（电力系统及其自动化专业论文）便携式智能弦式传感器检测仪的研制.pdf

a b s t r a c t t h ev i b r a t i o nw i r es e n s o rh a sa d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，h i g hp r e c i s i o n ， l o n g t e r ms t a b i l i t y e t c i na d d i t i o n ，t h eo u t p u to ft h ev i b r a t i o nw i r es e n s o ri s f r e q u e n c ys i g n a l ，s oi tc a nb et r a n s m i t t e dt of a r t h e rd i s t a n c e ，d i f f i c u l tt oa t t e n u a t e a n dc o n v e n i e n tf o rc o n n e c t i n gw i t hm i c r o c o m p u t e r t h ev i b r a t i o nw i r es e n s o rh a s s om a n ya d v a n t a g e st h a ti ti su s e da sa ni m p o t t a n ts e n s o ri nt e s t i n gs t r e s s s t r a i n ， d i s t o r t i o n ，s e e p a g e ，w a t e rl e v e la n dt e m p e r a t u r ei nm a n ys t r u c t u r e s ，s u c ha sd a m ， b r i d g e ，u n d e r g r o u n d ，c o a l m i n e ，t u n n e la n ds oo n i n t h i st h e s i s ，t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ev i b r a t i n gw i r e s e n s o ra r e a n a l y z e d t w o e x c i t a t i o n w a y s o ft h e v i b r a t j n g w i r e s e n s o r - c o n t i n u o u se x c i t a t i o nm o d ea n di n t e r m i t t e n te x c i t a t i o nm o d ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i la tt h es a m et i m e ，i n t e r m i t t e n te x c i t a t i o nm o d e ，w h i c ha d o p t s t h et e c h n o l o g yo fs w e e p i n gf r e q u e n c y , i sd i s c u s s e d t h er e s u l to fc o m p a r i s o n s h o w st h a tt h ei n t e r m i t t e n te x c i t a t i o nm o d e ，w h i c ha d o p t st h et e c h n o l o g yo f s w e e p i n gf r e q u e n c y , i st h em o s tp e r f e c tm e t h o d t h ed i r e c tf r e q u e n c ym e a s u r i n g m e t h o da n dt h ee q u a lp r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o da r ec o m p a r e di nt h i s t h e s i s a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ee q u a lp r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d i st h em o s te x c e l l e n tf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d v w 一1i n t e l l i g e n td e t e c t i o ni n s t r u m e n tf o rv i b r a t i n gw i r es e n s o rc a nm e a s u r e t h ep r e s s u r eo nt h ev i b r a t i n gw i r es e n s o rc o n v e n i e n t ly ，a n di ta l s oh a sm a n y e x c e l l e n tf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c s f o re x a m p l e v w - 1i n t e l l i g e n td e t e c t i o n i n s t r u m e n tf o rv i b r a t i n gw i r es e n s o rc a nm e a s u r et h ev i b r a t i n gf r e q u e n c ya n dt h e t e m p e r a t u r eo ft h ev i b r a t i n gw i r es e n s o r ；i tc a ns t o r et h em e a s u r i n gr e s u l tw i t ht h e t i m ei n t ot h ee x t e r n a lr a mo ft h em i c r o p r o c e s s o ro ft h ed e t e c t i o ni n s t r u m e n t ，a n d t h e ni n p u t st h er e s u l ta b o v ei n t op cb yr s 一2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ；i tc a l ls e t t h em e a s u r i n gp o i n ta n dt h et i m e ；i th a saf r i e n d l yo p e r a t i o n a li n t e r f a c ea n dc a nb e o p e r a t e dc o n v e n i e n t l ya n df l e x i b l ys i n c ei tc a nd i s p l a ym u l t i l e v e lm e n u sa n dh a sa s u i to f t o u c h i n gk e y s k e y w o r d s ：v i b r a t i n gw i r es e n s o r , p o r t a b l e ，d e t e c t i o ni n s t r u m e n t ，s w e e p i n g f r e q u e n c ye x c i t a t i o n ，e q u a lp r e c i s i o n i i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请碰学位的论文是本人在导师的指导下独 立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文彳i 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本 声明的法律后果出本人承担。 作者签名：翔凌名亳 日期：一年歹月彩r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 测和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密囱，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 作者签名：墨母麦蔚 刷磁名觞扪1 火 r 期：加6 年月衫只 r 期：鹚年岁月彳同 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 2 l 世纪人类已进入信息时代，作为现代信息技术三大核心技术之一的传 感器技术，将是2 l 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。传感器 的最初形式主要是模拟传感器，它将待测物理量如压力、温度、位移等转换 为模拟电压量或电流量，而模拟量很容易受到电磁干扰，不便于远距离传输。 而后发展起来的数字传感器是将待测量直接转换成数字量，这种信号具有极 高的抗干扰能力，适合远距离传输。随着数字技术及计算机技术的迅速发展， 数字式传感器的优点越来越突出，已成为传感器技术发展的一个热点。 本课题研究的振弦式传感器即为数字式传感器，研究表明，振弦式传感 器主要有以下突出优点： ( 1 ) 输出信号为频率信号，适合于远距离传输，便于与计算机接口。 国内石油井孔中压力测量及海洋中深水压力的测量中，其测距均在1 0 0 0 m 以 ：。法国的德来马克仪器仪表公司生产的振弦式传感器的测距指标为3 0 0 0 m 。 此外，频率信号可不经b u d 转换器而方便地与数字系统或计算机连接，直接 进行数字显示，具有数字传感器特征。 ( 2 ) 精度及分辨率高，功耗低，长期稳定性好，适宜长期观测。振弦 式传感器中的钢弦，经过热处理后，其蠕变极小，零点稳定。据国外资料介 绍，埋入坝体的钢弦应变传感器有的长达3 0 年之久仍能继续工作。 ( 3 ) 抗干扰能力强，可用于极端恶劣的环境。振弦式传感器的信号频 率范围多为4 0 0 h z 4 5 0 0 h z ，因此可成功躲过工频干扰；通过适当选择材料和 技术，可制造出能在5 0 2 0 0 环境下工作的振弦式传感器；振弦式传感 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 器也已经在高辐射条件下成功应用。这些都是传统的电阻式传感器无法比拟 的。 ( 4 ) 整体式牢固的机械结构，制作安装方便，可靠性好。振弦式传感 器的敏感元件是一根金属丝弦，它与传感器的受力部件易于连接固定，结构 简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试都非常方便。 振弦式传感器以其高精度，高分辨率，长期稳定性好，抗干扰能力强， i ：于长距离传输等诸多优点，在许多工程测试中有着举足轻重的地位。 ( 1 ) 振弦式传感器在大坝监测中的应用 一个庞大的水坝，在正常利用时会带来显著的经济效益和社会效益，但 一旦失事，会给人民生命财产造成巨大损失。因此，加强大坝的安全监测工 作是一项十分重要的任务，世界各国都将大坝监测列为大坝建设和运行管理 中一项必不可少的工作。目前，振弦式传感器主要用于国内外大坝安全监测 中，成为一种长期的观测手段。 大坝安全监测分为以应力、应变、温度、接缝、裂缝、渗透压力、基岩 变形监测为主要内容的内部监测和以大坝的水平位移、垂直位移、倾斜、挠 f l i 、滑坡、绕坝渗流、渗透流量、扬压力、水流流态及现场检查等为主要内 窬的外部监测两种“1 。目前，国内外对以上合压力、应力应变等项目进行观测 的观测仪器多采用振弦式传感器。 扬压力监测。大多数土石坝的扬压力监测是将渗压计放入标准的测压管 中进行的。振弦式传感器由于其直径可做得很小，无需扫孔即可直接放入绝 大部分工程的测压管中，从而克服了许多老坝中测压管直径通常偏小的缺点。 在美国，土石坝的孔隙水压力和坝基扬压力均采用孔隙水压计监测。我国的 许多水利工程扬压力也均采用振弦式传感器进行测量。 混凝土坝裂缝监测。振弦式测缝计除了可监测碾压混凝土施工过程中的 施工裂缝及己建成的坝中裂缝外，也可用于量测在大坝改造中新老混凝土接 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 合处的裂缝。较大部分其他类型的测缝计，振弦式传感器更适应碾压混凝土 的恶劣工作条件而无需改造，通常只需对电缆加以特殊保护以防止施工机械 带来的破坏。南非的一个碾压混凝土坝中，采用了i 0 0 多只测缝计沿坝轴线 串联在一起，用于监测坝体的裂缝状态。 水位和渗流量监测。弦式水压计量程可做到很大或很小，可为0 1 0 1 0 0 0 m 水头，而精度却很高，可达万分之几。在量测水位时，只需将适当量程 的弦式水压计放入库内即可。在进行渗流量监测时，只需将一只微量程的弦 式水压计放入渗流堰内即可得出渗流量。同时这种弦式微压计还可以消除大 气压变化的影响。我国浙江某大型抽水蓄能电站，采用的基康弦式渗压计可 达8 m p a 。 变形与应变监测。混凝土坝的变形与应变是在施工期将位移计和应变计 预埋于测点进行观测o “。在已建成的坝中，有关裂缝观测是将测缝计安装在裂 缝表面进行的。测缝计也用于坝体钻孔中以监测由于化学作用而产生的混凝 土膨胀，弦式测缝计也用于量测在大坝改造中新老混凝土接合处的监测。 ( 2 ) 振弦式传感器在桥梁、地铁等工程中的应用 桥梁和地铁由于各种自然因素作用以及日益增加的交通负载的影响，必 然会结构老化，功能退化。为了确保此类建筑物的使用安全性和耐久性，减 少和避免i l i 家、人民生命财产的重大损失，对桥梁、地铁等建筑物的结构进 行监测和评估是一项必不可少的工作”1 。同时，桥梁和地铁在施工期问也会有 较为复杂的内力和位移变化，为了确保大桥在修建中以及营运状态的安全， 进行施工监控是非常必要的。目前桥梁和地铁的应力监测的传感元件一般都 采用铡弦式应变计，其测试效果也明显好于传统的电阻式传感器。 ( 3 ) 振弦式传感器在煤矿开采中的应用 煤矿顶板来压监测。采用大量程振弦式位移传感器可将顶板动态及时自 动地传输回地面”3 ，进行处理和实施预报，克服了过去常用的机械位移计观测 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 数据少，反馈周期长，人为因素影响严重等缺点，其量程为l o o m ，分辨率达 到0 0 l f s 。 综合机械化采煤支架工况监测。综合采煤液压支架是采煤工作地面支护 装置，它以高压液体为动力，利用大量程振弦液压传感器对其工作压力进行 实时监测，对保证支护质量，掌握矿压规律，验证支架的适应性，进而从支 护角度指导回采工作面生产，提高开机率和产量具有重要意义。通过在进液 管时增加一活塞传递压力，并妥善解决密封问题，可使其量程由普通孔隙水 压力计的2 m p a 提高到5 0 m p a 。 ( 4 ) 振弦式传感器在油井监测中的应用 油井监测部门可以通过测量地层压力恢复曲线、地层动态压力变化曲线， 以计算地层产能等地质参数【。在油井环空测压，可用于计算液面、油水界面 及原油密度，实现不停抽油测试。目前油井测压常用的传感器主要有电阻式 传感器、压电式传感器及振弦式传感器【6 l 。在以上三种传感器中，振弦式传感 器具有体积小、稳定性好、耐高温、价格低廉，信号可长距离传输，测量电 路可以放置在地面等诸多优点，性能远优于其它两种传感器，因此被广泛用 于油井监测部门环空测压中。 本课题就是基于上述国内外振弦式传感器的应用现状和本课题的委托单 位广东省水利水电科学研究院多年致力于此方面研究的基础上进行的， 旨在利用目酊比较成熟的传感器技术、单片机技术和计算机技术研制丌发一 种便携式检测仪，使它具有完善的现场功能，能方便、准确、迅速地跟踪振 弦式传感器受力的变化，以方便获取各种待监测量。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 1 2 相关课题的国内外现状 1 2 1 振弦式传感器的发展史及其国内外现状 1 9 1 9 年，谢弗和麦哈克公司合作制成了最初的振弦式应变计。3 ，仪器标 距只有5 0 m m 长，测量的范围有5 0 0 i 0 1 和1 5 0 0 i 0 1 两种，灵敏度分别为1 i 0 “和3 i 0 。6 。1 9 3 2 年，前苏联制成了振弦式仪器接收设备，并开始在实 际工作中应用。 我国对振弦式传感器的研制开始于上世纪7 0 年代末。山东科技大学从 1 9 7 8 年起进行振弦式传感器的研究开发工作。由南京水利科学研究所研制的 一种简易的s a o 一2 型振弦式传感器的为巡回检测装置于1 9 8 4 年正式安装在浙 江三馕船闸使用，该设备容量为3 2 个测点。8 0 年代中期，国内改变振弦材料 研制出了钨弦动态土压力传感器和钨弦岩石传感器。9 0 年代，我国研究人员 又成功将常用双线圈振弦式传感器的激振线圈和拾振线圈合二为一，研制出 单线圈振弦式传器，使得传感器体积大大减小。 近几十年来，国外在振弦式传感器小型化，高精度，高灵敏度，稳定性 等方面有了很在进展。国内在振弦式仪器主要技术指标上与国外还有一定差 距，但近几年来技术提高较快，在工程运用较多。 1 2 2 智能仪表的发展与现状 仪表的产生和发展经历了三代。第一代仪表是以指针式为主的仪表，如 沿用仝今的万用表、电压表、电流表、功率表以及简单的非电量检测仪表和 显示仪表等等。这些仪表的基本结构是电磁式和力学式，最终结果均以指针 的运动来显示。第二代仪表是数字式仪表，如目前工程上和实验室使用的数 字频率计、数字功率计、数字万用表和数字显示仪等等，这类仪表显示结果 5 武汉大学硕士论文使携式智能弦式传感器检测仪的研制 直观，并以其快速响应和测量的高精度得到了广泛的应用。但这类仪表功能 仍然十分简单，不具备记忆、对数据分析处理、可程控以及人机对话等高级 功能。 自从1 9 7 1 年世界上出现了第一种微处理器( 美国i n t e l 公司4 0 0 4 型4 位 微处理芯片) 以来，微机技术得到了迅速的发展 7 1 。测控仪器在它的影响下有 了新的活力，微型机在某种特定条件下缩4 , n 可以置于仪表中，作为仪表的 控制器、存储器及运算器，使其具有了智能作用，于是产生了第三代仪表一 智能仪表。智能仪表是计算机技术各测量仪器移植的产物。含有微型机或微 处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操 作等功能，呈现出智能的作用( 表现为智能的延伸或加强等) ，因而被称为智 能仪表。2 0 世纪8 0 年代以后，在高准确度、高性能、多功能的测量仪表中已 经很少有不采用微计算机技术的了。本课题研制的v w 一1 型便携式弦式检测 仪即是以单片机为核心的智能仪表。 1 3 本课题完成的主要工作 根据设计要求，本课题完成以下主要工作： ( 1 ) 研究了振弦式传感器的起振方式，拟定了振弦可靠起振的最佳方 案。 ( 2 ) 研究了弦式传感器的拾振方式，拟定了一项能按要求采集传感器 信号并能有效去除干扰的合理方案。 ( 3 ) 研究了频率测量方法，使频率测量达到足够高的精度。 ( 4 ) 以单片机为核心，设计了频率测量、温度测量，并能实现液晶显 示、键盘操作及通讯功能的硬件电路。 ( 5 ) 结合上述硬件电路，编制了完成相应操作任务的软件程序。 ( 6 ) 研制出样机，并完成系统软硬件系统调试。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 第二章振弦式传感器介绍 2 1 传感器的基本概念 在瞬息| 丁变的信息时代，人们主要依靠对信息资源的开发、获取、传输 和处理来进行各种工业生产和科学实验活动。传感器作为感知、获取与检测 信息的窗口，已成为现代信息技术的关键。传感器是能感受规定的被测量并 按照一定规律转换成有效输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件、 转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源【8 】。传感器的组成框 图如图2 1 所示。 ： 辅助电源 一一一一一- 一一 幽2 1 传感器组成框幽 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元 件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的 电信号部分，测量电路则用于将转换元件输出的微弱电信号经放大整形而转 换成可与微机或单片机接口的有用电信号。此外，测量电路及传感器工作时 须加的辅助电源也应作为传感器的一部分。 将传感器用于生产和科学实验时，总是希望传感器能真实地反应被测量 的变化。影响传感器测量准确性的因素很多，它们构成了传感器的基本特性。 传感器的基本特性通常包括传感器的线性度、灵敏度、精度、迟滞、重复性、 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 瞬态响应特性以及频率响应特性等。其中，前五种主要反应被测量处于稳定 状态时的输入输出关系，因此也被称为静态特性；后两种主要反应传感器的 输出与随时间变化的输入之间的关系，因此也被称为动态特性。下文将对传 感器的静态特性分别作介绍。 ( 一) 线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。如 果不考虑传感器的迟滞、蠕变等因素的影响，传感器的输出与输入之涮的关 系可用f 示多项式表示f 8 1 ； y = 口o + 臼i x 十口2 x 2 + a + 盯。x ” ( 2 - 1 ) 式中吼表示输入量x 为零时的输出量，也就是传感器的零点，通常希望 此值越小越好：口，口：，a ，疗。为传感器的非线性系数。通常传感器的线。i i ! i i i i i 其最大非线性绝对误差与满量程输出之比yl 表示，即 y 赶等圳慨 沼z ， 上式中，址表示传感器最大非线性绝对误差，表示传感器的满量 程输出。 ( ：二) 灵敏度 灵敏度是指传感器输出的变化与引起输出变化的输入变化之间的关系， 反映的是传感器跟踪被测量变化的能力，如下式所示【8 】 s ：垒 ( 2 3 ) 缸 式中，s 表示灵敏度，缈表示输出量的变化量，缸表示输入量的变化量。 对于线性传感器，s 为一常数，而对于非线性传感器来说，s 则为一变量。 ( 三) 精度 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 传感器的精度是指传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感 器满量程输出的百分数，它代表了测量结果的可靠程度，其表达式为 a ：竺1 0 0 ( 2 4 ) 珐 式中a 表示传感器的精度；创表示测量范围内允许的最大绝对误差；表示 传感器满量程输出。 ( 四) 迟滞 迟滞是指传感器在被测量( 输入量) 增大和减小的过程期间，其输入输 出关系不重合的现象。这种现象主要是由于传感器敏感元件材料的物理性质 和机械零部件的缺陷所造成的。 ( 五) 重复性 重复性是指传感器在被测量在全量程范围内按同一方向作连续多次变化 时，输入输出特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准 偏差表示，即 ：( 2 丁3 一) o - 1 0 0 ( 2 5 ) l ；s 式中，y 。表示重复性误差，仃为标准偏差，y 。表示传感器的满量程输出。 其中，标准偏差盯可用式( 2 - 6 ) 计算得到 ( 2 6 ) 式中，r 为测量值，f 为测量值的算术平均值，n 为测量次数胛= 2 , 3 ，4 a 2 2 振弦式传感器介绍 振弦式传感器是频率型应力应变传感器，它利用振弦的振动频率随其所 9 障 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 受压力的改变而改变的特性，通过测量传感器振弦的振动频率从而经换算得 到相应的被测压力。振弦式传感器由于其具有长期的稳定性、可靠性、耐久 性、抗干扰能力强及高精度，频率信号不易衰减等优点，同时振弦式传感器 对电缆的要求也大大降低，从而节省了大量工程费用，另外振弦式传感器还 有令人满意的耐恶劣环境和快速反应能力，以便于自动化接口，因此，振弦 式传感器在许多地方基本取代了电阻式等传统的传感器。 2 2 1 振弦式传感器基本结构及工作原理 如图2 2 所示，振弦式传感器主要由振弦、导磁体、线圈、信号电缆、承 爪膜片及支座等元件组成。 承乐膜片 振弦 软铁片 支庠 图2 - 2 振弦式传感器结构 振弦作为振弦式传感器的敏感元件，其振动频率与其所受应力有关，在 振弦的长度一定时，振弦的振动频率能表征应力的大小，因此是一关键元件。 电磁线圈安置在u 形导磁体上，它用来产生振弦起振所需的激励信号，电磁 线圈中通以电流时，导磁体磁性增强，振弦被吸住；若电磁线圈中电流消失， 导磁体失去磁性，振弦被释放并产生自由振动。振弦的自由振动将使软铁片 与导磁体之间的磁阻发生变化，于是又会在电磁线圈中产生感生电动势，此 感生电动势的频率即为振弦的振动频率，虽然由于阻尼的存在，振弦的自由 振动的振幅及由此所至的感生电动势幅值都将呈衰减趋势，但其频率却是一 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 定值，因此不会影响频率的测量，只要能测出感应电动势的频率就可以得到 振弦的频率值，从而得到振弦所受应力【9 。电磁线圈通以一定频率的交流电时， 将产生交变磁场。磁力线的通路是由导磁体、软铁片、振弦、导磁体，形成 一个封闭磁路i l 。此外，振弦式传感器不能直接接受压力信号，所以测压力 时要用承压膜片或膜盒的有效面积把压力变成集中力，然后，利用振弦刚度 的变化得到频率输出，从而得到相应的振弦所受的应力。 在分析振弦式传感器频率与压力的关系时，可将其等效成一个两端固定 张紧的均匀弦。振弦式传感器的物理模型如图2 3 所示 一x=o x = l 撇南u 幽2 3 振弦式传感器等效物理模型 图中x 表示横向振动的平衡位罱，u 表示弦作横向振动时偏平衡位置的位 移，t 为弦的张力，l 表示弦长，这样由物理学原理得振弦受激励后产生的自 由横向振动方程及其边界条件分别为1 j 3 ：u 一口2 0 2 u ：0 a l za x 2 “i ：o = 0 “b = 0 ( 2 7 ) “k = 田( x ) 孰刊x ) 式中，a 2 = 形，p 为弦的线密度( 即单位长度所具有的质量) ，t 表示时间， l l 武汉大学硕士论文使携式智能弦式传感器检测仪的研制 o ( x ) 表示弦的初位移，妒( x ) 表示弦的初速度。 由分离变量法求解得可能的驻波解为： 哪h 佃s 罕+ 跗n 罕) s i n 竽 式( 2 8 ) 中，n 为任意f 整数，以，以为定常系数。 得驻波频率f 为： ，：旦：一 s z ；= 竺 。 2 万2 n 2 l 显然波长最长驻波的频率对应于n = l ，即： 厂2 昙 将口2 = 形代入式( 2 - 1 0 ) 中得： ( 2 8 ) 由式( 2 - 8 ) 很容易求 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 厂= 刍括 弦， 引入7 ：j 盯和盯：e 掣，则式( 2 1 1 ) 改写为： = 寺居= 击层= 击序= 刍房协 式( 2 1 2 ) 中，s 为振弦的横截面积，成为弦的体密度( p 。= ) ，为振 弦受张力后的长度增量，e 为振弦的弹性模量，o 为振弦所受的应力。 通常情况下，振弦的质量m ，工作段( 即两固定点之f f i ) 的长度l ，弦的 横截面积s ，体密度p 。及弹性模量e ，皆为常数。由此可知弦长的增量a i 与 振弦的最长驻波波长的振动频率之间有确定的关系，亦即振弦所受的应力与 其振动频率之俐有确定的关系，如式( 2 - 1 i ) 。 事实上，对任意一个机械力学系统都存在有确定数值的固有振荡频率，若 对此系统以其固有频率进行激振，系统将产生谐振，而谐振时的频率就是振 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 幅达到最大值时的振荡频率，只要测出此谐振频率，就可得到相应被测量的 值。这就是振弦式传感器的基本工作原理。 2 2 2 振弦式传感器特性分析 ( 一) 灵敏度 振弦式传感器的灵敏度是振弦的振动频率变化量与振弦的张力或与振弦 的相对变形变化量之比。 出( 2 1 2 ) 知 厂：= 1 掣( 2 - 1 3 )。 2 ，vp ， 。 将( 2 1 3 ) 式两边平方得 厂z ：当l( 2 1 4 ) 。4 1 2 p 。， 于是振弦式传感器的灵敏度为 望：上( 2 - 1 5 ) d ( a t t o ) 2 8 l - p j o 。2 不难看出，缩短弦长、降低振弦的初始频率、增大振弦材料的弹性模量 都能提高振弦式传感器的灵敏度。 ( 二) 输入输出特性 设振弦的初始张力瓦对应的初始频率为f o ，当振弦受到被测力7 0 + 7 1 作 用时，其输出感应电动势频率为 = 壶乎= 兀孵p ，s ， 将( 2 1 6 ) 式展丌成幂级数形式为 武汉大学硕士论丈便携式智能弦式传感器检测仪的研制 厂= t + 吉( 等) - ；( 等 2 + 去( 等 3 一a c z 朋， 出于上式中t t i ，略去上式中的高次项后为 h m 舭 制 协，s ， 出式( 2 1 8 ) 可见，当输入r = 0 时，f = f o ，即以初始张力瓦对应振动频 率输出f o ；当4 t 0 时，作用于振弦的张力改变量a t 与输出频率的改变量 a f 的关系式为 厂= 厂一 = 兀 圭( 等) 一；( 等 2 c z 一， 由式( 2 1 9 ) 可见，振弦式传感器有较大的非线性，其最大的非线性误差为 j = = 故 沼z 。， 振弦式传感器的输入输出特性曲线如图2 - 4 所示，可以看出振弦工作在 图2 - 4 振弦式传感器的输入输出特性曲线 4 两 忆 时如 如 加 m 武汉大学硕士论文 便携式智能弦式传感器检测仪的研制 2 0 0 0 h z 4 0 0 0 h z 范围内时，非线性误差较小，由文献( 9 ) 知，此非线性误 差可小于1 ，此段的特性曲线接近平直。为了使用特性曲线的平直段，要 求待测参数为零时，振动频率不能为零：换言之，对应初始频率要求振弦具 有一定的初始张力。 为了减小振弦式传感器的非线性误差，可将两根材质相同、长度相等的 振弦接成差动的形式f 1 2 】，如图2 5 所示 图2 - 5 差动式振弦传感器原理图 砹网根弧5 幺阴例媚张力? j 和初始频翠f o 相等，当待测压力作用于两根振 弦上对，一根振弦上的张力将增加丁，另一根振弦上的张力将减小，对 应一根振弦的振动频率将增加v ，而另一根振弦的振动频率将减小a f ，有 性一灌心一a 协z t ， 五= 小+ 三( 等一( 爿2 + 去( 半) 3 一a 沼z z ， 州五m 矧3 + a 通过差频电路可以直接测定两振弦的频率差， ( 2 2 3 ) 它可将振弦式的非线性误 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 差减小至；滢 2 ，龇式弦z 。，示出的单根弦的非线性误差小得多。同时 采用差动式结构时，其灵敏度也由单根弦时轰提高到砉。此外，由于温度 对两根弦的影响是一样的，所以差动式传感器还可以自动进行温度补偿。 2 2 3 振弦式传感器的温度补偿 根据物理学中热学规律可知，振弦的长度l 及弹性模量e 都会随温度的 变化而改变。因此，振弦的频率相对值v 厂也会随温度的变化而漂移。温度 对振弦式传感器的影响，主要表现在零点的漂移和灵敏度的变化这两个方面。 产生的原因是由于振弦和它的支座，所用的材料的线膨胀系数不同，因此在 温度升降时频率会发生变化，根据理论计算，若振弦和它的支座两者材料的 线膨胀系数差1 0 ，当传感器的初频为1 0 3 h z 时，温度每升高i o c ，会引起 初频变化3 h z 。弹性模量e 随温度的变化，不仅使频率不稳，同时还会影响灵 敏度。因此，温度是振弦式传感器最主要的影响，在经典传感器中主要采用 结构对称( 机械结构对称、电路结构对称) 来消除其影响，在智能传感器的 初级形式中采用以硬件电路来实现的“拼凑”补偿技术【j 。本课题将通过对 温度的测量由软件来实现补偿。 国际公认的振弦式传感器的数学模型为h 1 f = g 机2 一2 ) + k p 2 一t o2 ) ( 2 2 4 ) 式中g 为振弦式传感器的线性系数，k 为其温度系数，五为传感器初始 频率，瓦为传感器的初始温度，厂为传感器在水中的频率，7 为传感器在水 中的温度读数，f 为传感器所受压力。以上七个量中，前四个由传感器供应 1 6 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 商提供。因此只要在测频率的同时也测出传感器的温度，就能很方便地利用 ( 2 - 2 4 ) 式对其进行温度补偿，使对频率的测量结果达到足够高的精度。 2 2 4 振弦式传感器的激励方式 振弦式传感器测量有两个过程，其一为使振弦能够产生谐振，必须给振弦 以激励力，振弦是依靠电磁力的变化而产生及维持的，因此，必须由传感器 外部经信号电缆提供一接近振弦式传感器固有频率的激励信号加在传感器线 圈( 激振线圈) 上，使其振弦处于振动状态，此过程称为激振过程；其二为 利用振弦切割磁力线在另一线圈( 拾振线圈) 上产生的衰减的感生电动势， 测量仪表将信号进行采集、滤波、放大，并测量其频率，此过程称为拾振过 程。下面将着重介绍振弦式传感器的几种激励方式，其拾振电路本文将在后 续章节中作详细介绍。 传统的振弦式传感器激振方式按激励信号产生的方式分可分为两种：连续 激励方式和阻j 歇激励方式。前者是出测量信号通过反馈环节产生激励信号， 后者是由一单独的信号发生电路产生激励信号。 ( 一) 连续激励方式 根据激励环节的不同连续激励方式又分为电流法和电磁法两种。 电流法适用于单线圈振弦式传感器。它是将振弦作为振荡电路的一部分 置于磁场中，如图2 6 所示。当振弦中通以电流时，磁场中的载流振弦受到 洛仑兹力的作用产生振动，振动后的输出信号经放大后通过f 反馈电路将输 的部分电流反馈到振弦卜使振弦连续振动。 电流法的优点是可以连续测量被测参数的变化。但由于振弦长期通以电 流连续激励，容易疲劳，此外，振弦通电时还要考虑振弦与外壳的绝缘，而 绝缘材料与令属的热膨胀系数差别较大，易产生温度差，影响测量的精度【引。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 图2 - 6 电流法激励示意图 输出 电磁法适用于双线圈振弦式传感器。采用此方法时，传感器的振弦不必 通以电流，如图2 7 所示。两线圈分别为激振线圈和拾振线圈，激振线圈中 通以电流激励振弦振动，在以上的分析中已经得知，振弦的振动将在拾振线 圈内产生感生电动势，经放大后的一部分信号又f 好反馈到激励线圈，使振 弦维持连续振动【8 1 。 斗形 专r 髟 图2 7 电磁法连续激振示意图 和电流法一样，电磁法也可以连续测量被测参数的变化。此外，由于电 磁法中振弦不必通以电流，故不需绝缘。但出于需要使用两个线圈，因此其 外形尺寸较大，工艺结构相对复杂，又由于输入和输出接成了闭环，很容易 产生高频电磁干扰振荡，使工作不可靠，所以这种方法在实用中基本上不采 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 用。 ( 二) 间歇激励方式 间歇激励方式如图2 8 所示。一当张弛振荡器给出激励脉冲时，继电器吸 斗一 图2 - 8 间歇激励示意图 合，电流通过磁铁线圈使磁铁线圈使磁铁吸住振弦。电流断开后松丌振弦， 振弦便自由振动，与线圈磁铁的间隙就周期性地变化，在线圈中产生感应电 动势，并经继电器常闭接点输出，感电动势的频率即为振弦的振动频率，此 时的激振线圈和拾振线圈为同一个线圈。为了使振动不因受空气阻尼影响而 衰减消失，张弛振荡器必须输送周期性的脉冲电流，从而维持振弦的持续振 动，激励波形及振弦振动波形如图2 - 9 所示。 口口口 图2 - 9 激励波及振弦振动波示意图 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 间歇激励克服了连续激振容易疲劳的缺点，而且开环测量，能有效防止 高频干扰，但传统的间歇激励方法由于使用调节范围很小的频率进行激励， 如果激振信号频率选择不当，振弦将很难起振。另外振弦所受压力是变化的， 张弛振荡器的频率不能跟踪这一变化，从而也会使得振弦难以起振。 兼顾连续激励法实时跟踪性好和间歇激励法开环测量抗干扰能力强的优 点，同时，克服连续激励法连续激励容易疲劳及间歇激励法难以起振，工作 可靠性差等缺点，本文采用了扫频激振技术来实现振弦的可靠起振及维持。 频激振技术将在后续章节中洋细介绍。 2 2 5 基康( g e o k o n ) 弦式仪器 美国基康公司是全世界最大的弦式监测仪器制造商，生产超过3 0 0 种各类 岩土及大坝监测仪器，其产品素以精度高、可靠性及长期性好而著称。基康 产品己广泛应用并获得一致好评【“1 。本文选用的是g e o k o n4 5 0 0 s 5 0 型传感 器。 图2 1 0 所示为典型的基康弦式渗压计，g e o k o n4 5 0 0 s 5 0 型传感器外壳 采刷削腐蚀的不锈钢制成，其内部主要由承压膜片、钢弦和线圈构成。高强 度钢弦通过预拉后一端固定在感应膜片的中心，另一端固定在传感器的底板 l ：，并将钢弦穿过一个线圈绕组，线圈中通过电流激发钢弦发生振动。出于 振弦式传感器的振弦与承压膜片直接相连接，水透过透水石后水压作用到承 压膜片上，水压的变化将引起承压膜片的微量偏移，使得钢弦的张力( 张紧 程度) 发生变化，相应钢弦的振动频率发生变化。钢弦的振动频率厂与钢弦 1 厣 张力t 之间有上述推导的关系式厂2 寺j 寺。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 进木石 1 0。0 二_ 舒茸 图2 1 0 典型的基康弦式渗压计结构 o e o k o n4 5 0 0 s 5 0 型传感器还带有温度传感器，通过测量传感器本身及周 围环境的温度，可以对所测信号进行温度补偿，以提高测量精度。 此类传感器的埋设地点大多在野外，所以有遭受雷击的可能，为此g e o k o n 4 5 0 0 s 型传感器均配有雷击保护装置，可以最大程度地减少雷击破坏的可能。 如前面章节分析，振弦式传感器的输出信号为频率信号，此信号受电缆影 响不大，但为保证传感器的可靠使用并能远距离传输，g e o k o n4 5 0 0 s 型传感 器的信号引出电缆采用的是g e o k o n2 - 2 5 0 v 6 型优质电缆。g e o k o n2 - 2 5 0 v 6 型为五芯双绞屏蔽电缆，除公用屏蔽线外，其余四芯分别有红、黑、绿、白 色聚丙烯护套，其中红黑两芯输出为频率信号，绿白两芯输出为温度信号。 以上每两芯相互对绞并用聚脂铝箔屏蔽。 g e o k o n4 5 0 0 s 一5 0 技术参数如下 9 i ： 标称量程( p s i ) ：5 0 ，1 0 0 ，2 5 0 ，5 0 0 ，1 5 0 0 0 分辨率：0 0 2 5 f s 精度：0 1 f s 过载能力：2 倍量程 零漂： 剖r s 2 3 2 接口 弦 a t 8 9 c 5 2 一显示l l 竺翌竺卜_ 微处理器li 传 感 器 压频转换 剐键盘 图3 - lv w 一1 型便携式智能弦式传感器检测仪的硬什原理剀 从图中可以看出，以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的w l 型便携式智能弦式 传感器检测仪主要由主机、频率测量单元、温度测量单元、人机接i ；3 、通信 接口、实时钟等部分组成。整个系统的扩展和配置设计具备以下特点： ( 1 ) 选用大量典型电路，符合单片机的常规用法，硬件系统标准化、 模块化。 ( 2 ) 系统中单片机及其相关的所有芯片均选用c m o s 器件，使整机功 耗大大降低。 ( 3 ) 通过采用滤波、光电隔离、印刷电路板合理布线等措施，使仪器 的抗干扰能力大大增强。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检涸, 1 4 u - 的研制 ( 4 ) 在满足应用仪器功能要求的同时，还在数据存储量，电源电压测 量等方面留适当的余地，以便于仪器的二次开发。 ( 5 ) 在满足速度要求的前提下，软件能实现的功能尽量用软件实现， 使硬件结构大大减化。 3 2c p u 的选型及扩展 本仪器选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机作为其核，t l , 部件。a t 8 9 c 5 2 是 一种低功耗、8 位高速c m o s 微处理器，片内含有8 k 字节r o m ，2 5 6 字节 r a m ，4 个8 位i o 口线，3 个1 6 位定时计数器，2 个外部中断请求源，与 m c s 一5 1 系列产品兼容。 除单片机内部2 5 6 字节r a m 外，该仪器外扩了6 4 k 字节的片外r a m ， 用于存储测量值。同时为连接键盘的需要，仪器使用了8 1 5 5 可编程并行i o 扩展接口，而8 2 5 3 可编程定时器计数器扩展接口则在频率测量电路中作计数 之用。 3 3 频率测量单元 3 3 1 扫频激振技术 扫频激振属于间歇激振方式。与传统的间歇激振不同，扫频激振的激励 信号频率可以针对传感器的固有频率进行调节，使用一系列与此固有频率相 近的频率去激励振弦 1 6 1 ，使振弦能以最快的速度及最大的能量起振并维持足 够睦的时问。此技术的扫频信号由软件产生，大大简化了硬件结构，同时对 传统刮歇激振方式中测量结果的实时性差的不足也有很好改善。 本课题研制的仪器中扫频激振原理图如图3 - 2 所示。 武汉大学硕士论文便携式智能弦式传感器检测仪的研制 叵堕卜曰恒 卜 图3 - 2 扫频激振原理图 扫频的具体过程如下：出单片机i o 口按一定频率产生的扫频信号经驱 动电路驱动去激励振弦，振弦可靠起振后，由振弦的振动在线圈中产生的感 生电动势即进入放大电路作迸一步处理。实验测得切换至放大电路的感生电 动势的波形如图3 - 3 所示： 幽3 3 振弦振动产生的感生电动势波形 3 3 2 扫频激振技术的软件实现 根据上述扫频激振原理，并充分利用单片机系统的定时器计数器，i o 口等内部资源，实现扫