基于振弦式传感器的测频系统设计研究翟文胜

1、基于振弦式传感器的测频系统设计研究 翟文胜摘 要:为确保监测振弦式传感器数据采集的准确性 , 提出了一种用多 周期测频的方法 , 来实现振弦式传感器频率的测量 . 同时设计出了具体的硬件 电路 , 系统硬件分为 3 个模块单元 : 温度补偿电路、测振电路、激振电 路、应用 AT 89C52 单片机来达到对多周期测频方案的实现、实用电路 , 该 电路具有的特点为 : 测频范围宽和测量精度高等 , 并且应用 AT89C52 单片 机来实现对激振频率可控的智能化 . 测频系统思想使硬件电路优化 , 简 单, 易实现 , 激振可靠、激振频率可控 , 大大降低了温度对振弦式传感器频 率测量的误差 , 采

2、用了温度补偿 , 提高测量精度 . 该电路也可以用于山体滑 坡灾害、泥石流发生的预防检测 .关键词:激振; 测频; 温度补偿 ; 振弦式传感器中图分类号 :TP216 文献标志 码: A 岩土体结构的复杂 , 很多岩土工程力学边值问题理论解往往很难得到 准确的测量 , 对于重要的岩土工程开展大量的原型测量 , 以获得岩土结构实 际的位移值、内力及受力 . 压力传感器是一种常用的测量元件 . 因为振弦式 传感器激振输出电信号的频率与被测参数成一定的函数关系 , 其属于频率敏感 型传感器 1- 2. 此类传感器的最大特点是能够长距离传输 , 传输过程中 信号不失真 , 并易于数字显示 . 它已被广

3、泛用于国防、石油开采、水利建 设、矿山、土建、工业过程自动控制等方面 , 对扭矩、力、压力、应变、位 移、角度和温度等各种参数进行测量 3. 振弦式传感器是称重测力传感 器 . 称重测力传感器主要可分为 3 类: 应变力传感器、石英谱振式力传感 器和振弦式传感器等 . 振弦式传感器最突出的优点是精度高、稳定性好 . 它 输出为数字信号 , 而数字信号能提供很高的测量精度 , 适合长距离传输 , 易 于和单片机连接 , 有较强的抗干扰性 . 因此 , 被广泛应用在大坝、桥梁、煤 矿等工程安全监测中 , 达到实时监控 4. 振弦式传感器谐振输出的数字信 号的频率与其周围所受的压力存在一定的换算对应

4、关系 , 振弦式传感器在研制 中, 其主要的参数包括 A 值、 K 值和零频测试的平均值 . 在安装设备 时 , 这些参数是必不可少的 （ 在计算频率 f 时这些参数参与运算 , 传感 器输出频率的变化反应传感器周围岩体的压力变化 , 从而判断岩体的位移变 化 ） . 图 1 为系统测量结构图 .1 激振电路模块实现对传感器输出频率的测量方法 : 用一个占空比可以调的数 字信号来激励振弦式传感器的弦 , 即给传感器里面的线圈充电 , 当激振信号 和振弦线圈达到谐振时 , 振弦线圈达到谐振 . 振弦起振后 , 谐振线圈中产生 的感应信号的频率称为振弦的固有频率 3.要使振弦式传感器输出频率信号

5、, 首先要选通激振电路并对弦给予冲击激 励 , 给其送能量 . 选通不同的支路 , 就选中传感器里面不同的弦 . 于是就 激发送出不同频率的正弦信号 . 激振电路模块如图 2 所示 . 由单片 机 AT89C52 的 P2. 1 口通过非门来控制三极管的基极电位 , 从而来控 制三极管的导通或截止 , 即高电平截止 , 低电平导通 . 接着用高频变压器耦 合 , 产生高压脉冲 . 当激振电压达到 180 V 时, 选通对应的可控 硅 . 当对线圈进行充电时 , 传感器线圈充放电产生交替变化的磁场 , 最终转换成正弦信号输出 , 其输出信号很微弱 , 持续时间一般不超过 1 s 属于 毫伏数量级

6、 . 在安装设备前 , 振弦式传感器的平均频率是知道的 , 通过软件 编程, 达到用冲击脉冲的频率和平均值相比拟 . 从而达到弦谐振 5. 图 2 是实现这种激振的电路原理 .2 测振电路模块振弦式传感器选通时 , 激励和谐振的工作是分开进行的 . 传 感器的感应线圈充放电输出的正弦信号 , 信号幅度很微弱 . 随之对感应出来 的正弦信号用巴特沃兹滤波放大电路进行放大滤波、用施密特触发器整形 , 得到 上升沿和下降沿都很陡峭的方波信号 .( 1) 放大滤波电路模块 . 由于传感器激励送出的信号很微弱 , 所以必须要 经过放大单元电路后才能进行处理 , 为了防止杂波的干扰 , 必须进行滤 波 .

7、 放大滤波电路模块见图 3.滤波放大单元电路中的运算放大器采用 LM2902 运算放大器 , 它具有低漂 移、高输入阻抗、低功耗、输出 阻抗较低等优点 .( 2) 信号整形电路单元 . 多周期测量电路模块 , 即单片机输入的待测信号 必须为上升沿和下降沿都很很陡峭数字信号 , 从而对滤波后的正弦信号要进行 整形处理 . 选择采用施密特触发器 , 从而使单片机接收到的信号很标准 . 以 致提高了抗于扰能力 .噪声影响太大 . 在这两个时( 3) 等精度 ( 多周期 ) 测频电路单元 . 为了达到测量的准确性 , 减小测 量误差 , 应该采取最优方案 : 多周期截取测量法 . 即把传感器输出的信号

8、通 过数字示波器观察 , 观察其波形的频谱 .其前段的波形不太稳定 , 后段的波形幅度较小 间段测量 , 误差就会无形中就会增大 .为了减少误差 , 增加准确性 , 应该截取频谱稳定 , 即周期稳定 , 幅度稳定 的一段周期 . 例如截取 50 个周期进行测量 . 这样误差就会降低到最 低 . 更准确的测量出传感器的激振频率 . 和以前单周期的测量方法比较 , 采 样点更加密集 , 会更加准确 , 对外界的监控更加准确 . 即对外界的应力等监 控更加实时准确 . 外部的岩体对锚索产生不同的压力 , 从而振弦传感器输出 信号的周期和原来的相比较 , 将发生变化 代入计算公式 , 将计算出岩体压

9、力的压力变化 从而判断此时锚索位置处的岩体发生的变化情况 以致确定岩 体的安全性情况多周期测量的方法 即统计输入信号的多个周期 , 例 如 5 个 , 再用 5 除以 5 个周期的统计时间 , 即求 146 河南师范大 学学报( 自然科学版 ) 2011 年. .: 0 0 0得 50 个周期的频率 . 在进行编程时 , 选用的是汇编语 言 . 由于汇编语言执行速度快 , 编译效率高 , 可以减小误差 . 利用多周期 测量法可以减小触发误差对测周的影响 .当单片机的定时器开始计时 , 从单片机的 RD 引脚读取外来整形以后的标准 数字脉冲 . 由于触发点计时点的选择 , 有误差 (T, 两相邻

10、周期是互相抵消 的, 例如 , 第 1 个周期 T1, 由于外界因素使 T1减小 T2, 当第 2 个周期时 , 外界因素使 T2增加 T2. 当统计第 50 个周期时 , 只有第 一个周期开始产生的转换误差 T1和第 50 个周期终了产生的 T2 才产 生 50 个周期引起的总误差 ( T1)2+ ( T2)2, 用这个值除以 50, 结 果减小了 50 倍. 又因为计数增加 50 倍. 至此 , 由 1 误差所引起 的测量误差也减小了 50 倍. 从而比测量一个周期得到的频率值 , 更加准 确 . 这也是这种创新测量方法的体现 .这里可以选择一定幅度稳定信号 100 个周期数 , 按照上面

11、的步骤来进 行, 计算出来的精度比单周期法和计数法会更准确 , 精度更高 . 所以多周期 测量法目前应该是个比较理想的测量方法 . 也是本文的创新点 .3 结束语通过打入岩体内部锚索 , 把振弦式传感器安装在锚索上 , 利用本文 设计的最新的多周期测频法 , 来实时观测监控岩体内部的位移和压力的变 化 . 其在安全监测、意外事件的防御和岩体结构工程中扮演着实时监控的作 用 . 此测频系统在隧道、煤矿、矿山、地理等监控系统中得以应用 , 实验证 明精度较高且稳定 . 随着我国工业化的进程 , 振弦式传感器的应用的前景更 加广阔.参 考 文 献 1 高 友. 振弦式传感器测量过程中干扰问题的解决

12、J . 仪表技术与传感器 , 2007( 6) : 26 38. 2 方佩敏 . 新编传感器原理 应用 电路详解 M . 北京 : 电子工 业出版社 , 2006: 102 115.3 邓铁六 .大量程自激振弦式传感器及相关技术 J. 传感器技术,2001(3): 198 210.4 刘保有 .钢弦式传感器及其应用 M. 北京 :中国铁道出版社,2009:1224.5 李全利 .单片机原理及应用技术 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