基于振弦式傳感器的測頻系統(tǒng)設(shè)計研究翟文勝

1、基于振弦式傳感器的測頻系統(tǒng)設(shè)計研究 翟文勝摘 要:為確保監(jiān)測振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集的準確性 , 提出了一種用多 周期測頻的方法 , 來實現(xiàn)振弦式傳感器頻率的測量 . 同時設(shè)計出了具體的硬件 電路 , 系統(tǒng)硬件分為 3 個模塊單元 : 溫度補償電路、測振電路、激振電 路、應(yīng)用 AT 89C52 單片機來達到對多周期測頻方案的實現(xiàn)、實用電路 , 該 電路具有的特點為 : 測頻范圍寬和測量精度高等 , 并且應(yīng)用 AT89C52 單片 機來實現(xiàn)對激振頻率可控的智能化 . 測頻系統(tǒng)思想使硬件電路優(yōu)化 , 簡 單, 易實現(xiàn) , 激振可靠、激振頻率可控 , 大大降低了溫度對振弦式傳感器頻 率測量的誤差 , 采

2、用了溫度補償 , 提高測量精度 . 該電路也可以用于山體滑 坡災害、泥石流發(fā)生的預防檢測 .關(guān)鍵詞:激振; 測頻; 溫度補償 ; 振弦式傳感器中圖分類號 :TP216 文獻標志 碼: A 巖土體結(jié)構(gòu)的復雜 , 很多巖土工程力學邊值問題理論解往往很難得到 準確的測量 , 對于重要的巖土工程開展大量的原型測量 , 以獲得巖土結(jié)構(gòu)實 際的位移值、內(nèi)力及受力 . 壓力傳感器是一種常用的測量元件 . 因為振弦式 傳感器激振輸出電信號的頻率與被測參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系 , 其屬于頻率敏感 型傳感器 1- 2. 此類傳感器的最大特點是能夠長距離傳輸 , 傳輸過程中 信號不失真 , 并易于數(shù)字顯示 . 它已被廣

3、泛用于國防、石油開采、水利建 設(shè)、礦山、土建、工業(yè)過程自動控制等方面 , 對扭矩、力、壓力、應(yīng)變、位 移、角度和溫度等各種參數(shù)進行測量 3. 振弦式傳感器是稱重測力傳感 器 . 稱重測力傳感器主要可分為 3 類: 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)點是精度高、穩(wěn)定性好 . 它 輸出為數(shù)字信號 , 而數(shù)字信號能提供很高的測量精度 , 適合長距離傳輸 , 易 于和單片機連接 , 有較強的抗干擾性 . 因此 , 被廣泛應(yīng)用在大壩、橋梁、煤 礦等工程安全監(jiān)測中 , 達到實時監(jiān)控 4. 振弦式傳感器諧振輸出的數(shù)字信 號的頻率與其周圍所受的壓力存在一定的換算對應(yīng)

4、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 值和零頻測試的平均值 . 在安裝設(shè)備 時 , 這些參數(shù)是必不可少的 （ 在計算頻率 f 時這些參數(shù)參與運算 , 傳感 器輸出頻率的變化反應(yīng)傳感器周圍巖體的壓力變化 , 從而判斷巖體的位移變 化 ） . 圖 1 為系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)圖 .1 激振電路模塊實現(xiàn)對傳感器輸出頻率的測量方法 : 用一個占空比可以調(diào)的數(shù) 字信號來激勵振弦式傳感器的弦 , 即給傳感器里面的線圈充電 , 當激振信號 和振弦線圈達到諧振時 , 振弦線圈達到諧振 . 振弦起振后 , 諧振線圈中產(chǎn)生 的感應(yīng)信號的頻率稱為振弦的固有頻率 3.要使振弦式傳感器輸出頻率信號

5、, 首先要選通激振電路并對弦給予沖擊激 勵 , 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 . 激振電路模塊如圖 2 所示 . 由單片 機 AT89C52 的 P2. 1 口通過非門來控制三極管的基極電位 , 從而來控 制三極管的導通或截止 , 即高電平截止 , 低電平導通 . 接著用高頻變壓器耦 合 , 產(chǎn)生高壓脈沖 . 當激振電壓達到 180 V 時, 選通對應(yīng)的可控 硅 . 當對線圈進行充電時 , 傳感器線圈充放電產(chǎn)生交替變化的磁場 , 最終轉(zhuǎn)換成正弦信號輸出 , 其輸出信號很微弱 , 持續(xù)時間一般不超過 1 s 屬于 毫伏數(shù)量級

6、 . 在安裝設(shè)備前 , 振弦式傳感器的平均頻率是知道的 , 通過軟件 編程, 達到用沖擊脈沖的頻率和平均值相比擬 . 從而達到弦諧振 5. 圖 2 是實現(xiàn)這種激振的電路原理 .2 測振電路模塊振弦式傳感器選通時 , 激勵和諧振的工作是分開進行的 . 傳 感器的感應(yīng)線圈充放電輸出的正弦信號 , 信號幅度很微弱 . 隨之對感應(yīng)出來 的正弦信號用巴特沃茲濾波放大電路進行放大濾波、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 .( 1) 放大濾波電路模塊 . 由于傳感器激勵送出的信號很微弱 , 所以必須要 經(jīng)過放大單元電路后才能進行處理 , 為了防止雜波的干擾 , 必須進行濾 波 .

7、 放大濾波電路模塊見圖 3.濾波放大單元電路中的運算放大器采用 LM2902 運算放大器 , 它具有低漂 移、高輸入阻抗、低功耗、輸出 阻抗較低等優(yōu)點 .( 2) 信號整形電路單元 . 多周期測量電路模塊 , 即單片機輸入的待測信號 必須為上升沿和下降沿都很很陡峭數(shù)字信號 , 從而對濾波后的正弦信號要進行 整形處理 . 選擇采用施密特觸發(fā)器 , 從而使單片機接收到的信號很標準 . 以 致提高了抗于擾能力 .噪聲影響太大 . 在這兩個時( 3) 等精度 ( 多周期 ) 測頻電路單元 . 為了達到測量的準確性 , 減小測 量誤差 , 應(yīng)該采取最優(yōu)方案 : 多周期截取測量法 . 即把傳感器輸出的信號

8、通 過數(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 間段測量 , 誤差就會無形中就會增大 .為了減少誤差 , 增加準確性 , 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 個周期進行測量 . 這樣誤差就會降低到最 低 . 更準確的測量出傳感器的激振頻率 . 和以前單周期的測量方法比較 , 采 樣點更加密集 , 會更加準確 , 對外界的監(jiān)控更加準確 . 即對外界的應(yīng)力等監(jiān) 控更加實時準確 . 外部的巖體對錨索產(chǎn)生不同的壓力 , 從而振弦傳感器輸出 信號的周期和原來的相比較 , 將發(fā)生變化 代入計算公式 , 將計算出巖體壓

9、力的壓力變化 從而判斷此時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量的方法 即統(tǒng)計輸入信號的多個周期 , 例 如 5 個 , 再用 5 除以 5 個周期的統(tǒng)計時間 , 即求 146 河南師范大 學學報( 自然科學版 ) 2011 年. .: 0 0 0得 50 個周期的頻率 . 在進行編程時 , 選用的是匯編語 言 . 由于匯編語言執(zhí)行速度快 , 編譯效率高 , 可以減小誤差 . 利用多周期 測量法可以減小觸發(fā)誤差對測周的影響 .當單片機的定時器開始計時 , 從單片機的 RD 引腳讀取外來整形以后的標準 數(shù)字脈沖 . 由于觸發(fā)點計時點的選擇 , 有誤差 (T, 兩相鄰

10、周期是互相抵消 的, 例如 , 第 1 個周期 T1, 由于外界因素使 T1減小 T2, 當?shù)?2 個周期時 , 外界因素使 T2增加 T2. 當統(tǒng)計第 50 個周期時 , 只有第 一個周期開始產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 T1和第 50 個周期終了產(chǎn)生的 T2 才產(chǎn) 生 50 個周期引起的總誤差 ( T1)2+ ( T2)2, 用這個值除以 50, 結(jié) 果減小了 50 倍. 又因為計數(shù)增加 50 倍. 至此 , 由 1 誤差所引起 的測量誤差也減小了 50 倍. 從而比測量一個周期得到的頻率值 , 更加準 確 . 這也是這種創(chuàng)新測量方法的體現(xiàn) .這里可以選擇一定幅度穩(wěn)定信號 100 個周期數(shù) , 按照上面

11、的步驟來進 行, 計算出來的精度比單周期法和計數(shù)法會更準確 , 精度更高 . 所以多周期 測量法目前應(yīng)該是個比較理想的測量方法 . 也是本文的創(chuàng)新點 .3 結(jié)束語通過打入巖體內(nèi)部錨索 , 把振弦式傳感器安裝在錨索上 , 利用本文 設(shè)計的最新的多周期測頻法 , 來實時觀測監(jiān)控巖體內(nèi)部的位移和壓力的變 化 . 其在安全監(jiān)測、意外事件的防御和巖體結(jié)構(gòu)工程中扮演著實時監(jiān)控的作 用 . 此測頻系統(tǒng)在隧道、煤礦、礦山、地理等監(jiān)控系統(tǒng)中得以應(yīng)用 , 實驗證 明精度較高且穩(wěn)定 . 隨著我國工業(yè)化的進程 , 振弦式傳感器的應(yīng)用的前景更 加廣闊.參 考 文 獻 1 高 友. 振弦式傳感器測量過程中干擾問題的解決

12、J . 儀表技術(shù)與傳感器 , 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 M. 北京 :中國鐵道出版社,2009:1224.5 李全利 .單片機原理及應(yīng)用技術(shù) M. 北京 :高等教育出版社,2001:138145.VibratingWireSensor Based onFrequency Measurement System DesignZH AIWen

13、 sheng, REN Xiaokui,XIN Yunxia( Sch oolofEl ectroni c and Informat ionEngineering, Liaoning Techni calUniversi ty of Tel ecomm unications, H uludao125105,China)Abstr act: Toensuremonit or ing of vibrating wir e sensor data acquisit ion accur acy, this paper proposes a f requencymeasurement with a mu

14、lti cycle appr oach t o achieve vibrating wir e sensor s frequency measure ment s. It also designs a specifichar dware cir cuit, and system hardware consisting of t hr ee modular units: tempera ture compensat ion cir cuit, vibrat ion measurement cir cuit, and excitatio n circuit. Application of AT89

15、C52 micr ocontroller to achieve the multi period measur ement of frequency of implement at ion of practica l cir cuits, the circuit has a bit to: wide range of measur ement fr equency and measurementpr ecis ion, and the application of AT 89C52 microcontroller to impl ement the intelligentcontrolof t

16、he excitation frequency. Frequency measurement systems thinking to the hardware circui t optimization, simple, easy to im plement, exciting, reliabl e, cont rollable excitation frequency gr eatly reduces the t emperature of the vibrat ing wire sensors frequency measureme nt err or, usingthe temperatur e compensation to improve the meas