（测试计量技术及仪器专业论文）基于振弦式传感器的智能水位计的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本文通过对振弦式传感器的工作原理的研究以及在硬件系统中的实现，设计 了基于振弦式传感器的智能水位计，主要由下位机系统和上位机监控软件组成， 实现了对水位数据的实时采集、显示、处理。同时，还可以通过串行通信方式将 数据传给计算机，由计算机对数据进行存储、打印。 本文首先介绍振弦式传感器的工作原理，然后根据其工作原理设计系统的硬 件电路和软件。传感器的激振采用硬件扫频激振技术，传感器的测振采用等精度 测频方法。考虑到温度对水位数据的影响，采用i c l 7 1 3 5 积分型a d 转换器实现 温度的测量，从而实现温度的补偿。在硬件设计的基础上，对系统进行了软件设 计，软件部分包括下位机单片机程序的设计和上位机监控软件的设计。最后在硬 件和软件两个方面对整个系统的抗干扰性进行了优化，使得系统具有很好的抗干 扰性。 关键词：智能水位计振弦式传感器扫频激振技术 等精度测频 摘要 a b s t r a c t b yr e a s e r c h i n gt b ep r i n c i p l eo fv i b r a t i n gw i r es e n s o ra n di t s r e a l i z a t i o n ，t h ep a p e ri sd e s i g n e di n t e l l i g e n tw a t e r l e v e lm e t e rb a s e d v i b r t i n gw i r es e n o r ，i ti sm a i n l yc o m p o s e dw i t ht h es y s t e mf o r t h e s l a v ed e v i c ea n dt h ei n s p e c t i o ns o f t w a r er u n n i n go nt h ep c 。t h el e v e l d a t aa r er e a l t i m ea c q u i r e d 、d i s p l a y e d 。a tt h es a m et i m e ，t h em e a s u r e d d a t ac a nb et r a n s m i t t e dt ot h e t h ep ca n dc a nb ep r o c e s s e da n d p r i n t e d 。 f i r s t l y ，t h ep a p e ri ss t u d i e dt h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i n gw i r es e n s o r ， t h e nd e s i g n st h e s y s t e mh a d e w a r ea n d s o f t w a r e a c c o r d i n g t oi t s p r i n c i p l e 。i ti su s e dt oe x c i t ev i b r a t i n gw i r es e s o ru s i n gt e c h n o l o g y o fh a r d w a r es w e e p i n gf r e q u e n c y 。i ti su s e dt o e q u a l l ya c c u r a t e m e a s u r i n gf r e q u e n c y 。c o n s i d e r e dt h ee f f e c t o fw a t e r l e v e ld a t a o f t e m p e r a t u r e ，i c l 7 1 3 5n dc o n v e r t e risu s e dt om e a s u r et h e t e m p e r t u r e ，t o r e a l i z e c o m p e n s a t a t i o no ft e m p e r a t u r e 。b a s e do nt h e h a r d w a r e ，w eh a v ef i n i s h e ds o f i w a r ei nt h es l a v ed e v i c ea n ds u p e r v i s i o n s o f t w a r e0 nt h em a s t e r p c 。f i n a l l y ，b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e w h o l es y s t e mh a v eb e e no p t i m i z e dt om a k et h es y s t e mh a v ee x c e l l e n t i n t e r f e r e n c e i m m u n i t y 。 k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tw a t e r - l e v e l t e c h n o l o g y o f s w e e p i n gf r e q u e n c y t o m e a s u r e m e n t m e t e r ，v i b r a t i n gw i r e s e n s o r ， e x c i t ec o i l ，e q u a l l ya c c u r a t ef r e q u e n c y 摘要 诚信声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进 行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外，本论文中不包括其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者( 签名) ： 李扣月 渺占年弓月西日 河海大学硕研究生学位论文 1 1 背景及研究的意义1 4 2 l 第一章绪论 众所周知，水资源是现代人类的物质基础，水循环是自然界重要的物质循环 和能量流动。为了真正全面了解水资源运动的自然规律，揭示自然界水资源的奥 秘。从保护环境和改造环境的角度出发，开发和利用水资源，以取得生态系统的 最佳平衡。水文科学是随着人类经济活动的发展而逐步被认识和发展起来的。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的发展，遥感遥测技术的引用，一些新理论和 边缘学科的渗透，加之人口膨胀、水资源紧张、环境污染、气候变化，使水文科学 面临着机遇与挑战，特别是近二三十年，国际水文学术活动频繁，我国水文界也开 展了大量的研究工作，促进水文科学发生了深刻的变革和发展，从而使水文学进 入了现代水文学的新阶段。水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一， 是永情信息的重要组成部分，也是防洪调度及洪水预报的重要依据，水位监测是 船闸及大坝安全监测的重要内容。但是目前的水位观测方法精度不高，不能全自 动、实时动态监测，而且水位观测作为水情信息系统的一部分，它们大都独立存 在，不能实时地将水位信息用于船闸、大坝的变形监测系统，并及时地进行安全分 析及洪水的预测调度工作。研究和设计智能型水位计对于水文仪器和水利水文自 动化系统的发展，对予水文科学的发展显得更加重要。 1 2 水位仪器的研究现状及其存在的问题悯叫【艏】 建国五十多年来，随着水利建设和水文事业的发展，水文仪器从无到有，从 摘单到复杂。从常规仪器到应用新技术，经受了历次大洪水的严峻考验，已基本 上满足我国水文测验工作的需要，缩小了与世界发达国家在新技术应用上的差 距。同时，随着计算机、通讯技术的迅猛发展，各种为水利、水文事业服务的自 动化系统也应运而生，日渐成熟，水利水文自动化系统的建立为卓有成效地开展 防汛、抗旱、减灾工作，充分发挥水利工程措施地效益，合理利用与保护水资源， 打下了扎实的基础。不言而喻，水文仪器的研制、水利水文自动化系统的建设在 水利建设乃至整个国民经济建设中起着重要且不可替代的作用。 水利建设乃至整个国民经济建设中起着重要且不可替代的作用。 河海大学硕士研究生学位论文 其中，测量水位的仪器一一水位计从无到有，从简单到复杂，从常规仪器到 应用新技术，经历一个发展过程。从人工观测水尺到浮子式、压力式、超声波、 非接触式水位计：每一种水位计都其优点和缺点。 ( 1 ) 水尺。用于人工观读水位数据，是一切水位测量的基准。一个水位测 量点的水位近似真值都是依靠人工观读水尺取得的，所有其他水位仪器的水位校 核都以水尺读数为依据。水尺受外界因素影响很大，比如：风浪、环境、光线等， 所以测量存在很大误差，而且人工观读费时费力。 ( 2 ) 浮子式水位计。利用浮子感应水位的水位计。浮子式水位计是目前使 用最多的水位计。浮子式水位计的工作原理是用浮子感应水位。浮子漂浮在水位 井内，随水位升降而升降。浮子上的悬索绕过水位轮悬挂一平衡锤，由平衡锤自 动控制悬索的位移和张紧。悬索在水位升降时带动水位轮旋转，从而将水位的升 降转换为水位轮的旋转，再传给水位记录或编码输出。 浮子式水位计记录方式绝大多数是采用再记录纸上模拟划线记录方式，所记 录的数据不能用自动化方法处理。其结构可以分为水位感应、水位传动、水位记 录三部分，加上外壳或安装基座构成完整的仪器。浮子式水位计的水位测量误差 主要来源于水位感应系统误差、水位传动系统误差和水位记录系统误差。浮子式 水位计测量系统安装比较麻烦，存在比较大误差，所以逐渐被遥测水位计所替代。 ( 3 ) 遥测水位计。2 0 世纪7 0 年代以来，随着微电子技术特别是传感器技 术的发展，出现了各种各样的遥测水位计，其中有电阻式、电感式、电容式、刚 弦式等多种。遥测水位计一般可利用便携式数字仪表测量或自动采集测量记录水 位数据。自动水位仪是一种高智能化的仪器，内部设有微处理器，能将被测物理 量转换成数字信号，可长年自动检测江、海、湖、河及水库水位。特别是在汛期， 可任意设定采样时间间隔，在无人值守情况下，昼夜连续自动打印记录水位值。 遥测和自动记录的接收仪表设置在观测站，将埋入地下或管路中的电缆与现场安 装的传感器相连接，自动测量和处理计算水位数据，必要时可采用光纤、微波或 卫星等方式远距离传输水位数据。 ( 4 ) 超声波式水位计。超声波水位计是一种把声学技术和电子技术相结合 的水位测量仪器。随着新技术的发展，超声波式水位计日趋受到人们的重视。 ( 5 ) 压阻式压力水位计和电容式水位计如果长时间工作，存在一定的零点 2 河海大学硕士研究生学位论文 漂移和灵敏度漂移，所以并不很受工程人员的欢迎。 而振弦式水位计具有以下几个优点： 振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强； 测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好； 其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口。 因而，振弦式水位计在水文测验和大坝安全检测系统越来越受到广泛的应 用。目前市场上的振弦式水位计存在起振慢、效果差，且输出信号不稳定等弱点。 所以本课题针对振弦式水位计的上述弱点，综合应用国内外在这一领域的先进成 果，研究设计了智能型振弦式水位计。 1 3 本课题的主要工作 根据振弦式传感器的工作原理传感器敏感部分所受的压力与传感器的 固有频率成一定的函数关系，设计的一种智能型振弦式水位计。吸收了国内外最 新智能化仪表的设计经验，采用工业控制单片机，集水位采集、存储、显示及远 程联网于一体，具有高精度、高可靠、多功能、智能化等特点。其研究工作主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了基于该类型传感器的 智能型水位计系统的设计恩想。 ( 2 ) 根据系统的设计思想，研制了系统的硬件，包括测量电路的设计、元 器件的选型和硬件各模块的调制等，该系统不仅适合水位监测，同时还适用于各 类弦式仪器的测量。 ( 3 ) 采用c 语言和面向对象的编程语言编制了系统的软件，包括测量、控 制软件和上位机管理软件。 ( 4 ) 完成了系统样机的研制生产、调试和校准，并经过现场测试。结果表 明，该系统性能稳定，满足设计要求，达到了预期目的。 河海大学硕士研究生学位论文 第二章振弦式传感器的原理 振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与 分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与 微机接口，因而在土木、水利、矿山等领域得得广泛运用。 2 1 振弦式传感器的基本原理f 】【惦l 图2 1 为传感器的原理图。图中2 1 为一根拉紧的金属丝，这根金属丝在 振弦式传感器中称为振弦，它放置在永久磁铁3 形成的磁场内，振弦的一端固定 在支承1 中，而另一端与传感器运动部分4 相联。 图2 一l 撮弦藏传感器原理圈 1 一吏承暑一振弦 3 一永久磁铁4 _ 运动部分 振弦放置在磁场中，用一定方式对振弦加以激振后，振弦将会发生共振，共 振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可以在拾振线圈中感应出电势u ， 感应电势u 的频率就是振弦的共振频率，根据力学原理，测量出感应电势的频率 就得到振弦的频率，从而求出待钡4 物理量( 水位) 。 振弦式传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属弦和电路部分所组成。金属 弦承受着压力，并且根据不同的压力大小和弦的不同长度有着不同的固有振动频率。 因此改变压力的大小可以得到相应的振弦固有振动频率的变化。振弦的固有振动频率 可由下式计算得到： ，。三阿土悼 ( 2 1 ) 。 2 f v p 卫vp 振弦有很高的品质因素。它可以等效为一个并联的l c 回路。由于振弦的高q 值， 4 河海大学硕士研究生学位论文 电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。因此，电路的输出信号频率就 严格的控制在振弦的固有振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过测量 输出信号的频率来测量力，或者压力，形变等。 图2 2 振弦式传感器电原理图 图2 2 中的r 1 、r 2 和场效应管组成 负反馈网络，起着控制起振条件和振荡 幅度的作用，而r 1 、r 5 、v 和c 支路控 制场效应管的栅极电压，作为稳定输出 信号幅值之用。 振弦在电路中可以等效为一个并 联的l c 回路。一根有效长度为，的振弦 在磁感应强度为b 的磁场中振动时，振 弦上有感应电动势产生。此时，振弦所 感受的力为 f b l e i ( 2 2 ) 它可以分为两部分：一部分e 用来克服弦的质量m 的惯性，使它获得运动速度n 另一部分e 用来克服振弦作为一个横向弹性元件的弹性力。据此，可以写出 e m 跏t 玎等 ( 2 _ 3 ) ，。岸岛 j i n 式中，。对应于力c 的电流。感应电动势e 等于 ( 2 4 ) e ；拼。y 。堕附 ( 2 5 ) m ， 由上式可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，其等效电容为 c 罢 b 2 f 。2 ( 2 6 ) 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变位6 ，它的弹性力为 兄-吨6(2-7) 一一一塑童奎兰堡主竺塑竺兰垡笙塞 式中 k - - 振弦的横向刚度系数。从 v = 警胪b l 胛e ；b i 屯 ( 2 - 8 ) 可得 e ；彤。堕d t - 堕k 盟d c 一旦芏k 盟d t ( 2 9 ) c一 。， 式中 i 。对应于力e 的电流。 由上式可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，其等效电感为 上。肇( 2 - - 1 0 ) 振弦上流过的电流i = i 。+ i l 。于是，弦的振动频率就可以按一般l c 回路来计算，它等 于 一肠= 撅 ( 2 - 1 1 ) 可以看到，这个结果与从二阶系统求得的结果是一致的。 振弦的横向刚度系数与弦的张力t 的关系为 k ( 2 1 2 ) 代入式( 2 - - 1 2 ) ，则弦的振动频率可以写成 ，* 丢弦 ( z 讪) 式( 2 - - 1 3 ) 可以换算成下式 ，= 击厉一言愕( 2 - - 1 4 ， 式中一弦内的机械应力， p 弓玄的材料密度， 萨弓玄材料的弹性模量， c 一一弦的应变。 由上式可以看出，当传感器制造成功之后，所用的振弦材料和振弦的直径有 效长度均为不变量。振弦的自振频率只与振弦所受的张力有关。因此，张力和频 率f 的关系式可表示为： f x ( f ：一f ：、+ a ( 2 - - 1 5 ) 河海大学硕士研究生学位论文 振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦( 一般称为振弦) 。常用弹性弹簧 钢、马氏不锈钢或钨钢制成。由于振弦式传感器安装在大坝、矿山等周围环境比 较恶劣的工业现场，环境温度变化比较大，振弦的自身特性受环境的影响，振弦 的长度随环境的温度的变化而变化，从而传感器的灵敏度也发生变化，所以在实 际应用中，传感器应加上温度的修正。所以 在实际应用中的振弦式传感器的关系式为： 只2 七+ ( r e ) + 64 ( 五一r o ) + b ( 2 16 ) 曩2 2 1 0 0 0 ( 2 1 7 ) 其中只一校准点压力值k p a ； k 一灵敏度系数( k p a f ) ； 互一受压模数( f ) ； f o 一0 点模数( f ) ： 一共振频率 b 一温度修正系数； i 测量温度； 瓦一初始温度； b 一计算修正值 2 2 振弦式传感器的类型1 1 5 1 振弦式传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。按不同激振方式可 将振弦式传感器分为：单线圈间歇激振型传感器：二线制双线圈的振弦式传感器。 2 2 1 双线圈型振弦式传感器 这种传感器己广泛应用在工程中，其工作原理如图2 3 所示 7 河海大学硕士研究生学位论文 p 一袋匕建， a !占 避 哑卫 性 筏 一 由于双线圈型传感器，弦长最短为5 0 m ，不利于传感器的小型化，且双线 圈易产生倍频干扰，使传感器不能正常工作，为削减倍频，产生可靠的基频振动， 必需增加弦长，使传感器体积很大。由此可见：利用双线圈型振弦传感器实现传 感器的小型化并达到较高的综合精度是不可能的，而且还易产生倍频干扰。 2 2 2 单线圈型振弦式传感器 单线圈型振弦式传感器工作原理如图2 4 所示： 圉2 4 双线圈搌弦式传感籍 单线圈型传感器只有一个线圈放在弦的中部，因此最短弦长可为1 0 m m ，可 实现压力传感器的小型化：同时，作用力施于弦的中部，有利于基频起振，无倍 频干扰。从根本上克服了双线圈的两个缺点：对于各种弦长，不同线圈的单线圈 振弦传感器，激发放大电路具有通用性。只要差分放大电路增益足够高，即可获 得稳定的基频振动，振动频率与连接电缆长短基本无关：且各激发电路可以互换 使用：传感器的结构比双线圈更简单，价格低廉。 8 河海大学硕士研究生学位论文 由此可见，单线圈振弦式传感器克服已有振弦式传感器的缺点，是一种比较 理想的振弦式传感器。在大坝安全监测中，所需测点多、分布广，单线圈的小型 化和远距离传输等特点更能满足要求。该测试系统要求不仅适用水位监测，同时 还要适用于弦式的应变计、位移计、渗压计等，因此，激发电路应具有通用性， 将大大降低监测系统的成本。 本系统采用单线圈间歇激振型传感器，激振和拾振共用一组线圈，结构简单。 当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动振弦，振弦被起振后产 生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线在磁芯输出端产生衰减的正弦波。接收仪表 测出此正弦波的频率即为振弦此刻的自振频率。 2 3 振弦的激发1 7 】 为了测量出振弦的固有频率，0 ，必须设法激发弦振动，激发弦振动的方式 一般有两种。 2 3 1 电磁法激振 当传感器与测量电路相连接，如果电路接通时，就会有一个初始电脉冲流经 振弦。振弦在磁场中，将受一垂直于磁力线的作用力，从而激发起振弦的运动。 1 厅r 根据振动学中力平衡方程可导出振弦振动的频率亦为f 一砉，f 卫，也就是说在 出v 仉 振弦中通以一窄脉冲电流后，位于磁场中的振弦能够产生一频率等于弦固有频率 的周期运动( 自振) ，只不过其振幄及其初始相角将由电脉冲的幅值，通电时刻 来决定。 振弦在空气中，由于阻尼作用，自振将逐渐衰减，这就不便于测量，因此必 须给予能量补充才能保持一种持续等幅振动。给振弦不断补充能量的方式，可以 用电流法或电磁法。 这种方法在振弦中无电流通过。用两组电磁线圈，一组用来连续激励振弦的 激励线圈，另一组是用来接受信号的感应线圈。测量时传感器与测量线路相联， 一旦电流接通，吸引绕在振弦上的铁片，从而引起振动。与此同时，接受线圈内 侧产生感应电势。经放大后的一部分信号又正好反馈激励线圈，使振弦维持连续 9 河海大学硕士研究生学位论文 振动( 见图2 5 ) 。 电磁法既可以连续测量被测对象的变化量，而又不需要绝缘，但由于须使用 两组线圈，因此结构尺寸较大。 国2 5电磁法激振示意图 2 3 2 间歇激励法 1 5 5 2 3 1 5 4 ( a ) ( b ) 囤2 6 间歇激振示意图 1 一报弦2 一电磁铁3 泳久磁铁 4 一电磁装置5 一纯铁片 如图2 6 中，如果在振弦1 中装上一小片纯铁，旁边放置电磁铁2 ，当 电磁铁的线圈通入一脉冲电流时，电磁铁通过纯铁片5 吸引振弦，当电流断开 时，电磁铁失去吸引力释放振弦，于是振弦产生振动，振动的频率即为振弦的 固有频率，0 。 在振弦的旁边还放置一个绕有线圈的永久磁铁3 ，当振弦振动时，装在弦上 的另一纯铁片与永久磁铁3 的位置周期性的变化，从而使绕在永久磁铁上的线圈 感应出交变电势，由线圈两端输入测量电路，感应电势的频率即为振弦的固有频 率。则由输出电势的频率测得振弦的固有振动频率。 要维持振弦持续振动，应不断地激发振弦。即电磁铁每隔一定时间通过一次 脉冲电流，使电磁铁定时地吸引振弦，故须在电磁铁的线圈中通以一定周期的脉 冲电流。 由上所述，电磁铁2 的作用是激发弦振动，电磁铁3 是把弦振动频率变换为 感应电势的频率并输出给测量电路。这种间歇的激发方法，由于振弦在振动过程 中的振幅衰减，因此输出电势的幅值也将周期性地衰减。但是测量电路中主要测 l o 河海大学硕士研究生学位论文 量电势的频率，而不是幅值，因此不影响频率的测量。 在实际应用中，往往把电磁铁2 和绕有感应线圈的磁铁3 合并为一个电磁装 置4 ，u 形磁铁上绕有一个电磁线圈，当线圈中未通电流时。永久磁铁不吸引振 弦，当线圈通以一脉冲电流时，永久磁铁的磁性大大增强，从而吸引振弦；当脉 冲电流消失后，振弦被释放。这样一吸一放，振弦不断振动，其产生的感应电势 使从该电磁线圈中输出。 这种间歇激振电路较为复杂，并且要使用电磁继电器，电磁继电器的体积大， 功耗大，机械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大，并且调节不 能在线自动实现，从而使振弦起振有时较困难。为解决这些问题，作者把扫频技 术和函数发生器i c l 8 0 3 8 应用于单线圈振弦式传感器的激振，采用一种基于 i c l 8 0 3 8 的扫频激振技术的激振方法很好的解决用电磁继电器激振所出现地问 题。 i i 河海大学硕士研究生学位论文 第三章硬件电路与设计 一般来说，监测仪器的硬件组成包括：模拟信号输入部分、信号处理部分、通 讯部分和人机交互部分。但每一部分的具体实现方法应结合仪器所需完成的功 能、成本及相关技术的发展与成熟程度等因素综合考虑。 本监测仪器主要对振弦式传感器的频率、温度进行在线监测。对水位的观测 是一个长期的过程，用户通过上位机与测量单元通讯，根据具体情况对不同坝段 的不同测点按巡测、点测或设置时间等方式进行测量。测量结果可以传回上位机， 也可以存储在大容量的存储器中。测量单元带有l c d 液晶显示，方便显示测量 结果。由于测量单元多在潮湿的环境下工作，因此对系统的硬件长期运行的稳定 性、系统掉电后数据可长期保存有较高的要求，但对系统并不要求很高的处理速 度。 根据以上系统所需完成的功能和特点，本监测系统选用a t 8 9 c 5 2 单片机作 为系统的核心。系统主要分为：信号采集部分( 包括激振电路、放大整形电路) 、通 讯部分、人机交互部分。下面分别进行阐述。测量单元硬件框图如图3 - 1 所示嗍圆。 图3 一l 测量单元硬件结构图 3 1 扫频激振电路部分的硬件设计 3 1 i扫频激振的原理及硬件电路 3 8 】 扫频激振技术，就是用一串连续的频率信号扫描输出去激励振弦传感器的激 振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态， 可靠起振，振弦起振后，它在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频率。 河海大学硕士研究生学位论文 由于激励信号的频率是容易用软件方便控制的，所以只要知道振弦固有频率的大 致范围( 一般来说，对一种己知的传感器其固有频率的大致范围是确定的) ，就 用这个频率附近的激励信号去激发它，它就能使振弦很快起振。图3 2 为扫频 激振的硬件电路。 图3 2扫频激振的硬件组成 通过单片机和d a 转换芯片产生一锯齿波电压信号，经过加法电路然后送入 标准函数信号发生器i c l 8 0 3 8 ，使它产生相应的标准频率的扫频方波，用这个信 号来激振振弦传感器，当送入的方波信号频率和传感器的频率相接近时，振弦能 迅速达到共振状态，可靠起振。振弦起振后，它在线圈中产生的感应电势的频率即 是振弦的固有频率。 扫频激振电路主要由d a 转换电路、运算电路、由芯片i c l 8 0 3 8 组成的压控 振荡( v c o ) 电路等三个部分组成，其中v c o 电路是关键部分。如果要使芯片 i c l 8 0 3 8 产生频率范围( 4 0 0 h z 4 5 0 0 h z ) 的扫频方波信号，必须向芯片i c l 8 0 3 8 送入电压范围为( 2 4 5 v ) 的电压信号。要获得电压范围为( 2 2 5 v ) 的电压 信号，首先通过单片机和d a 转换芯片产生电压范围为( o 2 5 v ) 的锯齿波电 压信号，然后通过加法电路来得到。 3 1 2 由芯片i c l 8 0 3 8 组成的v c o 电路嘲 3 1 2 1 芯片i c i 8 0 3 8 的工作原理 函数发生器i c l 8 0 3 8 是性能优良的集成函数发生器，可用单电源供电，也 河海大学硕士研究生学位论文 可双电源供电( 5 v 1 5 v ) ，常用作波形发生器、模拟信号源。函数发生器 i c l 8 0 3 8 只需外结少量外部元件就能够产生高精度的正弦波、方波、三角波、锯 齿波和脉冲波。选择不同的外部电阻或电容，可得到0 0 0 1 h z 到3 0 0 k h z 内的任 何频率、占空比范围为2 到9 8 的信号。 i c l 8 0 3 8 内部采用肖特基势垒二极管和薄膜电阻，使用先进的单片集成技术 制造，因此其输出信号可以在很大的温度范围和电源变化范围内保持稳定，其正 弦波输出信号的失真率可低到1 ，三角波输出信号的线性失真可低到0 1 ， i c l 8 0 3 8 的温度漂移可低于2 5 0 p p m ( 每度2 5 0 百万分之一) 。 i c l 8 0 3 8 图3 3i c l 8 0 3 8 管脚图 3 1 2 2 电源控制 引脚( 4 ) 和引脚( 5 ) 为占空比和频率调整端； 引脚( 6 ) 为正电源输入端： 引脚( 7 ) 频率调整偏置电压的输出口，可输出一 个与电源电压成比例的偏置信号； 引脚( 9 ) 为方波、脉冲波输出口： 引脚( 1 0 ) 为定时电容的接入口； 引脚( 1 1 ) 为负电源引入端，使用单电源势，此 端接地。 波形发生器i c l 8 0 3 8 既可按电压为l o 3 0 v 范围的单电源，也可以接土5 1 5 v 范围的双电源。接单电源时，输出三角波和正弦波的平均线( 中间轴线) 的电平正好是电源电压的一半，输出方波的高电平为电源电压，低电平为地。 接电压对称的双电源时，所有输出波形都以地( o 电平) 对称摆动。在本系统中 采用电压为5 v 的双电源，输出波形以地( 0 电平) 对称摆动。 3 1 2 3 调频和扫频 函数发生器i c l 8 0 3 8 还可以接成扫频信号发生器。为了获得占空比为5 0 的 扫频方波信号，必须满足r a = r b 。由于函数发生器i c l 8 0 3 8 的频率与其引脚8 处 的直流电压成正比，所以改变引脚8 处的直流电压就可以改变i c l 8 0 3 8 的输出频 率。对于大范围的频率改变或扫频，可采用如图3 4 所示的接法，调制电压加 在正电源与引脚7 之间。在这种方式下，可以产生较大的频率扫描范围。其输出 频率公式为 1 4 河海大学硕士研究生学位论文 厂。剿。上。! 。 畋一一) r a c 1 + 鱼 ( 3 1 ) 2 r 。一r 。 其中v 为引脚8 处的扫描电盔，哎、v 分别为正负电源的电压，引脚8 处 的电位_ 变化到；帆一_ ) 一2 。 图3 4i c l 8 0 3 8 扫频信号发生器 当引脚( 7 ) 接( ( ；以一_ ) 一凹_ ) v + ) 之间变化的电压，则引脚( 9 ) 输出 与电压相应变化的扫频方波信号。 4 主要电阻和电容的选择 从产生的方波信号的稳定性方面考虑，电容c 的值越大越好，因此电容c 取0 ，l u f 。又由于一般的单线圈振弦式传感器的固有频率范围为4 0 0 4 5 0 0 h z 之 间，即，瞰- 4 5 0 0 h z ，氏4 0 0 h z 根据芯片i c l 8 0 3 8 的特点，引脚( 7 ) 应接( 2 4 5 v ) 的直流电压， 即 。一4 5 1 ，；2 1 。 根据式( 3 - - 1 ) 求得r a 和r b 。 为了减小正弦波的失真，接在引脚1 2 和引脚1 1 之间的8 2 k q 电阻最好是可 调的。通过细调这一电阻，可使正弦波失真小于1 。 3 1 3扫频频率范围自动切换的实现跚 一般的单线圈振弦式传感器的固有频率范霭为4 0 0 4 5 0 0 h z 之间，根据前面 叙述的工作原理，其输出频率随着所受应力的变化而变化。如果扫频方波信号的 河海大学硕士研究生学位论文 频率范围为4 0 0 4 5 0 0 h z ，需要的扫频时间长，激振效果差，可控性差。为了减 少扫频时间，根据不同的输出频率范围采用不同频段的扫频方波信号，实现扫频 信号频段范围的自动切换。根据传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的频 率测量值，d a 转换芯片产生不同电压范围的锯齿波信号，经过加法电路加到扫 频信号发生器i c l 8 0 3 8 ，使其产生与被测信号输出频率相近( 考虑一定的余度) 的 扫频信号( 参照图3 2 ) 。这种方法激振频率很有针对性，可控性好。特别是可 以根据振弦固有频率的变化自动改变激振信号的频率，而改变激振频率是通过软 件实现的，这是扫频激振方法的突出优点。另外，所需硬件电路简单，功耗小，成本 低。 3 2振弦式传感器的测振电路 振弦式传感器是频率型传感器，该线圈既是激振线圈又是拾振线圈，本文采 用的是单线圈振弦传感器，激振和拾振分时进行。在振弦振起来以后，撤去激振 信号，被激励的振弦产生共振，通过感应线圈将其转换成正弦信号输出，其输出 是毫伏级信号，且是衰减的，持续时间一般不超过1 秒。所以必须设计频率信号 调理电路，对感应出来的正弦信号进行滤波放大、整形，得至i 标准的方波信号。 其频率信号调理电路的原理方框图如图3 5 ： 方波 输入 图3 5振弦式传感器测振电路原理框图 3 2 i 滤波放大部分1 8 1 1 9 1m 1 由于输出的正弦电压信号是毫伏级信号，所以必须放大后才能进行测量和处 理，同时其频率范围为4 0 0 h z 4 0 0 0 h z ，信号放大后必须进行滤波。本系统采用 有源低通滤波电路来实现信号的滤波放大。 有源滤波电路一般由r c 网络和集成运放组成，由集成运算放大器和r c 网络 组成的有源滤波电路有很多优点比如，有源滤波电路中的集成运放可以加入电 压串联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗低，输入与输出之间具有良好的隔离， 河海大学硕士研究生学位论文 因此只要将几个滤波电路串接起来，就可以得到了高阶滤波电路另外除了起滤 波作用外，运放还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。图3 6 a 为有源低 通滤波器的幅频特性曲线示意图 蝴 i 。入 - 3 d b k ( 8 ) 图3 - - 6 a 一阶低通滤波器的幅频特性陲q a - s b 一阶低通滤波电路 图3 - - 6 b 所示为反相输入一阶低通滤波电路，其通带放大倍数 一鲁 妈1 ， 电路的传递函数 删一军。一鲁志 c s 吲 j wi r f 弋s ，令，o - 云五1 五，得出电压放大倍数 小每 沪4 ) 通带截止频率 - ，o 。 滤波放大部分中的运算放大器采用a d 7 0 6 运算放大器，a d 7 0 6 微安级输入 电流的双极型运算放大器是美国a d 公司产品之一。它具有低功耗、低漂移、高 输入阻抗、交流与直流特性优异等一系列优点。它具有双极型场效应晶体管 ( b i f e t ) 的输入级。因此，具有输入阻抗高、输入失调电压低、输入偏置电流 河海大学硕士研究生学位论文 使输入偏置电流达到了微伏级的水平，使它既具有b i f e t 与双极型运算放大器 的许多优点，又克服了全温度范围内偏置电流( i b ) 漂移大的缺陷。在全温度范 围内，它的i b 典型值仅增长5 倍，而一般b i f e t 运算放大器i b 要增长1 0 0 0 倍。 由于采用超b 双极型技术，a d 7 0 6 的失调电压达到微安级，并且还具有精密双 极型运算放大器的低噪声特性。与o p 0 7 相比，输入失调电压仅为o p 0 7 的1 2 0 ， 最大输入偏置电流仅为o p 0 7 的1 1 5 ，温度漂移值为o p 0 7 的1 ，2 。由于是b i f e t 输入级，因此，信号远阻抗可以比o p 0 7 高得多，而它的直流精度却保持不变。 a d 7 0 6 具有上述的众多优异特性，因此，它特别适合于作数据采集系统中 的有源滤波器、精密仪表放大器、高质量的积分器与高输入阻抗的放大器等。 3 2 2信号整形部分 8 1 1 9 1 w r l 等精度测量模块输入的待测信号必须为脉冲信号，而滤波放大后的信号为正 弦波信号，所以信号需要进行整形调理。在本系统中采用迟滞比较器，其目的是 为了提高抗干扰能力。 3 2 2 1 迟滞比较器的原理 在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出 电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单 限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。迟滞比较器具有滞回特性，即具有惯性， 因而也就具有一定的抗干扰能力。 在实际应用中，利用迟滞特性可以有效地克服噪声和干扰地影响。例如，在 过零检测器中，若输入正弦电压上叠加噪声和干扰，则由于零值附近多次过零。 输出端就会出现错误阶跃，如图3 7 所示。 采用迟滞比较器，只要噪声和干扰地大小处在迟滞宽度内，就不会引起错误 地阶跃。 河海大学硕士研究生学位论文 蜥 + d 一 图3 7 输入电压受干扰时比较器的工作情况 ( a ) 单限比较器( b ) 滞回比较器 3 2 2 2 迟滞比较器中的正反馈 迟滞比较器具有一个特点是集成运放并非像单限比较器那样工作在开环状 态，而是引入了正反馈，从而工作在非线性区。因为实际的集成运放其开环电压 放大倍数a o d 不是无穷大，所以只有当净输人电压( v + 一v _ ) 足够大时，才能使 输出电压达至i ( u o h - - u o o ，在输出电压由u o h 下跃到u o l 或由u o l 上跃到u o h 的过程中，运放内部晶体管从截止变为饱和导通或从饱和导通变为到截止的过程 中，随着u 1 的变化，将经过线性工作区，并且需要一定的时间。滞回比较器引 入了正反馈，就能加快状态转变的过程，缩短状态转换的时间，最终使得电路几 乎不存在线性工作区。比如，当u 1 由小增大地通过v + 时刻，集成运放v + = v - ， u l 的的进一步增大，使输出上升并将会发生下述正反馈过程： “i 十呻h o 十斗“1 l j o 十十一 这个正反馈过程使得输出电压由u o h 下跃到u o l 。是否引人了正反馈是区别 滞回比较器电路和运算电路的一个重要标志。 应当指出，在分析电压比较器工作原理时，为简便起见，均将其中的集成 运放视为理想运放。 河海大学硕士研究生学位论文 为了防止微小的变化影响脉冲的计数，本系统采用迟滞比较器作为信号的 脉冲整形电路。其中u o h 采用逻辑高电平，u o l 采用逻辑低电平。其电路组成如 图3 8 所示： 图3 8 迟滞比较器电路图 3 2 3等精度测频电路翻o l 奠i f 蠹号 由于振弦的共振频率范围为4 0 0 - - 4 5 0 0 i - i z ，设计测量的分辨率为0 1 i - i z ，测量精 度为0 2 h z 。传感器输出的频率信号，此频率信号的稳定持续时间是有限的，必须 在共振信号衰减到不至于影响测频前完成测量任务，因而，必须找到一种适当的测 频方法。本系统采用等精度测频法来实现。 3 2 3 1 等精度测频法的原理 等精度测频法又叫多周期同步测量法，即测量输入信号的多个( 整数个) 周 期值，再进行倒数运算而求得频率。与直接测量法相比其优点是，可在整个测频 范围内获得同样高的测试精度和分辨率。其原理方框图如图3 9 所示 f x 为输入信号频率，f c 为时钟脉冲的频率。a 、b 两个计数器( 分别称之为事 件计数器和时间计数器) 在同一闸门时间t 内分别对f c 和f x 进行计数，计数器 a 的计数值为n a = f x t ，计数器b 的计数值为n b = f c t 。由于n m f x = n d f c = t ， 则被测频率f x 和周期t x 分别为： f x 。警f c d a 2 0 ( 3 5 ) 河海大学硕士研究生学位论文 m s 9 a等精度测频瘴理方框图 辫0 一一厂 一一脒渖p 。 一 糯劣i l l l l l 燃l l l 雌雌l l l 良一 圈3 。暑| b 案糖度铡频时回渡形图 图3 9 a 中的同步电路( d 触发器) 的作用在于使计数闸门信号与被测信号 同步，实现同步开门，并且开门时间t 准确的等于被测信号周期的整数倍，故式 ( 1 ) 中的计数值n 没有i 量化误差。计数值虽有1 量化误差，但由于f 。 很高，n b 1 ，所以n b 的1 量化误差的相对值( 1 n b ) 很小，且该误差与被 测频率f x 无关，因此在整个测频范围内，该测频法能够实现与时钟发生器等精 度的测量。该测试方法需要的除法运算功能，对于使用微处理器的仪器来说，是 不难实现的。 下面从物理概念上对等精度测频法的组成原理作进一步说明。图3 9 a 中 的预置闸门脉冲相当于普通计数器中的闸门时钟脉冲，通常有l o s 、i s 、0 i s 、 l o m s 等数值，在等精度测频法中该闸门被同步化闸门t 取代了，从而使a 计数 河海大学硕士研究生学位论文 器消除了1 量化误差，这正是它能够获得很高的等精度测量效果的关键所在。 但同步闸门t 也是未知量，所以需要增加另一个计数器b 来测量t 的宽度，通 过其计数值n b 来计算出宽度t = n e f f c 。再根据频率的定义，由公式f x = n a t 就能计算出被测信号的频率，其中n a 为计数器a 的计数值，若将t = n w f c 代 入此式就可得到与式( 1 ) 一样的结果。 考虑计数值n b 中的1 量化误差、时钟f 。的不确定度和同步门t 的触发误差 时，根据式( 1 ) 可以推导出等精度测频法的测频误差计算公式： 丝；尽+ 削+ 坚x 1 0 圳2 0 ) ( 3 _ 6 ) 、r i ，c k 7 上式中r = 2 0 1 0 9 u x u n ，为输入被测信号的信噪比，k 为多周期倍率。式( 2 ) 中没有对被测信号计数引起的1 量化误差，只有n b 计数器在同步门t 期间1 计数误差t c 厂r ，而且与被测信号的频率无关，即在整个测量频段上是等精度的。 假定，输入通道放大器的制作工艺较高，它所产生的噪声可以忽略，这时触发误 差仅由被测信号本身的质量来决定。在评价测量方法时只应考虑内因，而不考虑 外因，也即不考虑式( 2 ) 中的第三项。以典型数据为例，频率基准的不确定度 a f c f c 通常为1 0 - 7 1 0 ，假设时钟频率为1 0 m i - i z ，则，i b 等于0 1 u s ，若闸门 选为1 s ，则n b 的1 计数误差t c 厂r 仅为1 0 ，由此可见，这时等精度计数器 的测频的精度在整个测量频段上均可达1 0 7 量级。 等精度测频方法测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号的频率 有关。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下，等 精度测量法的测量精度不变，而常规的直接测频法精度随着被测信号频率的下降 而下降。测试电路可采用高频率稳定度和高精度的恒温可微调的晶体振荡器作标 准频率发生电路。 3 2 3 2 等精度测频的硬件电路设计 根据等精度测频法的原理设计的等精度测频的硬件电路组成框图，图3 1 0 中，使用两组计数器，一组使用单片机的内部计数器0 ，计数待测脉冲的上升沿； 另一组计数器用外部计数器8 2 5 3 计数器芯片。预置闸门时间采用定时器1 进行 设置定时时间。该电路的一般工作过程是：第一步，初始化，单片机内部定时器 和外部计数器初始化，d 触发器清零；第二步，d 触发器d 端置为高电平“1 ”， 河海大学硕士研究生学位论文 当待测频率的脉冲上升沿到来时，d 触发器o 端翻转，变为高电平，与门开启， 定时器0 通过单片机的i n t 引脚打开定时中断，两个计数器同时开始计数；第 三步，当定时器0 定时时间到，将d 触发器d 端置为低电平0 ，当待测频率 的脉冲上升沿到来时，d 触发器q 端翻转，变为低电平，两与门同时关闭，停 止计数；第四步，读取两个计数器的计数值。 囱3 1 0 簪精度测频的硬释电路组成框图 3 3温度调理电路m i 柏l 由振弦式传感器频率的测量原理可知，