搜索
振弦式传感器在桥梁检测装置中的应用中国地质大学（武汉）机电学院【摘要】振弦式传感器的固有振动频率与所受压力有着的定量的关系。对传感器施加同频率的激励信号可以使其发生共振，输出较大的频率信号。由MSP430单片机测量由振动所产生的感应电动势的脉冲周期，从而得到弦的振动频率，进而计算出应力。通过单片机的串口通信模块发送给GPRS模块，再通过GPRS的无线传输方式将数据发送至桥梁监测中心，对桥梁的状况进行远程监测。一、设计背景与思路振弦式传感器属于频率型传感器,它结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、输出为频率信号、便于与微机接口,具有一般谐振式传感器的优点.广泛应用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中。利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。因此，可获得非常理想的测量效果。二、设计方案1、振弦式传感器的基本工作原理振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。l振弦T图1振弦的振动频率可由以下公式确定：其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机。单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。2、为了改变便携式桥梁检测仪的人工量大的缺点，我们将在桥梁等间距的16个检测点安装16个振弦式传感器，通过单片机控制16通道的信号分时采集，从而提高了数据采集的实时性，也增加了采集的数据的可比性，为桥梁的安全监测提供可靠的保证。我们设计的基于振弦式传感器的桥梁检测装置的整体框架图：（如图2）3、振弦式传感器信号提取思路对振弦式传感器有两种激励方式：一、直流信号激励，二、方波信号激励。直流信号激励：对传感器施加一个直流激励信号，电流流过线圈的时候产生磁场吸住振弦，然后继电器切换，将传感器接至拾振电路，此时振弦被释放而自由振动，产生一个频率信号，通过拾振电路的放大，滤波之，从而提取到传感器的信号。方波信号激励：对传感器施加一个方波激励信号，当方波激励信号的频率与振弦的固有频率相同时，振弦迅速共振，然后继电器切换，将传感器接至拾振电路，进而通过放大，滤波得到所需信号。我们在实验阶段采取的是用方波信号作为激励信号，通过实验提取到了传感器的信号。现阶段我们还需要解决一些问题，例如激励信号的幅度给多大，拾振电路存也还需要一些改进。继电器会产生干扰信号，且切换速度太慢，不能满足要求，带通滤波器效果不是很理想。在后续工作中，我们会采用其他的切换方法代替继电器，对滤波器做一些改进。我们还将实验用直流信号激励传感器。......图2A、振弦式传感器信号提取的原理框图：（如图3）图3B、振弦式传感器信号提取的硬件电路图：（如图4）该部分我们已经实现了信号提取功能，并且通过示波器看到了较稳定的波形，经过多次比较实验我们确定了该信号就是我们所需要的信号。振弦式传感器1器振弦式传感器2振弦式传感器3振弦式传感器15振弦式传感器16通道选择开关通道管理PWM波扫频信号单片机MSP430定时器/计数器RS232串口存储模块振弦式传感器继电器放大电路滤波电路示波器激振电路拾振电路GPRS模块激励信号信号调理R110kR210k321411LM324R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1NE555C51nFC61nFVEER3100kR420kVCCRL1G2RL-24-CF-DC12C11nFIN4007DIODE-DSIM激励源激励源振弦式传感器32647851U3AD620VCCRV1RES-VARC21nFVDDV1567411LM324R510kR610kR710kVDDVCCR83.3kR93.3k1098411LM324C310nFR1020kR1120kVCCC410nFVDDC71nFC81nF121314411LM324VCCVDDR1210kR1310kR1410kR1510k同向比例放大器带通滤波差分放大555定时电压比较器继电器切换激励和输出信号VCC=12VVEE=5VVDD=-12VV1VO图44、下一步是得出信号的频率，为此我们打算用频率可调的PWM波对传感器进行激振。我们的初步设计各模块的具体实现框图为：I、扫频信号：利用定时器的比较功能产生产生频率可变的PWM信号作为振弦式传感器的激励信号，该部分的软件流程图为：（如图5）II．传感器信号的采集：利用MSP430单片机内部定时器的捕捉功能对传感器震荡的频率信号进行计数，计算频率，根据频率与应力的关系式计算出应力。该部分的软件流程图为：（如图6）3、通讯模块的原理框图：（如图8）图8.通信系统结构以MSP430单片机为现场数据采集端的MCU，并以MC39I为GPRSModem来实现与互联网接入，将GPRS无线技术引入桥梁安全检测测频系统，非常适用于要求实时性的、大数据量传送的远程数据监控系统应用场合。MCUMSP430GPRS数传终端远程监控系统数据中心服务器InternetIntranetGPRS网络NOYESNOYES图5图6三、结束语到目前为止，已经初步完成了信号提取功能，基本得出了振弦式传感器的频率范围，为了得出比较精确的范围。还需要进一步改进的硬件电路，使得外界干扰信号的影响较小。关于测频电路的设计，那是查阅了大量资料并结合整个项目的功能而形成的初步构想，那将是后续工作的重点。完成这个项目的设计是一个长期而艰巨的任务。参考文献：[1]吴卿,侯建军.基于μC/OS2Ⅱ的振弦式传感器测频系统的设计与应用.北京：北京交通大学学报,2006.[2]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.[3]白泽生.基于振弦式传感器测频系统的设计.陕西：《现代电子技术》,2007.[4]吕国芳，李东明，刘希涛.振弦式传感器扫频激振技术.创意与实践.开始关狗，初始化时钟初始化PWM信号，占空比为50%，频率为700Hz开定时器，设置定时间隔定时时间到修改CCR0、CCR1的值定时比较模式，输出频率可变的PWM波结束开始初始化CAP开总中断捕捉标志是否为1清零捕捉标志捕捉当前捕捉脉冲数计算两次捕捉时间差，并计算待测信号的频率由公式计算应力结束是否发生2次捕捉