振弦傳感器掃頻激振與測(cè)頻方法研究

鹿 玲，戴學(xué)松，姜志學(xué)

(遼寧科技大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

單線圈振弦傳感器在建筑工程壓力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用十分廣泛。單線圈振弦傳感器的激振與測(cè)頻是通過同一個(gè)線圈來完成的［1］。對(duì)單線圈振弦傳感器進(jìn)行有效的掃頻激振，是準(zhǔn)確測(cè)頻的前提。目前，激振與測(cè)頻方法有很多，但都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。人們正不斷探索更新、更高效的激振方法，以提升測(cè)頻精度。

本文研究了一種新的單線圈振弦傳感器掃頻激振與測(cè)頻方法。該方法采用了基康公司的4500SR-350KPa型號(hào)單線圈振弦傳感器，通過將粗略掃頻與精確掃頻相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全量程范圍內(nèi)的掃頻，提高了測(cè)頻的精度。實(shí)踐證明，該方法激振高效且測(cè)頻準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

系統(tǒng)由掃頻激振、測(cè)頻或拾頻、單片機(jī)軟硬件、串口數(shù)據(jù)傳輸以及負(fù)責(zé)接收和顯示的上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成。因?yàn)榧ふ窈蜏y(cè)頻的模擬單元需要的是+5 V和－5 V這2種直流電源，所以掃頻激振單元和拾頻單元都要通過光電隔離后才能與計(jì)算機(jī)相連接。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig．1 System composition

2 振弦傳感器激振與拾頻的硬件電路

單片機(jī)采用 STR12C5A16S2。單片機(jī)的晶振為11．059 2 MHz，這會(huì)提高單片機(jī)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過串口通信的波特率。單線圈振弦傳感器激振與測(cè)頻部分采用+5 V和－5 V這2種電源供電，雙電壓激振。由單片機(jī)的 P2．4和 P2．5分別控制三極管 Q1和 Q2的接通與斷開，并通過改變+5 V和－5 V的接通時(shí)間來調(diào)整單線圈振弦傳感器的激振頻率。激振信號(hào)在一定頻率范圍內(nèi)的連續(xù)變化過程就是掃頻。拾頻是指在有效激振的前提下測(cè)量出單線圈振弦傳感器的自激振蕩頻率，又稱為測(cè)頻。實(shí)際的激振與拾頻單元硬件電路［2］如圖2 所示。

圖2 硬件電路圖Fig．2 Hardware circuit

2個(gè)三極管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將導(dǎo)致+5 V與－5 V短路，造成Q1、Q2及電源的燒毀。激振的電壓范圍為－5～+5 V。線圈中的電流不能突變，即流過單線時(shí)不拾頻。拾頻部分由兩級(jí)運(yùn)算放大器和一級(jí)比較器組成，通過改變 R1、R3、R2、R4的大小來調(diào)整前兩級(jí)的放大倍數(shù);最后一級(jí)是比較器用于輸出振弦本身諧振頻率的方波信號(hào)。

3 振弦傳感器激振方法

單線圈振弦傳感器激振方法有多種。按激振的工作電壓來分類，有:高電壓激振法，激振電壓在100 V左右;低電壓激振法，電壓值為12 V左右，或采用雙電壓(即+5 V和－5 V這2種電壓)來激振，壓差也與12 V相近［3］。激振方式有連續(xù)激振和間歇激振。

激振驅(qū)動(dòng)脈沖波形與振弦起振后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖3 所示［4］。

圖3 激振波形圖Fig．3 Excitation waveforms

3．1 常規(guī)掃頻

常規(guī)掃頻激振的方法是在傳感器線圈中加入一定頻率范圍的掃頻驅(qū)動(dòng)脈沖，頻率變化由低到高尋找振弦的固有振蕩頻率。這種掃頻是按順序?qū)⑷炕蚍侄渭ふ耦l率脈沖輸出到激振線圈中［5］。振弦傳感器的頻率量程較大。以基康公司的4500SR-350KPa單線圈振弦傳感器為例，它的測(cè)量范圍是fMin=1 200 Hz、fMax=3 500 Hz，在正常大氣壓下的弦振頻率是2 860 Hz左右。全程掃頻激振后，可測(cè)量的拾頻時(shí)間t2有可能很短。若是從低頻向高頻掃頻，當(dāng)振弦的共振頻率接近fMin時(shí)，拾頻的時(shí)間就更短了。振弦起振后的振蕩是有阻尼的［6］，從起振到測(cè)不出振蕩信號(hào)的時(shí)間不到1 s，可見全程掃頻的方法幾乎行不通，故較多采用分段激振法。

此外，并不是只需要幾個(gè)與振弦固有振蕩頻率相等的激振驅(qū)動(dòng)脈沖就能引起振弦的可靠共振。試驗(yàn)表明，在+5 V和－5 V交替的共振頻率脈沖驅(qū)動(dòng)下，需要至少30個(gè)周期的相同頻率激振脈沖才能使振弦自激振蕩電壓符合測(cè)量要求。振弦自激振蕩的幅值越大，越有利于拾頻。

在激振過程中，無法判斷振弦是否起振、振動(dòng)的幅度是否達(dá)到測(cè)量要求，必須停止激振并通過測(cè)量振弦的自激振蕩頻率來分析確定。

圖3中，t0時(shí)間段內(nèi)是各種不同頻率的激振驅(qū)動(dòng)脈沖，而振弦的起振點(diǎn)可能在t0時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)間點(diǎn)上。t1約為10 ms，是為了讓振弦真正平穩(wěn)自激振蕩后再開始測(cè)量。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)t1可以更短或者為零。t2是有效的可測(cè)量時(shí)間段。振弦自激振蕩頻率是指振弦在當(dāng)前所處壓力下的固有振蕩頻率。其隨著外界壓力的變化而變化，與激振的頻率無關(guān)。

掃頻激振方法有很多，包括分區(qū)間掃頻激振法(即分段掃頻激振法)、二次掃頻激振法等。使用單線圈振弦傳感器測(cè)量壓力的場(chǎng)合，對(duì)檢測(cè)速度的要求一般都不高。

3．2 新的掃頻與測(cè)頻方法

鋼弦的振動(dòng)是一種幅值衰減很快的有阻尼振動(dòng)，有效測(cè)量時(shí)間只有700 ms左右，且可供測(cè)量的交變電壓信號(hào)不超過1 mV。如果鋼弦的振動(dòng)幅度不夠，就只能減少測(cè)量的時(shí)間。但這樣會(huì)降低測(cè)量的精度。

新的掃頻方法不同于分區(qū)間掃頻法。分區(qū)間掃頻法采用同樣的掃頻模式、同樣精度的測(cè)頻方法在不同的掃頻區(qū)間段內(nèi)進(jìn)行的重復(fù)性的掃頻與測(cè)頻，可減少掃頻時(shí)間對(duì)測(cè)頻時(shí)間的影響。新的掃頻方法是長(zhǎng)短計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)合測(cè)頻法。在同一個(gè)完整的掃頻巡回中，該方法包含粗略測(cè)頻與精細(xì)測(cè)頻兩個(gè)步驟。在未找出振弦自激振蕩頻率前，采用縮短計(jì)數(shù)時(shí)間來粗略計(jì)算振弦自激振蕩頻率，以達(dá)到快速掃頻的效果。

在預(yù)判將要出現(xiàn)振弦自激振蕩頻率時(shí)，采用增加計(jì)數(shù)時(shí)間精確計(jì)算振弦自激振蕩頻率的方法。這是一種長(zhǎng)短測(cè)頻時(shí)間相接合的測(cè)頻方法。粗略測(cè)頻時(shí)掃頻進(jìn)度快是因?yàn)闄z測(cè)的時(shí)間短，精細(xì)測(cè)頻時(shí)掃頻進(jìn)度慢是因?yàn)闄z測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)。在同一個(gè)掃頻巡回過程中，精確找出弦振固有頻率的方法是在掃頻的過程中先進(jìn)行快速粗略拾頻。當(dāng)振弦的振蕩頻率的值在1 200～3 500 Hz時(shí)，再進(jìn)行精細(xì)拾頻。

試驗(yàn)證明，當(dāng)系統(tǒng)的晶振為11．059 2 MHz時(shí)，掃頻激振周期每次增加2個(gè)機(jī)器周期時(shí)間;當(dāng)粗略檢測(cè)到振弦自激振蕩頻率值在1 200 Hz與3 500 Hz之間時(shí)，有效激振頻率會(huì)很快出現(xiàn)。繼續(xù)加長(zhǎng)掃頻激振周期的再掃頻次數(shù)，如不超過12次，就一定能夠找到振弦的自激振蕩頻率。

掃頻的激振頻率變化可以由低到高，也可由高到低。實(shí)際測(cè)試中，采用由高頻到低頻的掃頻方式。單片機(jī)系統(tǒng)中，以定時(shí)計(jì)數(shù)器T0作為定時(shí)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器T1作為測(cè)頻的計(jì)數(shù)器。采用軟件實(shí)現(xiàn)掃頻與測(cè)頻，其流程如圖4所示。

圖4 掃頻與測(cè)頻流程圖Fig．4 Flowchart of swept-frequency and frequency measurement

在實(shí)際測(cè)試中，通過對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃頻激振脈沖的半周期延時(shí)時(shí)間變量值為n時(shí)，可以使振弦有效起振，則當(dāng)掃頻激振脈沖的半周期延時(shí)變量值為3n、6n和9n時(shí)，都可以使振弦有效起振。掃頻激振脈沖的半周期延時(shí)時(shí)間就是電路中Q1和Q2兩個(gè)開關(guān)管交替打開后的延時(shí)時(shí)間。采用一個(gè)for循環(huán)來實(shí)現(xiàn)這樣的短暫延時(shí)。循環(huán)體中是空操作函數(shù)nop_()，用來延時(shí)的循環(huán)次數(shù)用M表示。在一定的液體壓下，進(jìn)入精確掃頻階段后，測(cè)得的一組測(cè)頻數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)測(cè)頻數(shù)據(jù)Tab．1 Measured frequency data

BGKeokon 4500SRj-350kPa傳感器的工作區(qū)間為1 200～3 500 Hz。在粗略計(jì)算的情況下，當(dāng)M為0x4F時(shí)，T0中斷兩次時(shí)間內(nèi)，T1的計(jì)數(shù)值大于170，粗略計(jì)算振弦的自激振蕩頻率大于1 200 Hz，即起振。然后，軟件系統(tǒng)進(jìn)入精確測(cè)頻階段。但從進(jìn)入精確測(cè)頻階段以后的測(cè)頻結(jié)果分析，通過6次M值自增就能找到振弦自激振蕩頻率。當(dāng)前，振弦的固有頻率為2 770 Hz。在同樣的激振參數(shù)下，T0中斷10次時(shí)，T1的計(jì)數(shù)值卻不是T0中斷兩次時(shí)T1計(jì)數(shù)值的5倍。由此說明，剛進(jìn)入精確測(cè)頻階段的激振參數(shù)并非最佳的，沒有引起有效的自激振蕩。程序進(jìn)入的精確測(cè)頻部分循環(huán)了12次，已完全滿足要求。

4 提高測(cè)頻精度方法

頻率測(cè)量方法有兩種。一種為測(cè)頻法，即在某一選定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)值除以時(shí)間間隔得到被測(cè)信號(hào)的頻率。測(cè)頻法在低頻時(shí)測(cè)量誤差稍大些。另一種為測(cè)周期法，即通過測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期再求其倒數(shù)，得到被測(cè)信號(hào)的頻率。測(cè)周期法在高頻時(shí)的測(cè)量誤差較大。測(cè)頻法又分為直接測(cè)頻法、組合測(cè)頻法、倍頻法、等精度測(cè)頻法等［7-8］。等精度測(cè)頻法的關(guān)鍵在于將信號(hào)脈沖來臨的時(shí)刻與計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)刻同步，消除對(duì)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)的±1量化誤差。采用測(cè)頻法，通過對(duì)多次測(cè)量值取平均來消除系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，提高信噪比，從而提升測(cè)量精度。

影響測(cè)頻精度的因素有多個(gè)。保證振弦在固有振蕩頻率上有效自激振蕩是提高測(cè)量精度的先決條件。此外，還要達(dá)到一定的振動(dòng)幅度。理論上，振弦振動(dòng)的幅度越大，對(duì)提高測(cè)量精度越有利。振弦振動(dòng)的幅度受多種因素限制，包括激振的次數(shù)、激振的電壓、激振脈沖的頻率等。增加測(cè)量的時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但前提是在該時(shí)間段內(nèi)硬件電路能夠正確檢測(cè)出微弱的振弦振蕩感應(yīng)信號(hào)。在掃頻環(huán)節(jié)，當(dāng)振弦出現(xiàn)自激滿時(shí)，增加激振次數(shù)，激振后立即拾頻，增加測(cè)量時(shí)間，找出接下來的12次測(cè)量中頻率最高的結(jié)果。其即為振弦的固有振動(dòng)頻率。這是提高拾頻精度的方法。然后，停止掃頻，延時(shí)幾秒后再?gòu)念^開始進(jìn)入下一輪掃頻過程。此外，單片機(jī)掃頻與拾頻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)部分選用主程序中查詢的方法。之所以沒有選用中斷的方式來計(jì)時(shí)，是因?yàn)楫?dāng)開發(fā)軟件采用C51高級(jí)語言時(shí)，用中斷很難達(dá)到要求的計(jì)時(shí)精確度，而且中斷內(nèi)數(shù)據(jù)處理工作越多，測(cè)量結(jié)果越不準(zhǔn)確。這也是提升測(cè)頻精度時(shí)要注意的一個(gè)方面。

用其他測(cè)頻儀器在恒定壓力下實(shí)際測(cè)得的振弦自激振蕩頻率值分別是 2 701 Hz、2 777 Hz、2 717 Hz、2 705 Hz、2 690 Hz、2 700 Hz、2 777 Hz 和 2 732 Hz，實(shí)測(cè)值不太穩(wěn)定。而采用新的激振與測(cè)頻方法，經(jīng)過多次測(cè)量，測(cè)得的一組振弦自激振蕩頻率值為2 700 Hz、2 704 Hz、2 766 Hz、2 700 Hz和2 769 Hz，偏差很小，大都在2 700 Hz左右。由此可見，采用長(zhǎng)短計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)合測(cè)頻法測(cè)量的振弦自激振蕩頻率更加可靠，也更加精確。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)采用的粗精接合測(cè)頻法，是一種全新的掃頻激振與測(cè)頻方法。粗略掃頻時(shí)，該方法測(cè)頻精度低但掃頻速度快。此時(shí)，測(cè)頻值只用于預(yù)測(cè)振弦的固有頻率。通過計(jì)算，當(dāng)激振頻率與振弦的固有頻率接近時(shí)，進(jìn)入精確掃頻階段。在精確掃頻階段，增加測(cè)頻時(shí)間以提升測(cè)頻精度。此外，還采用了對(duì)多次有效測(cè)頻數(shù)據(jù)取平均值等方法消除系統(tǒng)誤差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明粗精接合測(cè)頻法是一種高效的單線圈振弦傳感器數(shù)據(jù)采集方法，提升了測(cè)頻精度。