２０１１年 仪表技术与传感器 ２０１１ 第ｌ２期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．１２ 振弦式传感器动态测试机理研究 徐承军，常亚琼 （武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉４３００６３） 摘要：振弦式传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、易于远距离传输等优点，但是目前仅仅是利用静态测试技术，应用 在岩土工程等领域。为了使其优越性得到充分发挥，扩大其应用领域，使其在港Ｉ：２起重机等领域得到广泛的应用，基于振 弦式传感器静态测试技术的研究与分析，对振弦式传感器的动态测试机理进行了探索性的研究，构建了可用于动态测试 的硬件原理框架，并编程实现了简单的采集分析功能，为振弦式传感器用于动态测试提供了一个可行的方向。 关键词：振弦式传感器；静态测试；动态测试；硬件框架 中图分类号：ＴＰ２１２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）１２—００９９—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｗｉｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ＸＵ Ｃｈｅｎｇ－ｊｕｎ，ＣＨＡＮＧ Ｙａ・ｑｉｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｏｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ａｎｔｉ—ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｆｅｃｔ ｌｏｎｇ—ｒａｎｇｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ，ｉｔ＇ｓ ｊｕｓｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｙ— ｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｆｕｌｌｙ ｅｘｅｒｔ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｅｘｐａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｔｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｏｒｔ ｃｒａｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｔａｔｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｕｇｒａｔｉｏｎ ０引言 ｆ。一２— ＿、、 振弦式传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、对电缆要求 ，＼／Ｐｄ一２匮 — ｜ Ｐ 低、结构简单、所测得的是频率信号而易于远距离传输等显著 式中 厂０为钢弦的谐振频率；Ｌ为钢弦的有效长度；Ａ为钢弦的 优点 ，受到了工程界的重视。然而由于振弦式传感器自身振 横截面积 为钢弦的密度； 为钢弦两端的初始张紧力； 为 动机理的特殊性，进行上一次激励与采集之后，振弦仍在振动 钢弦的初始应变。 状态，倘若此时进行下一次激励，则既可能增强振弦的振动，又 当未对传感器施加外力时，钢弦仅受初始张紧力 的作 可能减弱振弦的振动。因此，目前工业领域主要是运用振弦式 用，而在有脉冲激励的条件下，钢弦开始谐振，输出初频ｆｏ；当 传感器做静态测试，即振弦完全静止下来之后再进行下一次激 对传感器施加外力Ｆ时，则传感器壳体就会发生相应的拉伸或 振与拾振，不能实时地连续不断地采集信号。虽然目前利用双 压缩，使钢弦所受的张紧力增加或减少，这时钢弦的谐振频率 线圈振弦传感器已经实现了动态测试，但是由于两个线圈在振 也随之增大或者减小。因此，只要测得钢弦的谐振频率，，则即 弦侧边布置位置的，双线圈动态测试技术会产生较大的倍 可得到相应被测的力Ｆ，两者的关系为 频干扰，对测量结果的精度影响很大，使传感器不能正常工作。 Ｆ＝４ 一 ） （２） 为了消减倍频，产生可靠的基频振动，则必须增加弦长，如此传 在振弦式传感器的应用中，影响传感器精度的主要误差来 感器的体积就会很大，成本也会大大增加。因此，单线圈振弦 源是温度变化。温度的变化会造成被测件与传感器壳体的热 传感器动态测试机理的实现，将会使其应用领域得到极大扩 胀冷缩，从而影响钢弦的受力，对传感器采集的数据产生影响。 展。 在实际应用中，必须考虑温度变化对传感器测量精度的影响。 １振弦传感器的工作原理 温度误差的大小是由零点误差（在空载情况下由于温度的变化 振弦传感器由弹性形变外壳、钢弦、紧固夹头、激振和拾振 引起的输出读数的改变）和温度间隔误差（在全量程范围内由 线圈等组成。钢弦谐振频率与张紧力的大小有关，在钢弦的几 于温度变化引起的读数的改变）决定的 。布设在被测结构件 何尺寸与材料参数确定之后，其谐振频率的变化量即可表征受 表面的传感器受到的是应力变形和温度的双重作用，因此，系 力的大小。钢弦的谐振频率与其长度、密度、截面积以及所受 统的温度修正系数应为传感器的温度修正系数与被测结构物 应力之间的关系为 的线膨胀系数之差。式（２）可以修正为 Ｆ＝４ ｐＡ（． 一 ）＋（ｂ—Ｏｔ）△ （３） 基金项目：高校基本科研业务费专项资金资助；武汉理工大学自主 创新研究基金（２０１０一ＩＶ一０８８） 式中：△ 为温度的变化量；ｂ为传感器温度修正系数； 为被测 收稿日期：２０１１—０５一ｌ６收修改稿日期：２０１１—０９—２０ 结构物的线膨胀系数。 ｌ００ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｄｅｃ．２０１ｌ 要实现对钢弦的激励，首先需要了解钢弦的初始谐振频率 ３动态测试硬件电路 根据以上动态测试机理的分析，系统主要由激励电路、拾 振检测电路和温度补偿测试电路组成。系统的原理框图如图２ 范围。对于某一特定材料的传感器来说，钢弦的许用应力是一 定的。因此，钢弦的初始张力 和被测结构应力，均必须在 许用应力的范围内。从而由式（１）根据其许用应力的大小，计 所示。 算得出该传感器固有频率的变化范围，进而可以确定激励环节 进行扫频激励的信号频率范围。 ． ２振弦传感器动态测试机理 当钢弦起振以后，其响应信号是一定频率的正弦信号。但 是由于振弦传感器的金属外壳不可能完全实现密封，其中的空 气阻力以及钢弦两端紧固夹头的作用力将使钢弦振动的振幅 和能量逐渐减小。因此，钢弦的响应信号是按指数函数衰减的 阻尼振动信号。其振动表达式为 ＝Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ｔｏｔ＋ ） （４） 图２动态测试系统原理框图 Ａ（ｔ）＝Ａ。ｅ－ｇｔ （５） 图２中，由单片机产生的扫频信号通过恒流激励电路对传 式中：卢为表征钢弦所受到阻尼大小的阻尼系数； 。为初始振 感器钢弦进行激励。待起振后的钢弦稳定在其谐振频率上之 幅； 为初始相位。 后，线圈产生的感应信号经过两级滤波，一方面经过脉冲整形 其激励响应信号的波形图如图１所示。 以后输入单片机控制系统中进行频率测量，另一方面通过单片 机的定时控制，进行功率放大和限幅之后，截取单周期信号重 新输入线圈中对钢弦进行持续的激励，以实现振弦传感器的动 态测量。其中封装在传感器内部的温度敏感测试装置则不断 ０ 地将信号传输至单片机中，来进行温度测量。 ３．１激振电路 激振电路对静止钢弦的初始激励采取扫频激振方式，即由 单片机产生频率可以调节的信号去激励钢弦，当激励信号的频 率与钢弦的固有频率相同或者接近时，钢弦能够迅速起振。对 图１振弦传感器响应信号波形 于某个特定的传感器，其固有频率范围一般是固定的，只要采 图１中，该信号为减幅振荡信号，其信噪比是随着幅度减 用该频率变化范围内的激励信号，钢弦即能可靠起振。 小而减小的。图中ｔｏ时间段内信号幅度最大，但是由于钢弦受 实现扫频激励的核心在于单片机，利用单片机系统的Ｉ／Ｏ 激励后的初始响应信号频率不纯净，并且很不稳定，因此不能 口可以方便地输出一定频率的激励脉冲。其主要工作过程为： 直接对其进行采集和频率测量。ｔ 时间段内信号幅度过低，其 利用单片机系统的内部定时／计数器功能，由Ｉ／Ｏ口输出频率 中的噪声信号干扰很严重，也不能进行采集与频率测量。只有 可变的脉冲信号，经外围三极管控制电路和光耦电路的导通与 在ｔ．时间段内，响应信号最稳定，因此应在该时间段内进行频 截止，利用高频变压器和倍压电路升压，产生高压脉冲激励钢 率测量。 弦使之振动。激励电流流过激振线圈，会产生交变的磁场来激 实现动态测试的关键在于，首先需要尽量将两次数据采集 励钢弦起振。当钢弦稳定谐振之后，线圈中的感应信号通过两 之间的时间间隔缩小，即进行上一次采集之后，在钢弦仍在振 级放大和滤波环节，由单片机进行频率测量。同时利用单片机 动的时候就进行下一次激励；其次要保证激励脉冲产生的激振 和三极管控制电路的导通与截止功能，来截取单周期的信号， 力与钢弦振动方向的一致性与同步性，否则就会减弱钢弦的振 将信号反馈到激励线圈中，从而持续地对钢弦激励，实现动态 动，而不能实现持续激励，即需要实现同步激励与相位锁定。 测量。 由于钢弦稳定谐振的时候，传感器中的线圈会产生与钢弦振动 ３．２拾振检测电路 频率相等的正弦信号，如果将信号经滤波和功率放大等处理后 传感器拾振线圈中感应到的是衰减的正弦波信号，一般情 反馈至线圈来激励钢弦，则可以实现同步激励与相位锁定。同 况下为ｍＶ级微弱信号，其幅度大约为３００ ｔｒＶ一１ ｍＶ，在进行 时，当截取单周期的正弦反馈信号对钢弦进行激励的时候，钢 频率测量前需要高增益放大 。因此，首先对激励线圈感应到 弦能够迅速达到稳定谐振状态，即 时间段很短，钢弦能迅速 的信号进行两级放大与滤波，然后采用等精度测频法进行频率 进入ｔ，时间段进行频率测量，从而缩短采样周期，提高采样频 测量与计算。等精度测频法又叫多周期同步测量法，即测量输 率。目前已经可以实现采样周期小于５０ ｍｓ（２０ Ｈｚ），最小可以 入信号的多个周期数，再进行公式运算而求得频率 。实际工 达到３０ ｍｓ．因此，在将响应信号送到单片机中，进行频率测量 作过程中采用２组计数器，其中一组用来对标准频率为Ｆ（由 的同时，另一方面经过滤波和限幅等处理之后，截取单周期将 处理器中的标准频率源产生）的信号的计数值Ⅳ进行计数；然 信号反馈到线圈中，来激励振弦继续振动，从而即可实现动态 后利用处理器内部的一个１６位计数器来对传感器采集到信号 测试，实时连续地对应力信息进行采集与处理。 的频率．厂的计数值ｎ进行记录。在这个过程中，通过软件控制 第ｌ２期 徐承军等：振弦式传感器动态测试机理研究 １０１ 实现两组计数器同时开始，并同时结束，然后利用ｆ＝ｎ Ⅳ可 以准确得到被测信号的频率值 ３．３温度补偿测量电路 进行模式和初始状态的设置，然后通过判断工作方式控制完成 相应的功能 ４．２单片机子程序 温度测量的原理是在传感器中封装一个合适的热敏电阻， 利用热敏电阻的热敏效应来测量温度。其测量过程为通过一 个恒流源向热敏电阻提供恒定电流，在电阻两端产生电压降。 对于某个振弦式传感器，其固有振动频率不会固定在某一 精确值，但是其大致变化范围是确定的。因此，考虑使用扫频 激振方式，即利用振弦式传感器固有频率附近的信号来激励钢 弦，当激励信号的频率与钢弦的固有频率接近或相等时，钢弦 就能够迅速达到共振状态，可靠起振。扫频激励需要单片机系 然后将此电压降经过放大与Ａ／Ｄ转换，即可求得热敏电阻电阻 值的变化，最后再根据温度与阻值的关系得到温度值。国际公 认的振弦式传感器温度修正后的数学模型为 统产生一个频率可变的信号，如用ＭＳＣ一５１单片机实现扫频程 Ｆ：ｃＣ－？ｏ）＋ （ 一 ） （６） 序，可以充分利用单片机系统的内部资源定时／计数器的功能， 由Ｉ／Ｏ口输出频率可变的信号。定时计数器工作在定时方式， 定时的时间由扫频的某一频率决定，在定时器中断程序中改变 Ｉ／Ｏ口的状态，从而Ｉ／Ｏ口得到一脉冲信号【 。其程序流程图 如图３所示。 式中：Ｇ为振弦式传感器的线性系数；Ｋ为其温度修正系数 为 传感器测量频率值 为传感器初始谐振频率；Ｔ为环境温度； 为传感器的初始温度。 因此，只要在测频率的同时也测量出传感器的温度，就能 很方便地对其进行温度补偿，从而提高测量精度。 ５结束语 由于振弦式传感器其自身结构和功能实现方式的特殊性， 目前在工业生产中只能实现静态的岩土工程测试等，这大大限 制了其各种优越性的发挥。论文基于静态测试技术，对振弦式 传感器的动态测试技术进行了探索性的研究，并设计出了能初 步实现振弦式传感器的动态连续实时测试的理论硬件模型和软 件架构，为动态测试技术的发展与应用提供了一种可行的方向。 参考文献： ［１］ 江修，经亚枝，张焕春．基于扫频激振技术的单线圈振弦式传感 器．传感器技术，２００１，２０（５）：２２—２４． ［２］刘杨．振弦式传感器温度补偿研究：［学位论文］．长沙：长沙理工 大学 ２００９． ［３］ 崔军辉，张培仁．基于振弦式传感器的频率检测模块设计．无线电 工程，２００９，３９（１）：２９—３１． ［４］潘妍，王茜．基于振弦式传感器的测频系统设计．仪表技术与传感 器，２００８（１１）：９９—１０１． 图３单片机激励子程序 ［５］ 郑凌蔚，宁康红，吴晨曦．一种基于振弦式传感器温度补偿新方法 及其实现．杭州电子科技大学学报，２００６，２５（６）：７５—７８． ４动态测试软件实现 ４．１单片机主程序 ［６］ 韩涛．基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计：［学位论文］．武 汉：武汉理工大学，２００９． 测试系统以单片机为核心，来调用相关的功能模块实现数 据的测量、传输、处理与显示，进而实现对频率和温度的测量。 由系统的原理框图可知，动态测试系统的核心在于单片机，其 主要完成３个子功能，即激励、拾振和温度测量。单片机在上 ［７］ 白泽生．一种基于振弦式传感器测频方法的实现．传感器与微系 统，２００７，２６（８）：８１—８３． 作者简介：徐承军（１９７３一），博士，副教授，研究领域为机械故障诊断， 机械电子工程，机械设计及理论等。 电启动后，首先进行各功能部件的初始化，主要包括对ＣＰＵ等 （上接第９８页） 参考文献： ［１］余成波．传感器及自动检测技术．北京：高等教育出版社，２００５． 电子技术应用，２００４（５）：２０—２２． ［７］单平，罗勇芬，李彦明．零磁通型高精度微电流传感器．高电压技 术，２ｏｏ２（５）：３０—３１． ［２］ 黄继吕，徐巧鱼，张海涛．传感器工作原理及应用实例．北京：人民 邮电出版社，１９９８． ［３］米哲涛，曹雷．霍尔元件在电流传感器中的应用．机车电传动。 ２０１１（１）：３７—４０． ｊ［８］ 李洪儒，徐海宁．磁敏元ｆｌ：／传感器及其工业应用．世界仪表与自 动化，２００９（４）：６２—６５． ［９］徐开先．实用新型传感器及其应用．沈阳：辽宁科学技术出版社， １９９５． ［４］ 王楠，谷立臣．霍尔传感离状态监测电路的设计及其应用．中国测 试，２Ｏ０９（５）：８１—８４． 作者简介：李洪儒（１９７０一），高级工程师，研究方向：磁敏传感器应用技 术，磁电量测量技术。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｙｌｉｈｏｎｇｒｕ＠１２６．ＣＯＩＴＩ ［５］ 谢志萍．传感器及测试技术．北京：电子工业出版社，２００４． ［６］ 李泽勇，王文生．闭环霍尔电流传感器在车用电源系统中的应用．
