CN203949724U - 一种高精度辐射采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度辐射采集装置，包括依次连接的辐射传感器、A/D转换器、控制器，还包括超级电容电路，包括超级电容充电器、稳压器和至少一组充放电电路；所述每组充放电电路由第一光电开关、第二光电开关和超级电容组成，其中外接电源连接超级电容充电器的一端，所述超级电容充电器的另一端连接第一光电开关的一端，第一光电开关的另一端分别连接超级电容的一端、第二光电开关的一端；所述超级电容的另一端连接参考地；所述第二光电开关的另一端连接稳压器；所述稳压器与A/D转换器连接。本装置对外接电源进行隔离，同时对充放电进行切换，达到了电源隔离的效果，极大的减少了电源带来的噪声影响，不存在掉电现象。

Description

一种高精度辐射采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种高精度辐射采集装置，属于辐射检测设备的技术领域。

背景技术

太阳辐射是地球能量的主要来源，它的准确测量是研究太阳辐射的重要手段之一，对农业、气象、太阳能利用、气候预测等都具有重要性的基础性作用和现实意义。因此，如何测量太阳辐射，设计什么结构的仪器，采用哪种探测方法，确定和统一哪些技术标准，一直是人们十分关注的重要问题。辐射测量分为辐射传感器和辐射采集器，其中辐射传感器接收太阳辐射，辐射采集器将辐射传感器采集到的模拟电压信号暗规定的格式转换为在时间和幅度上均量化了的数字量输出，根据比例关系得到辐射值。因此，辐射采集器的精度是辐射测量的关键因素。但随着采集器使用环境和时间的变化，其内部的温度不可避免会发生变化，还会带来电源噪声影响，从而给辐射测量带来误差。因此，需要对采集器进行电源隔离与温度补偿来提高精度。

20世纪60年代末期，数据采集器首次在国外市场上出现，之后的几十年间数据采集器不断扩展到各个领域，包括军事、航空电子设备及宇航技术、工业等。20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已成为一种专门的技术，在辐射、温度，湿度等都能做到较高的精度。国内从80年代开始就对辐射的数据采集有了高度的重视，80年代末到90年代初，我国一些仪器厂家已经研制出多种数据采集器，近几年来一直通过各种方式来努力提高其精度。

标准太阳辐射传感器输出是微伏级电压信号，目前国内用的自动气象站中其辐射传感器的技术指标正在不断提升，其输出电压信号幅度达到20mV，灵敏度达到7~14μV/W/m²，工作温度范围-40~80℃，但是在不同季节和不同地区都存在差异。由于小信号本身非常微弱，甚至会被噪声淹没，造成数据采集设计比较困难，同时对滤波电路和放大电路的也要求较高。对放大电路的设计乃至放大器本身会受到各种因素的干扰导致提升不了指标。要采集小信号,尤其像微伏级的电压,对其放大就需要较高的放大倍数，因此从输入端或中间某个环节进入放大器的干扰信号,也同样被放大，电路放大后,混杂在正常的输出信号中,使得输出信号的质量下降很多,严重影响指标。

因此，目前现有的辐射采集装置存在的缺陷是：

采集器直接对辐射传感器进行采样，精度差，源于电源干扰大，噪声大，导致进入A/D转换器的输入信号已存在干扰，无法消除。如果要降低电源噪声，电源电路将设计的十分复杂，成本太高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种高精度辐射采集装置，利用超级电容电路对外接电源进行隔离，采用光电开关对超级电容充放电进行控制，同时对充放电两种不同的地进行切换，达到了电源隔离的效果，极大的减少了电源带来的噪声影响。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种高精度辐射采集装置，包括依次连接的辐射传感器、A/D转换器、控制器，还包括用于隔离外接电源的超级电容电路，所述超级电容电路包括超级电容充电器、稳压器和至少一组充放电电路；所述每组充放电电路由第一光电开关、第二光电开关和超级电容组成，其中外接电源连接超级电容充电器的一端，所述超级电容充电器的另一端连接第一光电开关的一端，第一光电开关的另一端分别连接超级电容的一端、第二光电开关的一端；所述超级电容的另一端连接参考地；所述第二光电开关的另一端连接稳压器；所述稳压器与A/D转换器连接；所述控制器分别与第一光电开关、第二光电开关相连。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述每组充放电电路还包括第三光电开关和第四光电开关，所述每个超级电容的另一端分别与第三光电开关、第四光电开关的一端连接；所述第三光电开关和第四光电开关的另一端分别连接参考地。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述超级电容电路包括两组充放电电路，所述两组充放电电路之间并联以形成交替隔离和供电。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括数字隔离器，所述数字隔离器的一端连接A/D转换器，数字隔离器的另一端连接控制器。

本实用新型采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本实用新型提供的高精度辐射采集装置，利用超级电容电路对外接电源进行隔离，采用光电开关对超级电容充放电进行控制，同时对充放电两种不同的地进行切换，由于超级电容放电输出的电压没有噪声，实时、准确测量输出的小电压值，且转换效率高、安全系数高，达到了电源隔离的效果，极大的减少了电源带来的噪声影响，提高了精度，延长了使用寿命，降低了成本，降低了功耗，完全满足采集器指标要求。且进一步可以利用两组超级电容可以循环交替持续供电，不存在掉电现象。

附图说明

图1为本实用新型的高精度辐射采集装置的原理图。

图2为本实用新型中超级电容电路的电路图。

图3为本实用新型中控制器芯片引脚图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的实施方式进行描述。

如图1所示，本实用新型设计了一种高精度辐射采集装置，包括依次连接的辐射传感器、A/D转换器、控制器，还包括用于隔离外接电源的超级电容电路，所述超级电容电路包括超级电容充电器、稳压器和至少一组充放电电路；所述每组充放电电路由第一光电开关、第二光电开关和超级电容组成，其中外接电源连接超级电容充电器的一端，所述超级电容充电器的另一端连接第一光电开关的一端，第一光电开关的另一端分别连接超级电容的一端、第二光电开关的一端；所述超级电容的另一端连接参考地；所述第二光电开关的另一端连接稳压器；所述稳压器与A/D转换器连接；所述控制器分别与第一光电开关、第二光电开关相连。由此形成的装置使得A/D转换器由超级电容电路供电，由于超级电容放电输出的电压没有噪声，实时、准确测量输出的小电压值，且转换效率高、安全系数高，达到了电源隔离的效果。

本实用新型的第一实施例如下，以超级电容电路包括一组充放电电路为例，即所述的超级电容电路包括超级电容充电器U1、一个稳压器U2及由第一光电开关S₁、第二光电开关S₂、第一超级电容C₁、组成的充放电电路组成，其中外接电源连接超级电容充电器U1的一端，所述超级电容充电器U1的另一端连接第一光电开关S₁的一端，而第一光电开关S₁的另一端连接分别连接第一超级电容C₁的一端和第二光电开关S₂的一端；所述第一超级电容C₁的另一端接地；所述第二光电开关S₂的另一端连接稳压器；且第一光电开关S₁、第二光电开关S₂分别与控制器I/O端口连接，由控制器进行控制。

进一步地，装置还可以根据情况选择两种不同的参考地，参考地分为第一参考地和第二参考地。每组组充放电电路还包括第三光电开关S₃和第四光电开关S₄，所述第一超级电容C₁的另一端分别与第三光电开关S₃、第四光电开关S₄的一端连接；所述第三光电开关S₃的另一端连接第一参考地，所述超级电容充电器和超级电容电路充电状态所连接的参考地是第一参考地；第四光电开关S₄的另一端连接第二参考地，所述稳压器、A/D转换器和超级电容电路放点状态所连接的参考地是第二参考地。这样做进一步隔离了电源噪声，在输出时没有使用到电源共的地，由此利用两个光电开关用来选择两种不同的参考地。

并且，装置进一步的还包括数字隔离器，所述数字隔离器的一端连接A/D转换器，数字隔离器的另一端连接控制器，通过隔离器将A/D转换器输出的电压值转化成辐射值，消弱环境噪声对测试电路的影响，实现高精度采集。

该实施例的原理为，首先，外接电源选择12V电压连入超级电容电路，超级电容充电器U1将外接电源输入的电压值降到合理范围后输出。然后，用户采用控制器控制第一光电开关S₁闭合，第二光电开关S₂断开，且第三个光电开关S₃闭合使得和第一参考地连接，第四个光电开关S₄断开，即断开第二参考地，此时实现第一超级电容C₁充电进行储能。随后，控制器控制第一光电开关S₁断开，第二光电开关S₂闭合，且第三个光电开关S₄断开即断开第一参考地，第四个光电开关S₃闭合使得和第二参考地连接，而第一超级电容C₁放电供应给A/D转换器，并通过低噪声的稳压器实现超级电容电路对A/D转换器的稳定供电。此时装置的辐射传感器可以正常的执行采集辐射的功能，辐射传感器输出的模拟电压通过灵敏放大器放大，然后由超级电容电路供电的A/D转换器经数字隔离器消除干扰后，将其转化成数字电压值，使得输入信号无电源噪声干扰，控制器将其输出电压值转换为辐射值，并在PC机上显示输出电压值和辐射值，实现辐射采集。

本实用新型的第二实施例如下，以超级电容电路包括两组充放电电路为例，两组充放电电路之间并联，该超级电容电路的电路图如图2所示，即所述的超级电容电路包括超级电容充电器U1、一个稳压器U2、第一光电开关S₁、第二光电开关S₂、第五光电开关S₅、第六光电开关S₆、第一超级电容C₁、第二超级电容C₂，其中由第一光电开关S₁、第二光电开关S₂、第一超级电容C₁组成一组充放电电路，第五光电开关S₅、第六光电开关S₆、第二超级电容C₂组成另一组充放电电路；所述外接电源连接超级电容充电器U1的一端，所述超级电容充电器U1的另一端分别连接第一光电开关S₁的一端和第五光电开关S₅的一端，而第一光电开关S₁的另一端连接分别连接第一超级电容C₁的一端和第二光电开关S₂的一端；所述第一超级电容C₁的另一端接地；第二光电开关S₂的另一端连接稳压器；而第五光电开关S₅的另一端分别连接第二超级电容C₂的一端和第六光电开关S₆的一端，所述第二超级电容C₂的另一端接地，第六光电开关S₆的另一端连接稳压器。其中，四个光电开关分别与控制器I/O端口连接，由控制器进行控制。

进一步地，装置还可以根据情况选择两种不同的参考地，参考地分为第一参考地和第二参考地，两个参考地的原理与第一实施例相同。一组充放电电路还包括第三光电开关S₃和第四光电开关S₄，所述第一超级电容C₁的另一端分别与第三光电开关S₃、第四光电开关S₄的一端连接；所述第三光电开关S₃的另一端连接第一参考地；第四光电开关S₄的另一端连接第二参考地；另外一组充放电电路还包括第七光电开关S₇和第八光电开关S₈所述第二超级电容C₂的另一端分别与第七光电开关S₇和第八光电开关S₈的一端连接；所述第七光电开关S₇的另一端连接第一参考地；第八光电开关S₈的另一端连接第二参考地；由此每组充放电电路利用两个光电开关用来选择两种不同的参考地。

并且，装置进一步的还包括数字隔离器，所述数字隔离器的一端连接A/D转换器，数字隔离器的另一端连接控制器，通过隔离器将A/D转换器输出的电压值转化成辐射值，消弱环境噪声对测试电路的影响，实现高精度采集。

两组充放电电路之间并联，以形成交替隔离和供电，其实施过程如下。

首先，外接电源选择12V电压连入超级电容电路，外接电源选择12V电压连入超级电容电路，超级电容充电器U1将外接电源输入的电压值降到合理范围后输出。然后，用户采用控制器控制第一光电开关S₁、第三光电开关S₃、第六光电开关S₆、第八光电开关S₈闭合，第二光电开关S₂、第四光电开关S₄、第五光电开关S₅、第七光电开关S₇断开，此时实现第一超级电容C₁通过超级电容充电器U1进行充电储能，并且通过第三光电开关S₃选择第一个参考地，而第二超级电容C₂通过第八光电开关S₈选择第二个参考地之后放电，供应给A/D转换器，并通过低噪声的稳压器实现超级电容电路对A/D转换器的稳定供电。此时装置的辐射传感器可以正常的执行采集辐射的功能，辐射传感器输出的模拟电压通过灵敏放大器放大，然后由超级电容电路供电的A/D转换器经数字隔离器消除干扰后，将其转化成数字电压值，使得输入信号无电源噪声干扰，控制器将其输出电压值转换为辐射值，并在PC机上显示输出电压值和辐射值，实现辐射采集。

而当用户采用控制器控制第一光电开关S₁、第三光电开关S₃、第六光电开关S₆和第八光电开关S₈断开，第二光电开关S₂、第四光电开关S₄、第五光电开关S₅、第七光电开关S₇闭合，此时实现第二超级电容C₂充电进行储能，并通过第七光电开关S₇选择第一个参考地；而第一超级电容C₁通过第四光电开关S₄选择第二个参考地之后放电供应给A/D转换器，并通过低噪声的稳压器实现超级电容电路对A/D转换器的稳定供电。此时装置的辐射传感器可以正常的执行采集辐射的功能，辐射传感器输出的模拟电压通过灵敏放大器放大，然后A/D转换器将辐射传感器输出的模拟电压转化成数字电压值，经数字隔离器消除干扰后，控制器再将数字隔离器输出电压值转换为辐射值，并在PC机上显示输出电压值和辐射值，实现辐射采集。

通过上述过程，完成了两组充放电电路之间的循环交替持续供电，不存在掉电现象，且充放电为不同的参考地。在实际的实施过程中，不限于本实施例的两组，可以根据实际需要设定充放电电路的组数，以达到更好的供电效果。

由此，实现了本实用新型的利用超级电容电路对外接电源进行隔离，采用光电开关对超级电容充放电进行控制，同时对充放电两种不同的参考地进行切换，由于超级电容放电输出的电压没有噪声，实时、准确测量输出的小电压值，且转换效率高、安全系数高，达到了电源隔离的效果，极大的减少了电源带来的噪声影响，提高了精度。

在实施时，第一超级电容C₁、第二超级电容C₂采用1.5F、5.5V额定电压的超级电容。

上述的八个光电开关可以采用欧姆龙G3VM-21AR型光电开关，如图2所示，每个光电开关的1脚通过上拉电阻接外接电源，2脚接控制器，3脚和4脚为选通脚，图中R₁至R₈为上拉电阻，R₉与R₁₀为保护电阻。稳压器U2用于低噪声和降压、稳定，可以选用采用线性稳压器ADM7160，具有2.2~5.5V宽输入电压范围，1.1~3.3V的16个固定输出电压，在0.1HZ至10HZ内噪声仅为3μVrms。图2中C₃与C₄为滤波电容。超级电容充电器U1采用凌特的LT3663,图中C₅、C₆、C₇为滤波电容，R₁₁为限流电阻，可以控制输出电流的大小，R₁₂和R₁₃可以控制输出电压的大小，D₁为肖特基二极管，用来整流，L₁为电感，用来阻止电流变化。

而数字隔离器采用ADUM1401型隔离器，信号单向传输，隔离电压高，抗干扰能力强。

对于控制器，为现有技术的硬件模块，可以采用现有的STM8S003F3型控制器，其电路如图3所示，其特点是超低功耗，在低功耗模式下，它的体积微小，接口完善，拥有较强的运算能力，控制器是运用现有的控制器本身所具备简单处理的功能来实现，即利用现有技术中公知的技术接收测量到的模拟信号、将转换成的数字信号获得对应数值和显示，并未对控制器本身作出改进，也未含有特定的方法流程。

本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是现有的硬件模块本身所具有的功能即可实现，并非是对现有技术中的这些模块作出改进。本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种高精度辐射采集装置，包括依次连接的辐射传感器、A/D转换器、控制器，其特征在于：还包括用于隔离外接电源的超级电容电路，所述超级电容电路包括超级电容充电器、稳压器和至少一组充放电电路；所述每组充放电电路由第一光电开关、第二光电开关和超级电容组成，其中外接电源连接超级电容充电器的一端，所述超级电容充电器的另一端连接第一光电开关的一端，第一光电开关的另一端分别连接超级电容的一端、第二光电开关的一端；所述超级电容的另一端连接参考地；所述第二光电开关的另一端连接稳压器；所述稳压器与A/D转换器连接；所述控制器分别与第一光电开关、第二光电开关相连。

2.根据权利要求1所述高精度辐射采集装置，其特征在于：所述每组充放电电路还包括第三光电开关和第四光电开关，所述每个超级电容的另一端分别与第三光电开关、第四光电开关的一端连接；所述第三光电开关和第四光电开关的另一端分别连接参考地。

3.根据权利要求1或2所述高精度辐射采集装置，其特征在于：所述超级电容电路包括两组充放电电路，所述两组充放电电路之间并联以形成交替隔离和供电。

4. 根据权利要求3所述高精度辐射采集装置，其特征在于：还包括数字隔离器，所述数字隔离器的一端连接A/D转换器，数字隔离器的另一端连接控制器。