振動(dòng)梁信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 俊,董雪冬,柳 艷

(青海師范大學(xué) 物理系，青海 西寧810008）

隨著電子信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)[1-5]已得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)也提出了更高的要求，尤其在一些極端條件下信號(hào)的檢測(cè)已成為科學(xué)研究的重要手段，這就要求能設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確、更高效的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)被測(cè)對(duì)象物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)[6-7]和測(cè)量。本文以ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，以振動(dòng)梁為測(cè)試對(duì)象，利用振動(dòng)梁上的應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)梁的振動(dòng)過(guò)程。給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖和各模塊之間的接口連接，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上音頻振蕩器的頻率，達(dá)到調(diào)制和改變振動(dòng)梁的振動(dòng)頻率。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)梁以不同頻率和幅度振動(dòng),利用RIGOL系列示波器可實(shí)時(shí)觀察振動(dòng)波形。

1 振動(dòng)梁信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

振動(dòng)梁信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)硬件平臺(tái)主要由ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)主控臺(tái)、振動(dòng)梁、應(yīng)變傳感器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器[8-9]等6部分組成。振動(dòng)梁在音頻信號(hào)的調(diào)制下在豎直方向不斷往返振蕩，導(dǎo)致振動(dòng)梁應(yīng)變片發(fā)生形變，應(yīng)變傳感器將該變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過(guò)全橋轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓經(jīng)放大電路進(jìn)行放大后，通過(guò)反相比例電路輸出到RIGOL系列示波器。同時(shí)音頻振蕩信號(hào)經(jīng)移相器移相后，在相敏檢波器對(duì)放大電路放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波，再經(jīng)過(guò)低通濾波器將波形輸出顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1 應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)換電路

在電阻應(yīng)變式傳感器中，應(yīng)變計(jì)是敏感元件，它將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的相應(yīng)變化，本系統(tǒng)中利用全電橋電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓后，再由測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量，其基本形式如圖2、圖3所示。

在圖2電橋電路中，根據(jù)戴維南定理可算出輸出電壓 UO為在預(yù)平衡狀態(tài)下(即 UO=0)， 各臂電阻滿足 R1×R3=R2×R4。通常電阻應(yīng)變片的檢測(cè)電路采用非平衡電橋，如圖3所示。由非平衡電橋電路的特性可知，在采用全橋差動(dòng)輸入的情況下，其輸出電壓最大，且與電阻的變化成正比，還可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

1.2 儀表放大器電路設(shè)計(jì)

儀表放大器用于微弱信號(hào)的放大，在振動(dòng)梁信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)中，被測(cè)振動(dòng)梁信號(hào)通過(guò)傳感器檢測(cè)后被轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸入放大器進(jìn)行放大，由于傳感器的等效電阻受振動(dòng)梁振蕩幅度和頻率的影響，它們隨振動(dòng)梁振蕩變化而變化，這對(duì)于放大信號(hào)而言信號(hào)源內(nèi)阻Rs是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式放大器的放大能力隨信號(hào)大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，必須使放大器的輸入電阻 Ri＞＞RS，Ri愈大，因信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差愈小。此外，從傳感器所獲得的差模小信號(hào)，其中含有較大的共模信號(hào)，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要求放大器具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。如圖4所示為放大器電路原理圖。

1.3 相敏檢波電路

相敏檢波電路具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和頻率的能力，判別被測(cè)量變化的方向，從而提高測(cè)控系統(tǒng)抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)，有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率，參考信號(hào)應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)具有同樣的頻率，采用載波信號(hào)作參考信號(hào)就能滿足這一條件，相敏檢波器是用來(lái)將高幅波還原成原來(lái)的信號(hào)波形，即起解調(diào)的作用，本系統(tǒng)中相敏檢波器電路原理圖如圖5所示。

1.4 移相器

線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)在正弦信號(hào)激勵(lì)下，其響應(yīng)電壓、電流是與激勵(lì)信號(hào)同頻率的正弦量，響應(yīng)與頻率的關(guān)系可用向量形式的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來(lái)表示。在具體測(cè)量中，往往需要在某確定頻率正弦激勵(lì)信號(hào)作用下，獲得具有一定幅值、輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的相位差在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的響應(yīng)（輸出）信號(hào)。這可通過(guò)調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常采用RC移相網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。若希望得到輸出電壓的有效值與輸入電壓有效值相等，而相對(duì)輸入電壓又有一定相位差的輸出電壓時(shí)，通常采用圖6(a)所示X型RC移相電路，為了便于分析，將原電路改畫成圖6(b)所示等效電路。

2 測(cè)量結(jié)果與討論

表1是音頻振蕩器輸出頻率改變時(shí)振動(dòng)梁振幅相應(yīng)的變化情況。從表1可看出，當(dāng)音頻振蕩器輸出頻率從2 Hz增加到28 Hz的過(guò)程中，振動(dòng)梁振幅先增大后減小，在音頻振蕩器輸出頻率f=8 Hz時(shí)，振動(dòng)梁振幅達(dá)到最大值Vo(P-P)=0.86 V。

表1 測(cè)量結(jié)果記錄

圖7(a)、(b)、(c)分別為音頻振蕩器輸出頻率等于2 Hz、8 Hz、24 Hz時(shí)通過(guò) RIGOL系列示波器觀察到振動(dòng)梁振動(dòng)波形。通過(guò)波形圖也可清楚看到，當(dāng)音頻振蕩器輸出頻率f=8 Hz時(shí)，振動(dòng)梁振幅最大，該頻率也是振動(dòng)梁的自振頻率。這表明當(dāng)音頻振蕩器輸出頻率接近（等于）振動(dòng)梁的自振動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)梁振動(dòng)波形振幅最大；當(dāng)音頻振蕩器輸出頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)梁的自振動(dòng)頻率時(shí)，振動(dòng)梁相應(yīng)的振動(dòng)波形振幅較小。

以ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了振動(dòng)梁信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)各模塊部分接口電路，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的輸出頻率，記錄了振動(dòng)梁的振動(dòng)規(guī)律，同時(shí)利用示波器觀察振動(dòng)波形幅值的變化規(guī)律。結(jié)果表明，振動(dòng)梁的振動(dòng)直接依賴于音頻振蕩器的輸出頻率，通過(guò)改變音頻振蕩器的輸出頻率可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)梁以不同頻率和幅度振動(dòng)，達(dá)到了檢測(cè)振動(dòng)梁自振頻率測(cè)量的目的。對(duì)于檢測(cè)和處理過(guò)程中存在一些信號(hào)失真的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化電路，克服噪聲干擾。該系統(tǒng)對(duì)橋梁等振動(dòng)檢測(cè)具有借鑒作用。

[1]王程,張維,趙子春,等.應(yīng)用光電二極管陣列的 SPR生物傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2011，29(2):133-137.

[2]郭興明,丁曉蓉,王東,等.基于USB Hub的多參數(shù)生理信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(4):93-97.

[3]Wang Haijun,Liu Guizhong.Automatic signal detection based on support vector machine[J].Acta Seismologica Sinica,2007(1):88-97.

[4]馬俊，陳學(xué)煌.基于 DSP的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007,33(12):78-81.

[5]姚正華.基于STM32的便攜式振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)儀器的研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(2)：45-46，50.

[6]洪耀球，李香泉，唐云華.振動(dòng)信號(hào)測(cè)試儀采集方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011，33(07):28-30.

[7]李維斌,吳錦武,吳春篤.振動(dòng)梁局部體積位移傳感器的優(yōu)化布置[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009，30(4):419-423.

[8]于君,王洋.信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中預(yù)處理濾波算法的研究[J].自動(dòng)化儀表,2009，30(11)：4-7.

[9]李國(guó)軍,曾孝平,周曉娜,等.微弱高頻 CW信號(hào)的自適應(yīng)濾波[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,39(2)：227-231,250.