基于振弦式傳感器的測(cè)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 翟文勝

1、基于振弦式傳感器的測(cè)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 翟文勝    摘 要:為確保監(jiān)測(cè)振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,提出了一種用多周期測(cè)頻的方法,來(lái)實(shí)現(xiàn)振弦式傳感器頻率的測(cè)量. 同時(shí)設(shè)計(jì)出了具體的硬件電路, 系統(tǒng)硬件分為 3 個(gè)模塊單元: 溫度補(bǔ)償電路、測(cè)振電路、激振電路、應(yīng)用AT 89C52 單片機(jī)來(lái)達(dá)到對(duì)多周期測(cè)頻方案的實(shí)現(xiàn)、實(shí)用電路, 該電路具有的特點(diǎn)為: 測(cè)頻范圍寬和測(cè)量精度高等, 并且應(yīng)用 AT89C52 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激振頻率可控的

2、智能化. 測(cè)頻系統(tǒng)思想使硬件電路優(yōu)化, 簡(jiǎn)單, 易實(shí)現(xiàn), 激振可靠、激振頻率可控, 大大降低了溫度對(duì)振弦式傳感器頻率測(cè)量的誤差, 采用了溫度補(bǔ)償, 提高測(cè)量精度. 該電路也可以用于山體滑坡災(zāi)害、泥石流發(fā)生的預(yù)防檢測(cè).關(guān)鍵詞:激振; 測(cè)頻;溫度補(bǔ)償; 振弦式傳感器中圖分類(lèi)號(hào):TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A巖土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜, 很多巖土工程力學(xué)邊值問(wèn)題理論解往往很難得到準(zhǔn)確的測(cè)量, 對(duì)于重要的巖土工程開(kāi)展大量的原型測(cè)量, 以獲得巖土結(jié)構(gòu)實(shí)際的位移值、內(nèi)力

3、及受力. 壓力傳感器是一種常用的測(cè)量元件. 因?yàn)檎裣沂絺鞲衅骷ふ褫敵鲭娦盘?hào)的頻率與被測(cè)參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系, 其屬于頻率敏感型傳感器 1- 2. 此類(lèi)傳感器的最大特點(diǎn)是能夠長(zhǎng)距離傳輸, 傳輸過(guò)程中信號(hào)不失真, 并易于數(shù)字顯示. 它已被廣泛用于國(guó)防、石油開(kāi)采、水利建設(shè)、礦山、土建、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制等方面, 對(duì)扭矩、力、壓力、應(yīng)變、位移、角度和溫度等各種參數(shù)進(jìn)行測(cè)量 3. 振弦式傳感器是稱(chēng)重測(cè)力傳感器. 稱(chēng)重測(cè)力傳感器主要可分為 3 類(lèi): 

4、應(yīng)變力傳感器、石英譜振式力傳感器和振弦式傳感器等. 振弦式傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好. 它輸出為數(shù)字信號(hào), 而數(shù)字信號(hào)能提供很高的測(cè)量精度, 適合長(zhǎng)距離傳輸, 易于和單片機(jī)連接, 有較強(qiáng)的抗干擾性. 因此, 被廣泛應(yīng)用在大壩、橋梁、煤礦等工程安全監(jiān)測(cè)中, 達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控 4. 振弦式傳感器諧振輸出的數(shù)字信號(hào)的頻率與其周?chē)艿膲毫Υ嬖谝欢ǖ膿Q算對(duì)應(yīng)關(guān)系, 振弦式傳感器在研制中, 其主要的參數(shù)包括 A 值、K 值和零頻測(cè)試的平均值

5、. 在安裝設(shè)備時(shí), 這些參數(shù)是必不可少的( 在計(jì)算頻率 f 時(shí)這些參數(shù)參與運(yùn)算, 傳感器輸出頻率的變化反應(yīng)傳感器周?chē)鷰r體的壓力變化, 從而判斷巖體的位移變化) . 圖 1 為系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)圖.1 激振電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出頻率的測(cè)量方法:用一個(gè)占空比可以調(diào)的數(shù)字信號(hào)來(lái)激勵(lì)振弦式傳感器的弦, 即給傳感器里面的線圈充電, 當(dāng)激振信號(hào)和振弦線圈達(dá)到諧振時(shí), 振弦線圈達(dá)到諧振. 振弦起振后, 諧振線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)的頻率稱(chēng)為振弦的固

6、有頻率 3.要使振弦式傳感器輸出頻率信號(hào), 首先要選通激振電路并對(duì)弦給予沖擊激勵(lì), 給其送能量. 選通不同的支路, 就選中傳感器里面不同的弦. 于是就激發(fā)送出不同頻率的正弦信號(hào). 激振電路模塊如圖 2 所示. 由單片機(jī) AT89C52 的 P2. 1 口通過(guò)非門(mén)來(lái)控制三極管的基極電位, 從而來(lái)控制三極管的導(dǎo)通或截止, 即高電平截止, 低電平導(dǎo)通. 接著用高頻變壓器耦合, 產(chǎn)生高壓脈沖. 

7、當(dāng)激振電壓達(dá)到 180 V 時(shí), 選通對(duì)應(yīng)的可控硅. 當(dāng)對(duì)線圈進(jìn)行充電時(shí), 傳感器線圈充放電產(chǎn)生交替變化的磁場(chǎng), 最終轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào)輸出, 其輸出信號(hào)很微弱, 持續(xù)時(shí)間一般不超過(guò) 1 s 屬于毫伏數(shù)量級(jí). 在安裝設(shè)備前, 振弦式傳感器的平均頻率是知道的, 通過(guò)軟件編程,達(dá)到用沖擊脈沖的頻率和平均值相比擬. 從而達(dá)到弦諧振 5. 圖 2 是實(shí)現(xiàn)這種激振的電路原理.2 測(cè)振電路模塊振弦式傳感

8、器選通時(shí), 激勵(lì)和諧振的工作是分開(kāi)進(jìn)行的. 傳感器的感應(yīng)線圈充放電輸出的正弦信號(hào), 信號(hào)幅度很微弱. 隨之對(duì)感應(yīng)出來(lái)的正弦信號(hào)用巴特沃茲濾波放大電路進(jìn)行放大濾波、用施密特觸發(fā)器整形,得到上升沿和下降沿都很陡峭的方波信號(hào).( 1) 放大濾波電路模塊. 由于傳感器激勵(lì)送出的信號(hào)很微弱, 所以必須要經(jīng)過(guò)放大單元電路后才能進(jìn)行處理, 為了防止雜波的干擾, 必須進(jìn)行濾波. 放大濾波電路模塊見(jiàn)圖 3.濾波放大單元電路中的運(yùn)算放大器采用 LM2902 運(yùn)算放大器,

9、60;它具有低漂移、高輸入阻抗、低功耗、輸出 阻抗較低等優(yōu)點(diǎn).( 2) 信號(hào)整形電路單元. 多周期測(cè)量電路模塊, 即單片機(jī)輸入的待測(cè)信號(hào)必須為上升沿和下降沿都很很陡峭數(shù)字信號(hào), 從而對(duì)濾波后的正弦信號(hào)要進(jìn)行整形處理. 選擇采用施密特觸發(fā)器, 從而使單片機(jī)接收到的信號(hào)很標(biāo)準(zhǔn). 以致提高了抗于擾能力.( 3) 等精度( 多周期) 測(cè)頻電路單元. 為了達(dá)到測(cè)量的準(zhǔn)確性, 減小測(cè)量誤差, 應(yīng)該采取最優(yōu)方案: 多周期截取測(cè)量法.

10、0;即把傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)數(shù)字示波器觀察, 觀察其波形的頻譜.其前段的波形不太穩(wěn)定, 后段的波形幅度較小, 噪聲影響太大. 在這兩個(gè)時(shí)間段測(cè)量, 誤差就會(huì)無(wú)形中就會(huì)增大.為了減少誤差, 增加準(zhǔn)確性, 應(yīng)該截取頻譜穩(wěn)定, 即周期穩(wěn)定, 幅度穩(wěn)定的一段周期. 例如截取 50 個(gè)周期進(jìn)行測(cè)量. 這樣誤差就會(huì)降低到最低. 更準(zhǔn)確的測(cè)量出傳感器的激振頻率. 和以前單周期的測(cè)量方法比較, 采樣點(diǎn)更加密集, 會(huì)更加準(zhǔn)確, 對(duì)外界

11、的監(jiān)控更加準(zhǔn)確. 即對(duì)外界的應(yīng)力等監(jiān)控更加實(shí)時(shí)準(zhǔn)確. 外部的巖體對(duì)錨索產(chǎn)生不同的壓力, 從而振弦傳感器輸出信號(hào)的周期和原來(lái)的相比較, 將發(fā)生變化 代入計(jì)算公式, 將計(jì)算出巖體壓力的壓力變化 從而判斷此時(shí)錨索位置處的巖體發(fā)生的變化情況 以致確定巖體的安全性情況多周期測(cè)量的方法 即統(tǒng)計(jì)輸入信號(hào)的多個(gè)周期, 例如 5 個(gè), 再用 5 除以 5 個(gè)周期的統(tǒng)計(jì)時(shí)間, 即求146 河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)

12、版) 2011 年. . .: 0 0 0得 50 個(gè)周期的頻率. 在進(jìn)行編程時(shí), 選用的是匯編語(yǔ)言. 由于匯編語(yǔ)言執(zhí)行速度快, 編譯效率高, 可以減小誤差. 利用多周期測(cè)量法可以減小觸發(fā)誤差對(duì)測(cè)周的影響.當(dāng)單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí), 從單片機(jī)的 RD 引腳讀取外來(lái)整形以后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖. 由于觸發(fā)點(diǎn)計(jì)時(shí)點(diǎn)的選擇, 有誤差(T, 兩相鄰周期是互相抵消的, 例如, 第&#

13、160;1 個(gè)周期 T1, 由于外界因素使 T1減小 T2, 當(dāng)?shù)?#160;2個(gè)周期時(shí), 外界因素使 T2增加 T2. 當(dāng)統(tǒng)計(jì)第 50 個(gè)周期時(shí), 只有第一個(gè)周期開(kāi)始產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 T1和第50 個(gè)周期終了產(chǎn)生的 T2才產(chǎn)生 50 個(gè)周期引起的總誤差 ( T1)2+ ( T2)2, 用這個(gè)值除以 50, 結(jié)果減小了 50 倍.

14、 又因?yàn)橛?jì)數(shù)增加 50 倍. 至此, 由 1 誤差所引起的測(cè)量誤差也減小了 50 倍. 從而比測(cè)量一個(gè)周期得到的頻率值, 更加準(zhǔn)確. 這也是這種創(chuàng)新測(cè)量方法的體現(xiàn).這里可以選擇一定幅度穩(wěn)定信號(hào) 100 個(gè)周期數(shù), 按照上面的步驟來(lái)進(jìn)行, 計(jì)算出來(lái)的精度比單周期法和計(jì)數(shù)法會(huì)更準(zhǔn)確, 精度更高. 所以多周期測(cè)量法目前應(yīng)該是個(gè)比較理想的測(cè)量方法. 也是本文的創(chuàng)新點(diǎn).3 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)打入巖體內(nèi)部錨索,

15、60;把振弦式傳感器安裝在錨索上, 利用本文設(shè)計(jì)的最新的多周期測(cè)頻法, 來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)監(jiān)控巖體內(nèi)部的位移和壓力的變化. 其在安全監(jiān)測(cè)、意外事件的防御和巖體結(jié)構(gòu)工程中扮演著實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用. 此測(cè)頻系統(tǒng)在隧道、煤礦、礦山、地理等監(jiān)控系統(tǒng)中得以應(yīng)用, 實(shí)驗(yàn)證明精度較高且穩(wěn)定. 隨著我國(guó)工業(yè)化的進(jìn)程, 振弦式傳感器的應(yīng)用的前景更加廣闊.參 考 文 獻(xiàn) 1 高 友. 振弦式傳感器測(cè)量過(guò)程中干擾問(wèn)題的解決 J . 儀表技術(shù)與傳感器, 

16、;2007( 6) : 26 38. 2 方佩敏. 新編傳感器原理 應(yīng)用 電路詳解 M . 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 102 115. 3 鄧鐵六. 大量程自激振弦式傳感器及相關(guān)技術(shù) J . 傳感器技術(shù), 2001( 3) : 198 210. 4 劉保有. 鋼弦式傳感器及其應(yīng)用

17、0;M . 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2009: 12 24. 5 李全利. 單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù) M . 北京: 高等教育出版社, 2001: 138 145.Vibrating Wire Sensor Based on Frequency Measurement System DesignZH AI Wen sheng,&#

18、160;REN Xiao kui, XIN Yun xia( Sch ool of El ect roni c and Inform at ion Engineering, Liaoning Techni cal U niversi ty of T el ecomm unicat ions, H&#

19、160;uludao 125105, Chi na)Abstr act: To ensure monit or ing of vibr ating wir e sensor data acquisit ion accur acy, this paper proposes a f requencymeasurement with&

20、#160;a multi cycle appr oach t o achieve vibrating wir e sensor s frequency measurement s. It also designs a specifichar dware cir cuit, and system hardware consisti

21、ng of t hr ee modular units: temperature compensation cir cuit, vibrat ion measurement cir cuit, and excitation circuit. Application of AT89C52 micr ocontroller to achieve

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23、nd measurementpr ecision, and the application of AT 89C52 microcontroller to implement the intelligent control of the excitation frequency. F requency measurement systems thinking to the hardware circuit optimization, simple, easy to im plement,&#