括依次連接的信號隔離電路1、信號調(diào)理電路2、自校準(zhǔn)電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4、嵌入式微處理器 5和通信電路6 ；該雜散電流傳感器還包括電源電路7，電源電路7分別與信號隔離電路1、 信號調(diào)理電路2、自校準(zhǔn)電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4、嵌入式微處理器5、通信電路6相連接，為上述六種電路模塊提供工作電源。電源電路7主要是負(fù)責(zé)將沿地鐵走行軌提供的220V交流電源轉(zhuǎn)化成本實(shí)用新型傳感器工作時需要的各路穩(wěn)壓直流電壓值。如圖2所示，電源電路7包括依次連接的電磁兼容(EMC)保護(hù)電路8、整流電路9、濾波電路10和線性穩(wěn)壓電路11 ；整流電路9和濾波電路10實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，線性穩(wěn)壓電路11提供本實(shí)用新型傳感器內(nèi)部電路工作需要的各種穩(wěn)壓電壓。另外，為了消除外部環(huán)境對供電電源電路7產(chǎn)生的干擾，提高電路的抗干擾能力，電源電路7中還設(shè)有電磁兼容(EMC)保護(hù)電路8。如圖3所示，信號隔離電路1實(shí)現(xiàn)被測信號與內(nèi)部電路的隔離，防止外部信號對內(nèi)部電路的干擾，因此信號隔離電路1包括相連接的信號電磁兼容(EMC)保護(hù)電路12和線性隔離電路13。隔離后的信號進(jìn)入本實(shí)用新型傳感器內(nèi)部電路后通過信號調(diào)理電路2進(jìn)行濾波和信號的縮放，以滿足后面模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4要求的輸入量程范圍，因此信號調(diào)理電路2包括相連接的濾波電路14和放大電路15，如圖4所示。自校準(zhǔn)電路3是為了實(shí)現(xiàn)各個不同溫度下電路的自校準(zhǔn)功能而增加的電路模塊。 如圖5所示，它由基于多路開關(guān)的電路構(gòu)成，多路開關(guān)的兩路輸入信號為經(jīng)信號調(diào)理電路2 調(diào)理后的被測信號和“地”信號，當(dāng)電路處于正常測量模式時，控制多路開關(guān)選通被測信號， 當(dāng)電路處于校準(zhǔn)模式時，控制多路開關(guān)選通“地”信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4采用12位雙極性高性能低漂移芯片高速A/D轉(zhuǎn)換器，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各溫度下的高精度測量，使電路整體測量精度可達(dá)到0. 5%。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4的兩端分別與自校準(zhǔn)電路3的引腳3及引腳13連接。嵌入式微處理器5主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及通信等各項(xiàng)控制任務(wù)。通信電路6主要負(fù)責(zé)本實(shí)用新型傳感器與監(jiān)測系統(tǒng)中其它裝置如轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測裝置等之間的通信，可采用串口通信、CAN總線通信或者以太網(wǎng)通信。通信電路6包括依次連接的隔離電路16、通信接口電路17和通信保護(hù)電路18，如圖6所示。隔離電路16是為了防止通信線上的干擾信號對傳感器內(nèi)部電路產(chǎn)生影響而設(shè)置的，通信接口電路17完成各種通信接口的電氣轉(zhuǎn)換，通信保護(hù)電路18實(shí)現(xiàn)通信線的EMC保護(hù)。利用本實(shí)用新型雜散電流傳感器進(jìn)行雜散電流數(shù)據(jù)測量自校準(zhǔn)的方法為步驟1，電路板制作完成后，正式投入運(yùn)行前，在輸入信號端依次施加若干個測量范圍內(nèi)已知的電壓信號，每次通過通信接口電路17從計(jì)算機(jī)上給嵌入式微處理器5發(fā)送測量電壓的命令，并告知其理論值，通過嵌入式微處理器5中的軟件進(jìn)行命令解析，得到各電壓值對應(yīng)的實(shí)際測量值，并求出其與理論值的差，將各個差值進(jìn)行平均，得到一個平均偏差值，將其存儲在嵌入式微處理器5的存儲器中，在以后每次的正常信號測量中減去該平均偏差值，得到計(jì)算出的測量值，以消除電路的系統(tǒng)誤差。步驟2，在進(jìn)行正常測量的過程中，自校準(zhǔn)電路3工作在正常測量模式，每間隔一段時間(如可以以30分鐘為一個時間單元)，將自校準(zhǔn)電路3切換到校準(zhǔn)模式，計(jì)算出當(dāng)前溫度狀態(tài)下的校準(zhǔn)值，在計(jì)算實(shí)際測量值時，將步驟1中計(jì)算出的測量值減去該校準(zhǔn)值作為當(dāng)前溫度下的最終計(jì)算值。自校準(zhǔn)電路3采用基于多路開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)電路處于正常測量模式時，控制多路開關(guān)接通被測信號通道，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4轉(zhuǎn)換后，嵌入式微處理器5采集到的是調(diào)理后的被測信號值，按照步驟1的方法可以得到計(jì)算出的測量值；當(dāng)電路處于校準(zhǔn)模式時，控制多路開關(guān)接通電路中的“地”信號，嵌入式微處理器5采集到的是OV電壓值，同樣按照步驟1的方法可以得到OV電壓對應(yīng)的計(jì)算出的測量值，這個值就是當(dāng)前溫度下的校準(zhǔn)值，采用步驟2的方法可以得到各溫度下的最終計(jì)算值。本實(shí)用新型在各電路板制作調(diào)試完成后采用命令的方式對傳感器進(jìn)行理論值和實(shí)測值之間的校準(zhǔn)，消除了元器件和電路板帶來的系統(tǒng)誤差；對數(shù)據(jù)自動進(jìn)行定期溫度校準(zhǔn)，消除了電路中運(yùn)放在各溫度下的失調(diào)電壓，減小了電路參數(shù)受溫度的影響帶來的測量誤差，實(shí)現(xiàn)了雜散電流監(jiān)測的自動校準(zhǔn)功能和數(shù)據(jù)的高精度測量。
權(quán)利要求1.具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器，其特征在于包括將被測信號與內(nèi)部電路進(jìn)行隔離的信號隔離電路(1)、將隔離后的信號進(jìn)行濾波和縮放的信號調(diào)理電路O)、將各個不同溫度下的電路進(jìn)行自校準(zhǔn)的自校準(zhǔn)電路C3)、對數(shù)據(jù)在各溫度下進(jìn)行精度測量的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路G)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理的嵌入式微處理器(5)、用于傳感器和外界裝置之間通信的通信電路(6)，以及將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的電源電路(7)；所述信號隔離電路(1)、 信號調(diào)理電路O)、自校準(zhǔn)電路(3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路G)、嵌入式微處理器(5)和通信電路 (6)依次連接，電源電路(7)與該六種電路分別連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述電源電路(7)包括依次連接的電磁兼容保護(hù)電路(8)、整流電路(9)、濾波電路(10)和線性穩(wěn)壓電路(11)；電磁兼容保護(hù)電路⑶用于提高電路的抗干擾能力，整流電路(9)和濾波電路(10)用于實(shí)現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，線性穩(wěn)壓電路(11)用于為傳感器提供各種穩(wěn)壓電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述信號隔離電路(1)包括相連接的信號電磁兼容保護(hù)電路(12)和線性隔離電路(13)；信號電磁兼容保護(hù)電路(12) 用于提高電路的抗干擾能力，線性隔離電路(13)用于被測信號與內(nèi)部電路的隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述信號調(diào)理電路( 包括相連接的濾波電路(14)和放大電路(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述自校準(zhǔn)電路(3)由基于多路開關(guān)的電路構(gòu)成，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)的兩端分別與自校準(zhǔn)電路(3)的引腳3及引腳13 連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)為12 位雙極性高性能低漂移芯片高速A/D轉(zhuǎn)換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜散電流傳感器，其特征在于所述通信電路(6)包括依次連接的隔離電路(16)、通信接口電路(17)和通信保護(hù)電路(18)；隔離電路(16)用于通信線上的干擾信號和傳感器內(nèi)部電路的隔離，通信接口電路(17)用于完成各種通信接口的電氣轉(zhuǎn)換，通信保護(hù)電路(18)用于保護(hù)通信線的EMC。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種具有自動校準(zhǔn)功能的雜散電流傳感器，包括將被測信號與內(nèi)部電路進(jìn)行隔離的信號隔離電路、將隔離后的信號進(jìn)行濾波和縮放的信號調(diào)理電路、將各個不同溫度下的電路進(jìn)行自校準(zhǔn)的自校準(zhǔn)電路、對數(shù)據(jù)在各溫度下進(jìn)行精度測量的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理的嵌入式微處理器、用于傳感器和外界裝置之間通信的通信電路，以及將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的電源電路；信號隔離電路、信號調(diào)理電路、自校準(zhǔn)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式微處理器和通信電路依次連接，電源電路與該六種電路分別連接。有益效果是實(shí)現(xiàn)了雜散電流監(jiān)測的自動校準(zhǔn)功能和數(shù)據(jù)的高精度測量。
文檔編號G01R35/00GK202041578SQ20112001505
公開日2011年11月16日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者劉宏泰, 吳江, 楊媛, 陳亮, 高勇 申請人:西安理工大學(xué)