振弦傳感器讀數(shù)儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)

杜 鋒，范英龍

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 項(xiàng)目背景

振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號(hào)，因此，具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)影響小、零點(diǎn)飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動(dòng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計(jì)相比，有著突出的優(yōu)越性。振弦傳感器能直接以頻率信號(hào)輸出，因此，較電阻應(yīng)變計(jì)模擬量輸出能更為簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)測(cè)試。為此，振弦傳感器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國(guó)外，德國(guó)的MAlHAK、法國(guó)的TE蘊(yùn)EMA蘊(yùn)、美國(guó)的SINCO等多家公司，都有振弦傳感器的系列產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機(jī)械船舶、水庫(kù)大壩、地基基礎(chǔ)等測(cè)試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測(cè)試手段，顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。

2 改進(jìn)方案

諧振式壓力傳感器被更多的應(yīng)用在工程中。這種傳感器利用壓力的變化來(lái)改變諧振頻率，從而通過(guò)頻率的變化來(lái)間接的測(cè)量壓力。因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)要產(chǎn)生振動(dòng)，所以稱為振弦傳感器，現(xiàn)階段的振弦傳感器多以便攜式為主題，因此不便用于較大的工程進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。

（1）所用振弦傳感器特點(diǎn)簡(jiǎn)介。振弦傳感器輸出頻率信號(hào)，而頻率時(shí)能獲得很高測(cè)量精度的信號(hào)，并且適用于長(zhǎng)距離傳輸也不會(huì)降低其精度。振子的阻尼小，諧振響應(yīng)曲線十分窄，振子振動(dòng)時(shí)，它的結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有一定的阻尼，需要消耗能量，從而需要外部施加激勵(lì)。

（2）系統(tǒng)改進(jìn)措施。振弦傳感器改進(jìn)系統(tǒng)主要有以下4個(gè)方面：①振弦傳感器信號(hào)處理電路及數(shù)據(jù)采集電路。在惡劣的環(huán)境下工作，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；于軟、硬件補(bǔ)償外界對(duì)儀器的影響。主要是溫度的補(bǔ)償，振弦受溫度有一定的影響；③中央控制部分、人為調(diào)節(jié)部分和顯示部分；④GPRS通信模塊添加和開(kāi)關(guān)電路的革新，GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程的監(jiān)控，開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)低功耗。

3 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀器的硬件組成包括：模擬信號(hào)輸入部分、信號(hào)處理部分、通訊部分和人機(jī)交互部分。但每一部分的具體實(shí)現(xiàn)方法結(jié)合儀器所需完成的功能、成本及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與成熟程度等因素綜合考慮。此振弦傳感器讀數(shù)儀改進(jìn)主要對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)。總體模塊有振弦傳感器的激勵(lì)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、溫度補(bǔ)償電路、按鍵模塊、顯示模塊以及通訊模塊?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 振弦傳感器硬件設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。信號(hào)采集分為兩路：一路是溫度，另一路是頻率信號(hào)的采集。主要采用圖像識(shí)別法：①溫度補(bǔ)償電路是在傳感器中封裝一個(gè)熱敏電阻，通過(guò)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，此電壓經(jīng)過(guò)放大電路，緩沖電路進(jìn)入A/D。經(jīng)測(cè)量電阻電路，求出熱敏電阻的實(shí)際阻值，再由熱敏電阻的溫度特性完成阻值到溫度的轉(zhuǎn)換；于要使振弦傳感器輸出頻率信號(hào)，首先通過(guò)激振電路對(duì)弦進(jìn)行激勵(lì)。由MCU發(fā)送PWM脈沖，進(jìn)過(guò)DC/DC倍壓電路升壓，產(chǎn)生好壓脈沖使之振動(dòng)，當(dāng)激振電壓升至5伏時(shí)可控硅觸發(fā)，當(dāng)脈沖信號(hào)加至線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使振弦振動(dòng)，被激勵(lì)的振弦通過(guò)感應(yīng)線圈振動(dòng)轉(zhuǎn)換成衰減的正弦波信號(hào)輸出。檢測(cè)電路將振蕩信號(hào)進(jìn)行放大、整形和濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，將該信號(hào)送至MCU測(cè)取頻率。

（2）GPRS通信設(shè)計(jì)。首先編寫(xiě)串行口驅(qū)動(dòng)層。它實(shí)現(xiàn)打開(kāi)串口、關(guān)閉串口、讀串口數(shù)據(jù)，寫(xiě)串口數(shù)據(jù)等函數(shù)，然后在這些串口函數(shù)基礎(chǔ)上編寫(xiě)GPRS模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。單片機(jī)控制GPRS模塊進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作。打開(kāi)GPRS的DTU模式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，把所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)給予命令開(kāi)始儀器的開(kāi)始或停止工作。

（3）軟、硬件協(xié)調(diào)工作的冷啟動(dòng)控制電路。按鍵啟動(dòng)，軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)自鎖，按鍵關(guān)機(jī)，軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)解鎖，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路完全斷電，降低系統(tǒng)功耗。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)有利于軟件的調(diào)試和維護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)顯示和按鍵開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和按鍵開(kāi)關(guān)。上位機(jī)則負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。使用STM32單片機(jī)作為MCU，對(duì)GPRS進(jìn)行編寫(xiě)通信協(xié)議，控制振弦傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，因STM32單片機(jī)功耗低，處理速度快捷。主要的程序設(shè)計(jì)：首先對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行讀取，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換讀取溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)上的補(bǔ)償，通過(guò)PWM產(chǎn)生激勵(lì)脈沖。其次，開(kāi)關(guān)按鍵的軟件設(shè)計(jì)，軟、硬件結(jié)合使用設(shè)置其為冷啟動(dòng)。然后初始化GPRS模塊，打開(kāi)通信協(xié)議，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。具體步驟如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)的振弦傳感器的控制單元，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集、測(cè)量接收移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)振弦傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，并利用了相關(guān)應(yīng)用做了測(cè)試。由于振弦傳感器的精度受溫度的影響，故而設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。人機(jī)交互友好，使監(jiān)測(cè)更具效率。GPRS數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離測(cè)控，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性。開(kāi)關(guān)作冷啟動(dòng)設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)功耗。綜上所述，振弦傳感器具有良好的應(yīng)用價(jià)值，便于多種情況下應(yīng)用，可以適用于惡劣的環(huán)境中，提高監(jiān)測(cè)的效率。

［1］ 張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來(lái)［J］.半導(dǎo)體雜志，2000，（1）.

［2］ 錢占軍，李彤.振弦式壓力傳感器數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)［J］.測(cè)井技術(shù)，1994，（6）.

［3］ 劉廣玉.傳感器的現(xiàn)狀和未來(lái)［J］.測(cè)控技術(shù)，1999，（3）.