多路振弦传感器的扫频激振原理及设计

振弦式传感器是目前应力、应变测量中较为先进的传感器之一。振弦式传感器的输出是频率信号，信号处理过程中无须进行A/D及D/A转换，因此，抗干扰能力强，信号传输距离远，而且对传输电缆要求低。另外，振弦式传感器还具有结构简单、精度高、寿命长等特点, 因而一直受到工程界的关注。在工程应用中，振弦式传感器可以埋入或焊接在被测试件上，基本不存在粘贴剂老化和脱落问题，具有很好的稳定性和重复性。对于微小的被测力变化可产生较大的频率变化，具有很高的灵敏度。
    随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术也不断得以完善，成为新一代工程仪器的潮流，被广泛应用在建筑物基础、大坝、桥梁、公路、核电站的水泥外壳等需要对受力、位移、微裂缝的测量中，还可以作为电子秤、皮带秤、汽车秤等的关键传感器。为了准确测量应力、应变的变化，除了要研究振弦式传感器的材料特性外，还必须解决振弦传感器的激振和测频读数技术。为此，本文对振弦式传感器的激振技术和测频读数技术展开了研究，介绍了基于PIC16F873单片机内比较输出模式的多路振弦传感器的扫频激振技术。
1 传统的间歇激振方法[1]
    为了测量出振弦的固有频率，必须设法激发弦振动。激发弦振动的方式一般有2种：(1)连续激振方式。这种方式又分为电流法和电磁法，在电流法中，振弦作为振荡器的一部分，振弦中通过电流，所以必须考虑振弦与外壳的绝缘问题。若绝缘材料与振弦热膨胀系数差别大，则易产生温差，影响测量精度，连续激振容易使振弦疲劳。(2)间歇激振方式。如图1所示，振弦上装有一块小纯铁片，旁边放置电磁铁，当电磁铁线圈通入脉动电流i后，电磁铁的磁性大大增强，从而吸住小铁片(振弦)；当线圈中无电流流过，电磁铁就释放振弦。如此循环激振，弦就产生振动。要维持弦持续振动，就应不断地激发振弦。即电磁铁每隔一定时间通过一次脉冲电流，使电磁铁定时地吸引振弦，故须在电磁铁的线圈通以一定周期的脉冲电流。当停止激振时，由于惯性的作用，振弦继续做阻尼振动，电磁铁线圈中产生感应电动势，感应电动势的频率与弦的阻尼振动频率相等。这样可由输出电势的频率测得振弦的固有振动频率。

    这种间歇式激振电路复杂，通常由张驰振荡器、电磁继电器、电源等部分组成。电磁继电器的体积大、功耗大、机械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大，并且调节不能在线自动实现，从而使振弦起振有时较困难[2]。当要同时监测多路振弦传感器时，电路变得更加复杂。更为严重的是继电器驱动的激振线圈是感性负载，在间歇激振时产生较大的电磁干扰，影响了监测精度，对其他电路的正常工作造成干扰。为解决这些问题，对于多路振弦传感器的扫频激振采用时分复用方法。即多路传感器共用一个扫频信号源，当要巡检某路传感器时，由选择开关将扫频信号源与此路传感器接通；用MOS FET继电器替代电磁继电器。这样，不但简化了电路，而且很好地解决了电磁干扰问题。

2 扫频激振原理及电路设计
2.1 扫频激振原理[2]
    扫频激振技术是用一串连续变化的频率信号扫频输出去激振振弦传感器的激振线圈。当信号的频率和振弦的固有频率相近时，振弦能迅速达到共振状态，从而可靠起振。振弦起振后，其在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频率。由于激振信号的频率用软件控制方便，所以只要知道振弦固有频率的大致范围(通常对一种已知传感器固有频率的大致范围是确定的），就可用这个频率附近的激振信号去激发它，使振弦很快起振。
2.2 扫频激振电路的设计
    相比其他系列单片机，PIC系列单片机开发环境优越，精简的指令集和单字节指令使其执行效率高[3]。芯片内部自带看门狗定时器、A/D转换器、比较模块、USART异步串口通信模块、EEPROM存储器，从而精简了电路设计，降低了成本。由于可以设置睡眠和低功耗模式，减少了电路的功耗，提高了电路的可靠性。基于PIC16F873A的多路振弦传感器的扫频激振的硬件电路如图2所示。整个硬件电路分为中央控制器、扫频激振电路、显示模块、参数输入模块、等精度测频模块、RS485通信模块等部分。

    一般的单线圈振弦式传感器的固有频率范围是400 Hz～4 500 Hz之间，其输出频率随所受压力的变化而变化。若扫频信号的频率范围是400 Hz～4 500 Hz，需要扫频的时间长、激振效果差、可控性差。为了减少扫频时间，提高测量速度，根据振弦传感器的输出频率范围设置不同的扫频频段。其方法是：由参数输入电路输入扫频信号频率的上限值fmax和下限值fmin，以及相邻2个扫频信号频率的差值Δf，这些参数存储在单片机的片内EEPROM中。这样，输出的扫频信号很有针对性，输出的激振频率可控性好。这些正是该扫频激振技术的突出优点。
    对于多通道振弦传感器的选择和隔离是通过金属化场效应管（MOSFET）固态继电器实现的。当选择某一路传感器时，其对应的MOSFET固态继电器导通，而其他路的MOSFET固态继电器截止。虽然其他路传感器的激振线圈通过MOSFET接在恒流激振电路的输出端，但是MOSFET截止时的漏电流极小，处于高阻态，因而不会对所选通路造成影响。另外，选通电路和恒流驱动电路是光隔离的，从而避免了选通电路和恒流驱动电路相互影响，进一步提高了扫频激振电路的可靠性。
    根据振弦式传感器的特性，当激振信号太强时，振弦会产生倍频振动，由于倍频成分的不同，使得同一传感器获得的频率不同[4]。采用了恒流弱激振的方法，调整激振电流的大小，使其能可靠激振振弦传感器的基频，而又远离倍频。恒流激振的另一个优点是可以忽略传感器引线电阻的影响。
3 扫频激振的软件设计[3，5]
    单片机PIC16F873A内带有捕捉/比较模块，用比较模式产生扫频信号十分方便。当要输出扫频激振信号时，首先使选择的通道号对应的MOSFET固态继电器导通，而使其他通道的MOSFET固态继电器截止处于高阻状态；其次，将捕捉/比较模块设置在比较模式下，把扫频信号频率的下限值fmin送到16 bit的比较数据寄存器中，清零定时器1的数据寄存器并启动定时器1开始定时计数。这时，比较数据寄存器中的值不断与定时器1数据寄存器的值比较，当两者相等时产生一个比较中断。在比较中断子程序中主要完成以下任务：(1)扫频信号输出口电平反转；(2)输出扫频信号的频率增加一个步距Δf；(3)将输出信号频率与扫频的上限频率值fmax比较，当扫频的频率值高于上限频率fmax时，停止扫频输出。用比较模式产生扫频信号的比较中断子程序框图如图3所示。

4 仿真结果[6]
    为了验证扫频激振电路的效果，选用美国基康公司的VK4100、VK4150型振弦传感器，在WE-30万能材料实验机上对振弦传感器进行模拟加载试验，其测试数据如表1所示。表中“计算应变”、“计算频率”是根据VK4100、VK4150的数学模型计算的值。通过对表1 数据的进一步分析可以看出，用该扫频激振方法不但对同一振弦传感器在不同受力状态时测频的相对误差小，而且对不同振弦传感器测频的相对误差也很小，实现了稳定的扫频和可靠的激振。从表中还可以看出，实际测量的频率值与理论值非常接近。

    用单片机的比较输出模式产生扫频信号，省去了专用的扫频信号发生器芯片，简化了电路设计，提高了测量电路的可靠性，突破了传统的仪表测量系统的设计方法。恒电流弱激振电路的应用，提高了振弦传感器扫频激振的可靠性和稳定性，避免了倍频信号的产生。此种扫频激振方法已成功地应用于某船舶应力监测系统中，使长期实时监测船舶的受力情况成为现实。不但为船舶的使用、维护和保养提供了充分的依据，也为船舶的设计、改进、制造提供了真实可靠的数据及较高的使用价值。这种测频方法也可推广到其他领域，如核电站外壳、建筑大坝等需要长期应力监测的场合，具有广阔的应用前景。