基于振弦式传感器的压力测试.doc

传感器原理及应用 创新性应用课题研究报告 题 目： 基于振弦式传感器的压力测试 学 院： 自动化工程学院 年级专业： 2012级电子信息科学与技术 姓 名： 杨晨灿 王怀祥 林晟玉 连智华 任课教师： 迟宗涛 2015年 12月 20 日【中文摘要】在大型土木工程的安全监测中,压力作为一个重要的参数,其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测,对于保障其健康、降低事故发生率有重要的意义。由于振弦传感器具有输出信号稳定、易检测等诸多优点,本文选用振弦式传感器,设计了一套电路结构简单、可靠性好、测量精度较高的压力检测系统。本文首先对常用的压力传感器进行了比较,阐述了选用振弦传感器的依据,分析了传感器的结构和工作原理,总结了振弦传感器压力检测中影响测量精度的主要因素,并提出了相应的解决措施。重点对传感器的激振方式进行了研究和优化,采用了反馈式的激振新方法,设计了合理的信号处理电路。本系统采用分布式采集方式,由数据采集系统、传感器组成,每一个数据采集系统可挂接多路传感器,能实现多点检测,选用了真正能独立工作的片上系统C8051F340单片机为处理器,设计了激振电路、测频电路、显示电路、串口通信接口等硬件电路。同时,本文也设计了完整的下位机软件,使硬件能正常的实现其检测功能。软件设计采用模块化的编程思想,C语言编写,结构清晰,容易移植,方便维护和升级。最后,针对电子电路系统中存在的干扰问题,在系统的硬件和软件上均进行了抗干扰设计,保证系统能正常地运行。通过一个多月的调试,本系统各个部分能正常的工作,测试结果表明,其测量精度有一定提高,运行较为稳定。此系统体积小,成本低,接口通用,适用于大多数振弦传感器,具有一定的工程应用价值。振弦式传感器由于具有寿命长 、稳定性好 、精度高及信号便于检测等优点 ,一直受到业界的关注 ,并 广泛应用于煤矿 1 、大坝 2 和路桥 3 等场合进行压 力测量 。振弦式传感器容易受温度等因素的影响 , 所以 ,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿 4 ,但是很少有人提到在电路系统中对其 他方面进行优化设计 。根据实际需要 ,笔者在系统 设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素 , 实现了对压力的高精度测量 。应用振弦式传感器并基于脉冲计数法进行压力测量可达测量精度受脉冲计数精度 、电路噪声及温度补偿 等多重因素影响 。介绍了一种成熟的设计方案 ,通过采用优化的扫频激励方式 、合理的脉冲计数方法 、低噪声信号 调理电路设计和有效的温度补偿等途径 ,获得了较高精度的压力测量值 ,是脉冲计数法测压场合的较好选择 。【关键词】振弦式传感器压力检测数据采集C8051F340【英文摘要】Inthesecuritymonitoringoflargecivilengineering,Asanimportantparameter,themethodsofpressuremeasurementhavealwaysbeenpaidgreatattention.Ithasanimportantsignificanceforprotectingtheirhealthandreducingtheaccidentrate,throughmonitoringthepressureofvariousstructuresonreal-time.Becauseoftheadvantagesofvibratingwiresensorssuchasoutputsignalstability,easytodetectandsoon,apressuremeasurementsystemwasdesignedwhichhasasimplehardwarestructurewithgoodreliabilityandhighaccuracybyvibratingwiresensorinthispaper.Firstly,thepapercomparewithcommonusedpressuresensors,explainthebasisofselectingthevibratingwiresensor,analyzeitsstructureandworkingprinciple,summarizetheforemostfactorsthatinfluencethemeasuringaccuracyofvibratingwiresensors,proposesomecorrespondingimprovedmethods.Theexcitingmethodsofvibratingwiresensorarestudiedandoptimizedmainly,anewexcitingmethodbasedonfeedbackisusedandarationalsignalprocessingcircuitisdesignedinthepaper.Thesystemisadistributeddataacquisitionsystem,whichconsistsofdataacquisitionsystemandsensors.Everydataacquisitionsystemcouldmountmanysensorsandachieve multi-pointdetecting.ChoosesystemonachipC8051F340thatrealworkindependentlyasMCU,designavibratingwiresensorexcitationcircuit,afrequencymeasurementcircuit,adisplaycircuit,serialcommunicationinterfacecircuitsandsoon.Atthesametime,alsodesigncompletelowercomputersoftwarethatenablethehardwaretoachieveitsnormalfunction.ThesoftwareisprogrammedinClanguagethathasclearstructureandiseasytotransplant,maintainandupgradewithmodularprogrammingidea.Atlast,anti-jammingdesignsofhardwareandsoftwareismadeinthesystemtoensureitworksproperlyforinterferenceproblemsthatexistintheelectroniccircuitsystem.Aftermorethanamonthdebugging,allpartsofthissystemworkproperly.Theexperimentresultsindicatethatthesystemhasverygoodmeasurementaccuracyandastableandreliableperformance.Thecharacteristicofthissystemaresmallcubage,lowcost,generalinterfaceandusedbyalmostvibratingwiresensors,whichhassomevalueinengineering.When using pulse counting method, the precision of pressure measuring with vibrating wire sensor is influenced by the precision of pulse counter, circuit noise, temperature compensation, etc. This paper introduce s a mature scheme of pressure measuring with vibrating wire sensor. A high pressure measuring precision is obtained by using methods like optimized frequency scanning, reasonable pulse counting, low noise signal processing circuit designing and effective temperature compensation, etc. It prove s to be a preferable selection in pressure measuring with pulse counting method.【英文关键词】vibratingwiresensorpressuremeasurementdataacquisitionC8051F3401 绪论.11.1课题研究目的和意义11.2国内外技术发展现状11.3发展趋势21.4课题主要研究内容22 系统总体设计及工作原理32.1系统主要功能32.2系统总体结构框图42.3总结点框图42.4无线通信技术52.4.1采集节点框图52.4.2接收节点框图62.5GSM移动通信网络72.6GPRS技术82.7AT指令简介82.8振弦传感器原理92.8.1工作原理102.8.3振弦式传感器的特性112.8.6振弦式传感器的测量系统133 系统的硬件设计143.1单片机的选择143.2单片机外围电路设计153.2.1时钟电路153.2.2复位电路173.2.3串口电路183.3电源模块设计193.4液晶显示模块设计203.5无线通信电路设计213.6GPRS模块设计224 系统的软件设计.234.1信号采集与处理软件设计244.2无线传感器控制软件设计254.3总结点单片机程序设计264.4GSM通信软件设计275 调试276 误差分析28结论.29参考文献.301 绪论在大型土木工程的安全监测中，压力作为一个重要的参数，其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测，对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点，因此是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。振弦式传感器由于具有寿命长 、稳定性好 、精度高及信号便于检测等优点 ,一直受到业界的关注 ,并 广泛应用于煤矿 1 、大坝 2 和路桥 3 等场合进行压 力测量 。振弦式传感器容易受温度等因素的影响 , 所以 ,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿 4 ,但是很少有人提到在电路系统中对其 他方面进行优化设计 。根据实际需要 ,笔者在系统 设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素 , 实现了对压力的高精度测量 。1.1课题研究目的和意义在建筑工业中，安全问题是重中之重，一旦一个工程安全问题得不到保障，投入的资金再多，耗费的人力物力再大，也都显得没有任何意义。振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要地位。基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中，用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发性灾难，减少损失,避免人员伤亡,确保基础设施与使用者的安全。1.2国内外技术发展现状振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。除了振弦式传感器外，还有振筒式、振梁式和振膜式等传感器，它们统称为谐振式传感器。它们的工作原理与特性相似或相同，是20世纪70年代发展起来的。由于是频率式传感器，频率测量的精度最高（可达1013数量级），由此成为最有发展前途的传感技术之一。它们被广泛应用于测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、压力、流体流量以及成分分析等。1.3发展趋势振弦式传感器是目前是国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性：(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2) 随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。1.4课题主要研究内容本课题要求设计一种由振弦式传感器和单片机组成的电子压力测量仪。该测量仪采用新型的振弦式压力传感器采集数据,由单片机控制整个测量过程,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。这里只需要完成信号采集与处理模块。本课题要求设计的是基于振弦式传感器的压力测试仪。该压力测试仪以单片机为中心，控制整个测量过程，并完成与GPRS模块，无线通信模块的连接。数据通过无线通信模块发送和接收，经单片机处理后，通过GPRS网络发送到远程终端手机或计算机中进行处理，并显示。本文可以分成五个主要的部分：第一部分是系统的总体设计，分析系统的设计要求，提出系统设计方案，阐述系统设计所需的各种技术和协议。第二部分是硬件设计，基于上述系统的设计要求完成对芯片的选择，设计硬件原理图，制作PCB图。2第三部分是软件设计，基于已设计的硬件原理图为实现系统的功能设计软件程序框图和阐述程序设计过程。第四部分是系统调试，对上述硬件设计和软件设计进行系统联调，判断是否满足系统设计要求。第五部分是结论，基于上述部分对本文进行最终的结论，并提出存在的不足和需要改进的方面。课题的意义：基于振弦式传感器的压力测试仪的控制中心是单片机。本课题数据采集与处理模块采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机。是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速，低功耗，超强抗干扰的特点。由该单片机控制无线通信模块和GPRS模块,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。本系统无线通信模块运用的无线传输方式是射频方式，选用的是24L01模块。射频技术具有功率小，易开发，可靠性强等特点，且传输过程中流量较小，适于小型无线网络。在工业和民用领域使用范围较广，因此最适合应用于本次课题。GPRS通信技术进行数据的远距离传输，具有较高的测量精度和极高的抗干扰能力。只要有GPRS网络的地方，管理人员便可随时随地了解和控制系统运行状态，实时性较好，保密性强，使人从繁重的人工值守中解放出来，大大提高了生产力，降低了组网和劳动力成本。本课题GPRS模块采用了SIMCOM公司的SIM300。该模块体积小巧，性能突出，可广泛应用于无线语音传输、车载系统、远程抄表、安全监控、遥控遥测、手持设备等领域。本课题的上位机模块选用的是VB语言编程。VB是在Window环境下运行的、支持可视化编程、面向对象的采用事物驱动的结构化程序设计语言，也是进行应用系统开发最简单易学的程序设计工具。从任何标准来说，VB都是世界上使用人最多的语言，因此选用VB语言符合本课题的要求。2 系统总体设计及工作原理本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，振弦式传感器为测量设备，利用无线通信模块将测得的频率数据发送与接收，在单片机内部进行处理并转换得压力。该频率信号通过运用AT指令的GPRS网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于UDP传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测。2.1系统主要功能本文的主要任务是设计一个基于振弦式传感器的压力测试系统，使其可以通过GPRS通信技术远程传输数据，并可以通过上位机进行显示和远程监控。本系统需要的功能及技术指标综述如下：（1）实现基于振弦式传感器的数据采集与检测；（2） 实现基于nRF24L01的短距离无线数据传输，实现数据汇总；（3）监测人员可以随时随地通过短信查询任意节点的频率值；（4） 实现基于单片机控制的GPRS模块的GPRS通信技术进行的UDP数据传输，并能在PC机上进行压力和频率信号的数据显示、数据图形化等功能；（5） 频率的检测要满足误差小于2%的要求，压力的测量误差要满足小于3%的要求，压力测量范围由所选传感器决定。2.2系统总体结构框图 图1系统总结构框图2.3总结点框图总结点框图如下图所示，围绕单片机展开，连接振弦式传感器，无线通讯24L01接收模块，GPRS模块，程序接口端口及一些数据线。 图2系统总节点框图2.4无线通信技术本课题设计的无线数据采集模块需要具有如下特点：1、由采集节点和接收节点组成，采集节点主要功能是数据采集，并将采集到的数据发送给接收节点，接收节点主要是接收各个采集节点发送的数据，对数据进行初步处理，之后，将数据传输到上位机，由上位机进行进一步整理、检测、计算和储存。2、本模块针对数据采集的频率适中的情况，传输速度适中。3、数据采集现场可能存在各种干扰因素，因此需要在硬件和软件上采取相应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。4、模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。5、本模块的接收节点通过GPRS模块与上位机相连。GPRS网络以封包形式传输数据，不受地域限制，传输速率快，收费合理，目前已经被广泛的应用于检测系统。2.4.1采集节点框图采集节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，传感器，nRF24L01，USB-TTL接口和天线组成。采集节点负责将采集到的数据交由nRF24L01发射。如图3所示: 图3 采集节点框图2.4.2接收节点框图接收节点的主要结构如图所示，主要是由微处理器，nRF2401，GPRS模块，USB-TTL接口和天线组成，其中GPRS模块可以将接收的数据通过GPRS网络传送到上位机，进行检测和处理。如图4所示： 图4接收节点框图2.5GSM移动通信网络 GSM的原名为GroupSpecialMobile（移动专门小组）。1988年，欧洲将GSM定义为“全球移动通信系统”（GlobalsystemforMobileCommunication），中文名为全球移动通信系统，俗称“全球通”。通常把早期的模拟移动通信系统称为第一代（1G）移动通信系统，而GSM被称为第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统。GSM网络具有网络能力强，覆盖地域广，通信距离远，通信质量好，抗干扰能力强，系统建设成本低并能提供多种不同的业务的特点。GSM系统主要由移动台/移动用户（MS）、无线基站子系统（BSS）、交换网络子系统（SS）及操作维护子系统（OMC）四大部分组成。移动台/移动用户（MS）是用户设备，通常包括便携式和车载式。无线基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由MSC控制与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。交换网络子系统主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。操作维护子系统主要是对整个GSM网络进行管理和监控。操作与维护管理的目的是使网络运营商能够监控整个网络，把需要监控的内容传送到网络管理中心，以供监测人员分析。GSM系统结构图如图5所示： 图5 GSM系统结构图MS:移动台 BSS:基站子系统 BTS:基站收发BSC:基站控制器台 SC:短信息业务中心 SS:交换网络子系统EIR:移动设备识别寄存器 HLR:归属位置寄存器 VLR:来访位置寄存器AUC:鉴权中心 MSC:移动业务交换中心 OMC:操作维护中心PSTN:公用电话网 PLMN:公共陆地移动网络 ISDN:综合业务数字网PSPND:分组交换公用数据网2.6GPRS技术GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务)是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步，这一步有两点重要意义：一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。GPRS是在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分组交换技术，能兼容GSM网络并在网络上更加有效的传输高速数据和信令。系统原理图如图6所示: 图6 GPRS系统原理图GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因比在GSM基础上构建GPRS系统时GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。构建GPRS系统的方法是：（1）在GSM系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是SGSN(GPRS业务支持节点)、GGSN(GPRS网关支持节点)和PCU(分组控制单元)，SGSN和GGSN又合称为GSN(GPRS支持节点)；（2）对GSM系统中的相关部件进行软件升级。2.7AT指令简介AT即Attention，AT指令集是从终端设备(TerminalEquipment，TE)或数据终端设备(DataTerminalEquipment，DTE)向终端适配器(TerminalAdapter，TA)或数据电路终端设备(DataCircuitTerminalEquipment，DCE)发送的。通过TA、TE发送AT指令来控制移动台(MobileStation，MS)的功能，与GPRS网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、GPRS数据业务、补充业务、传真等方面的控制。其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可以接收1056个字符的长度（包括最后的空字符）每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。2.8振弦传感器原理钢弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，广泛应用于岩土工程测试中。钢弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势u，感应电势的频率就是振弦的共振频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力与传感器所承受的压力或位移成线性关系，因此测得刚弦的共振频率即可求出待测物理量(压力或位移)。这类传感器有两种形式：一种是双线圈，一只是激振线圈，激振振弦让弦振动起来，另一只是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。单线圈振弦式传感器使用中主要解决两个问题：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起来；第二，拾振方法，包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分；如果要使单线圈振弦式传感器被激励(振动)起来，测量电路需要间断地馈送电流给传感器的激振线圈。在土木工程现场测试中，常利用钢弦式应变计或压力盒作为量测元件，其基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。根据数学物理方程中有关弦的振动的微分万程可推导出钢弦应力与振功频率的如下关系： 式中：f钢弦振动频率；L钢弦长度；钢弦的密度；钢弦所受的张拉应力。振弦式传感器的工作原理及其特点 振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性：(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。2.8.1工作原理振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件2.8.2振弦的激振方式振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。振弦激振的方式分为间歇触发激振和等连续激振。(1)问歇触发激振目前，单线圈形式的振弦传感器，均采用间歇触发的激振方式。由张驰振荡器产生激振脉冲，当脉冲信号发出，则吸动继电器，通过常开触头，将触发电压加于振弦传感器的激振线圈上，产生电磁力，吸动钢弦；当脉冲终止时，继电器释放，松开钢弦，从而产生自由振动并切割磁力线，在激振线圈中产生感应电势，通过继电器常闭触头输入测试仪器，测得钢弦的振动频率。(2)等幅连续激振采用这种激振方式的振弦传感器具有激励和接收两组带磁钢的电磁线圈，与放大电路、反馈和稳幅电路组成等幅的振荡器。在开启电源时激励钢弦，钢弦切割磁力线而在接收线圈中产生感应电势，将其输出放大，并反馈到激励线圈补足能量，不断循环。在稳幅电路限制的反馈量下，达到等幅连续振荡的激振方式，萁振动频率即为钢弦的自振频率。两种技术的构成不同，带来一些性能上的差异。一般而言，“拨振”单线圈方式由于在传感器内的电子部件降低到最低限度，传感器的可靠性及耐恶劣环境性都更好一些；同时，由于只采用一个线圈，传感器的体积可以做得很小(而自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便容纳两个线圈)；此外，由于单线圈振弦仪器只需两芯电缆，总体费用也更便宜。而“自动谐振”-双线圈方式的优点是可通过高速计数技术或把频率转换成电压方式在一定范围可进行动态应变测量(通常动态信号输人频率限制在大约1OOHz内，这主要取决于传感器的谐振频率)。自动谐振”技术的另一优点是可以使用通用的频率计和数据记录仪即可读取其它制造商的自动谐振传感器的数据。2.8.3振弦式传感器的特性(1)振弦式传感器的特性曲线是非线性的，测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定，是相当麻烦的。因此，必须进行线性回归，作线性化处理。在选择了较佳的传感器工作频段时，从实测数据对比，其线性误差可小于2，能较为简便地适应自测试分析，也能保证较高的测试精度。(2)灵敏度 要提高灵敏度最有效的办法是缩短弦长，同时在保证振弦能稳定起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。此外，采用细弦，减小抗弯刚度，也可以提高灵敏度。但振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故钢弦不能过短，弦长与直径之比应大于200，般在300-400之间为宜。(3) 温度影响由于传感器零件的金属材料膨胀系数的不同，造成了温度误差。为减小这一误差，在零件材料选择上，除尽量考虑达到传感器机械结构自身的热平衡外，并从结构设计和装配技术上不断调整零件的几何尺寸和相对固定位置，以取得最佳的温度补偿结果。实践结果表明，传感器在-10-55使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5HzlO。(4)稳定性 振弦式传感器是机械结构式的，它不受电流、电压、绝缘等电参数的影响，因此，零点稳定。这是这类传感器的突出优点。但若材料选择处理不当，由于残余应力、蠕变等因素，会严重影响传感器的稳定性。为了提高振弦式传感器的长期稳定性，必须严格选择材料、工艺处理、加工方法并进行时效处理，才能保证其良好的稳定性。(5)滞后性 由于振弦式传感器是机械结构式的，以钢弦为转换元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静态和不大于10Hz的准动态测试。2.8.4振弦传感器的主要技术指标1)指标(1)回差：士05(20士5)(2)重复差：士O5(20士5)(3)稳定误差：士1O(4)使用温度范围：-10+55(5)温度附加误差：士O25l0(1.5Hz10)(6)灵敏度：士O.10(7)能抗与奥斯特外磁场干扰(8)能抗颠振2.8.5材料选择与工艺处理振弦传感器的材料选择与工艺处理直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性，因此，必须进行认真的选配和严格的工艺处理。1)材料选择的原则(1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同；(2)选用弹性模量低、弹性极限高的材料，通过工艺处理，能保证在最大载荷下，材料弹性变形在材料变形极限的l312以下；(3)弹性元件的抗蠕变能力好；(4)弹性元件的残余应力小；(5)材料成本低、性能稳定、工艺处理简便；(6)选用材料经处理后，其机械性能应尽可能接近被测材料。2)工艺处理要求在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量，以保证最大载荷时材料的弹性变形为材料弹性极限的三分之一左右。对各零件材料的抗蠕变能力及残余应力、加工应力应变等都进行了较合理的工艺处理。同时通过各种试验，确定了合理的结构，选择了最佳频段，使传感器性能稳定，取得了良好效果。综合技术性能比较理想，选到了技术要求和设计目的。工艺处理要点：(1)材料的调质热处理使材料晶粒改变，内部结构均匀，强度增高，尺寸稳定，提高抗蠕变能力并消除内应力；(2)控制加工进刀量，减小加工应力；(3)加工完成的传感器零件，进行中温回火处理，以消除加工应力；(4)传感器零件进行冷冻处理，使材料组织内少量残余奥氏体几乎全部变为稳定的马氏体组。以提高稳定性；(5)传感器装配前形变弹性体应超载张拉；(6)传感器总装完成后，应进行反复加、卸载试验；(7)严格防水密措施、防震措施；(8)在烘箱内进行长时间加速时效处理。2.8.6振弦式传感器的测量系统振弦式传感器通过激振电路激振后，输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪，进行测频或周期的测试。也可通过频率电压转换器或接口转换，输送给打印机、函数记录仪、光线示波器、微机等进行数据处理、记录存储。无阻尼振动振幅不变的简谐振动叫作无阻尼振动。简谐振动的物体在客服外界阻力做功不断消耗能量的情况下，振幅会越来越小，甚至完全停下来。这种振幅越来越小的振动叫作阻尼振动。如果对这个振动系统不断补充损耗的能量，使振动的振幅保持不变，这种振幅不变的振动叫作无阻尼振动。做无阻尼振动时，振动物体不断受到周期性变化的外力的作用。这种周期性变化的外力叫作驱动力，在驱动力作用下物体的振动叫作受迫振动。3 系统的硬件设计硬件设计主要是单片机的选择、单片机外围电路设计、电源模块设计、液晶显示模块设计、无线收发电路设计、和GPRS模块设计。3.1单片机的选择1、传统51：传统51适合初学者，容易上手，价格一般（从性价比方面说）。缺点：解密容易，一般功能也有，但A/D、EEPROM等功能要靠扩展，增加硬件和软件负担。2、PIC：PIC的好处就是各个型号的兼容性强。12系列，16系列，18系列也是充分的向下兼容。功能全，型号多，适于选型分析，抗干扰能力强。缺点：解密容易，单片机价格贵（从性价比方面说）。3、avrmega：avrmega价格较便宜（从性价比方面说），硬件结构适合C语言编程，功能齐全，不容易解密。抗干扰能力强。型号之间兼容性一般。缺点：功能寄存器多，不适合初学者。4、 STC12C5A60S2：STC价格便宜，性价比高，功能多，抗干扰能力最强，EEPROM大，串口编程很方便，又增加了许多功能。缺点：STC功耗偏高，做低功耗不太合适。一般用于研发用的比较多。所以本文选择STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC成为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC12C5A60S2可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz。STC12C5A60S2单片机如图7所示: 图7 STC12C5A60S2单片机 图8系统框图3.2单片机外围电路设计3.2.1时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，所以时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响了单片机系统的稳定性。时钟可以由内部方式产生和外部方式产生两种。如果外部时钟频率在33MHZ以上，直接用外部有源晶振；如果使用内部RC振荡器时钟，XTAL1和XTAL2脚浮空；如果外部时钟频率在27MHZ以上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须浮空。本文采用内部方式的时钟电路来为单片机提供振荡电路。内部方式的时钟电路如图9所示。STC单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。电容值在530PF之间选择，电容的大小会影响晶体振荡器频率的高低、稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，晶振的频率越高，系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。本文选用晶振为11.0592MHZ。 图9 内部方式时钟电路外部方式的时钟电路如图10所示。外部方式的时钟电路使用了外部振荡器产生脉冲信号，常用于多单片机同时工作，以便于多单片机之间同步。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。 图10 外部方式时钟电路3.2.2复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图11所示。只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。图12是常用的上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。图11 上电自动复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，它的上电复位功能与图11相同，但他还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。按键的时间决定了复位的时间，其电路如图12所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图13所示。在上述简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RESET复位引脚上接一个去耦电容。 图12 按键电平复位 图