Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками

Техническое решение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике и может быть использовано в составе дорожного комплекса весового и габаритного контроля в качестве преобразователя аналогового сигнала, поступающего с весоизмерительных пьезоэлектрических датчиков (скатности) в цифровой вид.
Известна система и способ измерения параметров движущегося транспортного средства с помощью электрической динамической рефлектометрии (ЕА031250, 03.03.2014, G01G 19/03, B60W 40/10, B60W 40/13, G01D 5/14), включающая систему обработки сигналов электрической динамической рефлектометрии, с возможностью измерения изменения импеданса датчика параметрических возмущений (скатности) и преобразования изменения импеданса датчика в сигнал. Изменение импеданса, вызванное нагрузкой колеса, приводит к отражениям, которые поступают на приемник-усилитель, в котором они усиливаются, а затем преобразуются в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Преобразованные и дискретизированные данные обрабатываются программируемой вентильной матрицей, затем эти данные дополнительно обрабатываются компьютером с целью получения необходимой информации о транспортном средстве.
Недостатком известной системы является относительно большая погрешность, выраженная в искажении формы сигнала, обусловленной повышенной чувствительностью систем с рефлектометрией.
Технический результат представляет собой повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками в схеме содержит аналого-цифровой преобразователь, преобразованная информация с которого поступает на микроконтроллер, который обрабатывает и передает информацию на внешнее периферийное устройство, характеризующее тем, что поступивший с пьезоэлектрического датчика сгенерированный заряд проходит через усилитель, преобразующий его в напряжение, напряжение поступает на фильтр нижних частот, пропускающий сигнал ниже заданной частоты, а затем на аналого-цифровой преобразователь, при этом аналого-цифровой преобразователь имеет дифференциальный вход и измеряет напряжение относительно опорного, которое создает источник опорного напряжения, связанный с усилителями заряда и аналого-цифровым преобразователем, при этом сигнал с аналого-цифрового преобразователя поступает на микроконтроллер, обрабатывающий и передающий информацию на внешнее периферийное устройство по последовательному интерфейсу RS-485.
Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками поясняется функциональной схемой – фиг. 1.
Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками представляет собой ударопрочный термопластиковый ABS корпус с креплением для установки на DIN рейку, съемными клеммами с разъёмами для подключения пьезоэлектрических датчиков и источника питания, световыми индикаторами. Внутри корпуса устройства располагается печатная плата, содержащая по крайней мере два измерительных канала подключения 2 для пьезоэлектрических датчиков, каждый из которых оснащен защитой от воздействия статических разрядов 1. Каждый измерительный канал подключения 2 имеет усилитель заряда 3, функционально связанный с переключателем уровня заряда 4. Усилители заряда 3 соединены с фильтрами нижних частот 5, которые связаны с аналого-цифровым преобразователем 6. Аналого-цифровой преобразователь подключен к микроконтроллеру 7, связанному с преобразователем интерфейса RS-485 8. На плате предусмотрен источник опорного напряжения 9, подключенный к усилителям заряда 3 и к АЦП 6. Питание усилителей заряда 3, фильтров нижних частот 5, АЦП 6, микроконтроллера 7, преобразователя интерфейса RS-485 8 и источника опорного напряжения 9 осуществляется от основного источника питания 10 со встроенным DS-DS понижающим преобразователем. Вход источника питания имеет защиту от неправильной полярности и повышенного напряжения 11.
Устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками работает следующим образом.
Устройство предназначено для работы с весоизмерительными пьезоэлектрическими датчиками (скатности), установленными в дорожное полотно, эксплуатируемыми в составе дорожного комплекса весового и габаритного контроля. Конструктивно устройство выполнено в ударопрочном термопластиковом ABS корпусе с креплением, предназначенным для установки на DIN рейку. Устройство устанавливают в шкафу управления, в непосредственной близости к зоне контроля. Для подключения внешних цепей используются съемные клеммы. Подключение пьезоэлектрических датчиков к устройству осуществляют через каналы подключения 2, оснащенные защитой от воздействия статических разрядов 1, необходимой для обеспечения независимого контура тока относительно других контуров. Под воздействием механической нагрузки на пьезоэлектрический датчик, выполняющий роль первичного преобразователя, пьезоэлектрический материал генерирует электрический заряд. Электрический заряд c пьезоэлектрического датчика поступает на усилитель заряда 3, который преобразует его в пропорциональное заряду напряжение. Для работы с разными по уровню зарядами на плате предусмотрены переключатели S1 (канал 1) и S2 (канал 2) 4, предназначенные для установки максимального возможного предела преобразования заряда, который усилитель 3 может преобразовать в напряжение. Напряжение с усилителя заряда 3 поступает на фильтр нижних частот 5, пропускающий сигнал ниже заданной частоты, а затем на аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь 6 имеет дифференциальный вход, который позволяет производить измерение напряжения относительно опорного, что в комбинации с усилителем заряда 3 обеспечивает возможность измерять двухполярный сигнал с пьезоэлектрических датчиков, благодаря чему уменьшается искажение формы сигнала. Опорное напряжение создает источник опорного напряжения 9, подключенный к АЦП 6 и усилителям заряда 3, смещая порог измерения напряжения с нуля на 1,65 В. Данные (информация) с АЦП 6 поступают на микроконтроллер 7, который передает информацию на внешнее периферийное устройство в соответствии с протоколом RS-485, посредством преобразователя интерфейса 8, позволяя увеличить расстояние передачи преобразованной информации до внешнего периферийного устройства, обрабатывающего полученные данные.
Питание усилителей заряда 3, фильтров нижних частот 5, АЦП 6, микроконтроллера 7, преобразователя интерфейса RS-485 8 и источника опорного напряжения 9 осуществляется от основного источника питания 10. Цепи подвода питания устройства изолированы от остальной части схемы с помощью понижающего DC-DC преобразователя, встроенного в основной источник питания 10. Вход источника питания 10 имеет защиту от неправильной полярности и повышенного напряжения 11, обеспечивающей уменьшение помех и искажений сигналов и увеличение степени электробезопасности.
Все признаки заявляемого технического решения в совокупности находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и позволяют создать устройство аналого-цифрового преобразования для работы с пьезоэлектрическими датчиками с более высокой точностью измерения, следствием которой является измерение электрического заряда при механическом воздействии на пьезоэлектрический материал.