徐承軍，常亞瓊

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引言

振弦式傳感器具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)電纜要求低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所測(cè)得的是頻率信號(hào)而易于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)蕊@著優(yōu)點(diǎn)[1]，受到了工程界的重視。然而由于振弦式傳感器自身振動(dòng)機(jī)理的特殊性，進(jìn)行上一次激勵(lì)與采集之后，振弦仍在振動(dòng)狀態(tài)，倘若此時(shí)進(jìn)行下一次激勵(lì)，則既可能增強(qiáng)振弦的振動(dòng)，又可能減弱振弦的振動(dòng)。因此，目前工業(yè)領(lǐng)域主要是運(yùn)用振弦式傳感器做靜態(tài)測(cè)試，即振弦完全靜止下來(lái)之后再進(jìn)行下一次激振與拾振，不能實(shí)時(shí)地連續(xù)不斷地采集信號(hào)。雖然目前利用雙線圈振弦傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)測(cè)試，但是由于兩個(gè)線圈在振弦側(cè)邊布置位置的限制，雙線圈動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的倍

頻干擾，對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度影響很大，使傳感器不能正常工作。為了消減倍頻，產(chǎn)生可靠的基頻振動(dòng)，則必須增加弦長(zhǎng)，如此傳感器的體積就會(huì)很大，成本也會(huì)大大增加。因此，單線圈振弦傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試機(jī)理的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)使其應(yīng)用領(lǐng)域得到極大擴(kuò)展。

1 振弦傳感器的工作原理

振弦傳感器由彈性形變外殼、鋼弦、緊固夾頭、激振和拾振線圈等組成。鋼弦諧振頻率與張緊力的大小有關(guān)，在鋼弦的幾何尺寸與材料參數(shù)確定之后，其諧振頻率的變化量即可表征受力的大小。鋼弦的諧振頻率與其長(zhǎng)度、密度、截面積以及所受應(yīng)力之間的關(guān)系為

式中:f0為鋼弦的諧振頻率;L為鋼弦的有效長(zhǎng)度;A為鋼弦的橫截面積;ρ為鋼弦的密度;F0為鋼弦兩端的初始張緊力;ε0為鋼弦的初始應(yīng)變。

當(dāng)未對(duì)傳感器施加外力時(shí)，鋼弦僅受初始張緊力F0的作用，而在有脈沖激勵(lì)的條件下，鋼弦開(kāi)始諧振，輸出初頻f0;當(dāng)對(duì)傳感器施加外力F時(shí)，則傳感器殼體就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的拉伸或壓縮，使鋼弦所受的張緊力增加或減少，這時(shí)鋼弦的諧振頻率也隨之增大或者減小。因此，只要測(cè)得鋼弦的諧振頻率f，則即可得到相應(yīng)被測(cè)的力F，兩者的關(guān)系為

在振弦式傳感器的應(yīng)用中，影響傳感器精度的主要誤差來(lái)源是溫度變化。溫度的變化會(huì)造成被測(cè)件與傳感器殼體的熱脹冷縮，從而影響鋼弦的受力，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮溫度變化對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響。溫度誤差的大小是由零點(diǎn)誤差(在空載情況下由于溫度的變化引起的輸出讀數(shù)的改變)和溫度間隔誤差(在全量程范圍內(nèi)由于溫度變化引起的讀數(shù)的改變)決定的[2]。布設(shè)在被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面的傳感器受到的是應(yīng)力變形和溫度的雙重作用，因此，系統(tǒng)的溫度修正系數(shù)應(yīng)為傳感器的溫度修正系數(shù)與被測(cè)結(jié)構(gòu)物的線膨脹系數(shù)之差。式(2)可以修正為

式中:ΔT為溫度的變化量;b為傳感器溫度修正系數(shù);α為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的線膨脹系數(shù)。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼弦的激勵(lì)，首先需要了解鋼弦的初始諧振頻率范圍。對(duì)于某一特定材料的傳感器來(lái)說(shuō)，鋼弦的許用應(yīng)力是一定的。因此，鋼弦的初始張力F0和被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力F均必須在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)。從而由式(1)根據(jù)其許用應(yīng)力的大小，計(jì)算得出該傳感器固有頻率的變化范圍，進(jìn)而可以確定激勵(lì)環(huán)節(jié)進(jìn)行掃頻激勵(lì)的信號(hào)頻率范圍。

2 振弦傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試機(jī)理

當(dāng)鋼弦起振以后，其響應(yīng)信號(hào)是一定頻率的正弦信號(hào)。但是由于振弦傳感器的金屬外殼不可能完全實(shí)現(xiàn)密封，其中的空氣阻力以及鋼弦兩端緊固夾頭的作用力將使鋼弦振動(dòng)的振幅和能量逐漸減小。因此，鋼弦的響應(yīng)信號(hào)是按指數(shù)函數(shù)衰減的阻尼振動(dòng)信號(hào)。其振動(dòng)表達(dá)式為

式中:β為表征鋼弦所受到阻尼大小的阻尼系數(shù);A0為初始振幅;φ0為初始相位。

其激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的波形圖如圖1所示。

圖1 振弦傳感器響應(yīng)信號(hào)波形

圖1中，該信號(hào)為減幅振蕩信號(hào)，其信噪比是隨著幅度減小而減小的。圖中t0時(shí)間段內(nèi)信號(hào)幅度最大，但是由于鋼弦受激勵(lì)后的初始響應(yīng)信號(hào)頻率不純凈，并且很不穩(wěn)定，因此不能直接對(duì)其進(jìn)行采集和頻率測(cè)量。t2時(shí)間段內(nèi)信號(hào)幅度過(guò)低，其中的噪聲信號(hào)干擾很?chē)?yán)重，也不能進(jìn)行采集與頻率測(cè)量。只有在t1時(shí)間段內(nèi)，響應(yīng)信號(hào)最穩(wěn)定，因此應(yīng)在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行頻率測(cè)量。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵在于，首先需要盡量將兩次數(shù)據(jù)采集之間的時(shí)間間隔縮小，即進(jìn)行上一次采集之后，在鋼弦仍在振動(dòng)的時(shí)候就進(jìn)行下一次激勵(lì);其次要保證激勵(lì)脈沖產(chǎn)生的激振力與鋼弦振動(dòng)方向的一致性與同步性，否則就會(huì)減弱鋼弦的振動(dòng)，而不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)激勵(lì)，即需要實(shí)現(xiàn)同步激勵(lì)與相位鎖定。由于鋼弦穩(wěn)定諧振的時(shí)候，傳感器中的線圈會(huì)產(chǎn)生與鋼弦振動(dòng)頻率相等的正弦信號(hào)，如果將信號(hào)經(jīng)濾波和功率放大等處理后反饋至線圈來(lái)激勵(lì)鋼弦，則可以實(shí)現(xiàn)同步激勵(lì)與相位鎖定。同時(shí)，當(dāng)截取單周期的正弦反饋信號(hào)對(duì)鋼弦進(jìn)行激勵(lì)的時(shí)候，鋼弦能夠迅速達(dá)到穩(wěn)定諧振狀態(tài)，即t0時(shí)間段很短，鋼弦能迅速進(jìn)入t1時(shí)間段進(jìn)行頻率測(cè)量，從而縮短采樣周期，提高采樣頻率。目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)采樣周期小于50 ms(20 Hz)，最小可以達(dá)到30 ms.因此，在將響應(yīng)信號(hào)送到單片機(jī)中，進(jìn)行頻率測(cè)量的同時(shí)，另一方面經(jīng)過(guò)濾波和限幅等處理之后，截取單周期將信號(hào)反饋到線圈中，來(lái)激勵(lì)振弦繼續(xù)振動(dòng)，從而即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試，實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)應(yīng)力信息進(jìn)行采集與處理。

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試硬件電路

根據(jù)以上動(dòng)態(tài)測(cè)試機(jī)理的分析，系統(tǒng)主要由激勵(lì)電路、拾振檢測(cè)電路和溫度補(bǔ)償測(cè)試電路組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

圖2中，由單片機(jī)產(chǎn)生的掃頻信號(hào)通過(guò)恒流激勵(lì)電路對(duì)傳感器鋼弦進(jìn)行激勵(lì)。待起振后的鋼弦穩(wěn)定在其諧振頻率上之后，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)濾波，一方面經(jīng)過(guò)脈沖整形以后輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行頻率測(cè)量，另一方面通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)控制，進(jìn)行功率放大和限幅之后，截取單周期信號(hào)重新輸入線圈中對(duì)鋼弦進(jìn)行持續(xù)的激勵(lì)，以實(shí)現(xiàn)振弦傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量。其中封裝在傳感器內(nèi)部的溫度敏感測(cè)試裝置則不斷地將信號(hào)傳輸至單片機(jī)中，來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。

3.1 激振電路

激振電路對(duì)靜止鋼弦的初始激勵(lì)采取掃頻激振方式，即由單片機(jī)產(chǎn)生頻率可以調(diào)節(jié)的信號(hào)去激勵(lì)鋼弦，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與鋼弦的固有頻率相同或者接近時(shí)，鋼弦能夠迅速起振。對(duì)于某個(gè)特定的傳感器，其固有頻率范圍一般是固定的，只要采用該頻率變化范圍內(nèi)的激勵(lì)信號(hào)，鋼弦即能可靠起振。

實(shí)現(xiàn)掃頻激勵(lì)的核心在于單片機(jī)，利用單片機(jī)系統(tǒng)的I/O口可以方便地輸出一定頻率的激勵(lì)脈沖。其主要工作過(guò)程為:利用單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能，由I/O口輸出頻率可變的脈沖信號(hào)，經(jīng)外圍三極管控制電路和光耦電路的導(dǎo)通與截止，利用高頻變壓器和倍壓電路升壓，產(chǎn)生高壓脈沖激勵(lì)鋼弦使之振動(dòng)。激勵(lì)電流流過(guò)激振線圈，會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)來(lái)激勵(lì)鋼弦起振。當(dāng)鋼弦穩(wěn)定諧振之后，線圈中的感應(yīng)信號(hào)通過(guò)兩級(jí)放大和濾波環(huán)節(jié)，由單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。同時(shí)利用單片機(jī)和三極管控制電路的導(dǎo)通與截止功能，來(lái)截取單周期的信號(hào)，將信號(hào)反饋到激勵(lì)線圈中，從而持續(xù)地對(duì)鋼弦激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3.2 拾振檢測(cè)電路

傳感器拾振線圈中感應(yīng)到的是衰減的正弦波信號(hào)，一般情況下為mV級(jí)微弱信號(hào)，其幅度大約為300 μV～1 mV，在進(jìn)行頻率測(cè)量前需要高增益放大[3]。因此，首先對(duì)激勵(lì)線圈感應(yīng)到的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大與濾波，然后采用等精度測(cè)頻法進(jìn)行頻率測(cè)量與計(jì)算。等精度測(cè)頻法又叫多周期同步測(cè)量法，即測(cè)量輸入信號(hào)的多個(gè)周期數(shù)，再進(jìn)行公式運(yùn)算而求得頻率[4]。實(shí)際工作過(guò)程中采用2組計(jì)數(shù)器，其中一組用來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率為F(由處理器中的標(biāo)準(zhǔn)頻率源產(chǎn)生)的信號(hào)的計(jì)數(shù)值N進(jìn)行計(jì)數(shù);然后利用處理器內(nèi)部的一個(gè)16位計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)傳感器采集到信號(hào)的頻率f的計(jì)數(shù)值n進(jìn)行記錄。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)兩組計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始，并同時(shí)結(jié)束，然后利用f=nF/N可以準(zhǔn)確得到被測(cè)信號(hào)的頻率值f.

3.3 溫度補(bǔ)償測(cè)量電路

溫度測(cè)量的原理是在傳感器中封裝一個(gè)合適的熱敏電阻，利用熱敏電阻的熱敏效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度。其測(cè)量過(guò)程為通過(guò)一個(gè)恒流源向熱敏電阻提供恒定電流，在電阻兩端產(chǎn)生電壓降。然后將此電壓降經(jīng)過(guò)放大與A/D轉(zhuǎn)換，即可求得熱敏電阻電阻值的變化，最后再根據(jù)溫度與阻值的關(guān)系得到溫度值。國(guó)際公認(rèn)的振弦式傳感器溫度修正后的數(shù)學(xué)模型為[5]

式中:G為振弦式傳感器的線性系數(shù);K為其溫度修正系數(shù);f為傳感器測(cè)量頻率值;f0為傳感器初始諧振頻率;T為環(huán)境溫度;T0為傳感器的初始溫度。

因此，只要在測(cè)頻率的同時(shí)也測(cè)量出傳感器的溫度，就能很方便地對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高測(cè)量精度。

圖3 單片機(jī)激勵(lì)子程序

4 動(dòng)態(tài)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 單片機(jī)主程序

測(cè)試系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，來(lái)調(diào)用相關(guān)的功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、傳輸、處理與顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和溫度的測(cè)量。由系統(tǒng)的原理框圖可知，動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的核心在于單片機(jī)，其主要完成3個(gè)子功能，即激勵(lì)、拾振和溫度測(cè)量。單片機(jī)在上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行各功能部件的初始化，主要包括對(duì)CPU等進(jìn)行模式和初始狀態(tài)的設(shè)置，然后通過(guò)判斷工作方式控制完成相應(yīng)的功能[6]。

4.2 單片機(jī)子程序

對(duì)于某個(gè)振弦式傳感器，其固有振動(dòng)頻率不會(huì)固定在某一精確值，但是其大致變化范圍是確定的。因此，考慮使用掃頻激振方式，即利用振弦式傳感器固有頻率附近的信號(hào)來(lái)激勵(lì)鋼弦，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與鋼弦的固有頻率接近或相等時(shí)，鋼弦就能夠迅速達(dá)到共振狀態(tài)，可靠起振。掃頻激勵(lì)需要單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)頻率可變的信號(hào)，如用MSC-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)掃頻程序，可以充分利用單片機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部資源定時(shí)/計(jì)數(shù)器的功能，由I/O口輸出頻率可變的信號(hào)。定時(shí)計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)方式，定時(shí)的時(shí)間由掃頻的某一頻率決定，在定時(shí)器中斷程序中改變I/O口的狀態(tài)，從而I/O口得到一脈沖信號(hào)[7]。其程序流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于振弦式傳感器其自身結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)方式的特殊性，目前在工業(yè)生產(chǎn)中只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的巖土工程測(cè)試等，這大大限制了其各種優(yōu)越性的發(fā)揮。論文基于靜態(tài)測(cè)試技術(shù)，對(duì)振弦式傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了探索性的研究，并設(shè)計(jì)出了能初步實(shí)現(xiàn)振弦式傳感器的動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)試的理論硬件模型和軟件架構(gòu)，為動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了一種可行的方向。

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