基于振弦式傳感器測(cè)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 振弦式傳感器的工作原理

振弦式傳感器由定位支座、線圈、振弦及封裝組成。振弦式傳感器可等效成一個(gè)兩端固定繃緊的均勻弦，如圖1所示。

振弦的振動(dòng)頻率可由以下公式確定：

其中S為振弦的橫截面積，ρv為弦的體密度(ρv=ρ/s)，△l為振弦受張力后的長(zhǎng)度增量，E為振弦的彈性模量，σ為振弦所受的應(yīng)力。

當(dāng)振弦式傳感器確定以后，其振弦的質(zhì)量m，工作段(即兩固定點(diǎn)之間)的長(zhǎng)度L，弦的橫截面積S，體密度ρv及彈性模量E隨之確定，所以，由于待測(cè)物理量的作用使得弦長(zhǎng)有所變化，而弦長(zhǎng)的變化可改變弦的固有振動(dòng)頻率，由于弦長(zhǎng)的增量△l與振弦的最長(zhǎng)駐波波長(zhǎng)的固有頻率存在確定的關(guān)系，因此只要能測(cè)得弦的振動(dòng)頻率就可以測(cè)得待測(cè)物理量。

2 測(cè)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

振弦式傳感器工作時(shí)由激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率相接近時(shí)，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài)，振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)檢測(cè)電路濾波、放大、整形送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的信號(hào)，通過(guò)軟件方式反饋給激振電路驅(qū)動(dòng)電磁線圈。通過(guò)反饋，弦能在電磁線圈產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在本振頻率點(diǎn)振動(dòng)。當(dāng)激振信號(hào)撤去后，弦由于慣性作用仍然振動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖周期，即可測(cè)得弦的振動(dòng)頻率，最后將所測(cè)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。測(cè)頻原理框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的基本原理和思想，設(shè)計(jì)的測(cè)頻系統(tǒng)的整體電路如圖3所示。主要由激振電路、檢測(cè)電路、單片機(jī)控制電路和顯示電路等幾部分組成。工作過(guò)程是由單片機(jī)產(chǎn)生某一頻率的激振信號(hào)，經(jīng)放大后激勵(lì)振弦振動(dòng)，拾振線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)幾級(jí)放大后送給單片機(jī)處理，最后送顯示電路顯示。

2.2.1 激振電路

激振電路采用掃頻激振技術(shù)，就是用一個(gè)頻率可以調(diào)節(jié)的信號(hào)去激勵(lì)振弦式傳感器的激振線圈，當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率相接近時(shí)，振弦能迅速達(dá)到共振狀態(tài)。由于激勵(lì)信號(hào)的頻率是容易用軟件方便控制的，所以只要知道振弦固有頻率的大致范圍(一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一種已知的傳感器其固有頻率的大致范圍是確定的)，就用這個(gè)頻率附近的激勵(lì)信號(hào)去激發(fā)他，就能使振弦很快起振。

微機(jī)系統(tǒng)I／O口按照一定的頻率(這個(gè)頻率可以是傳感器的固有頻率初始值，也可以是上一次的測(cè)量值)產(chǎn)生激振信號(hào)(考慮一定的余度)，通過(guò)基本功率放大電路放大后，激振電流流過(guò)激振線圈，激振電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)激勵(lì)振弦振動(dòng)。

選用兩個(gè)9013三極管作為驅(qū)動(dòng)管。電磁線圈電阻很小，流過(guò)線圈的電流能達(dá)到200～400 mA。而9013三極管的飽和導(dǎo)通電流為500 mA，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果只采用一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)線圈，三極管發(fā)熱很厲害，為解決這個(gè)問(wèn)題，再并接一個(gè)三極管，減小三極管的工作電流，減小發(fā)熱量。二極管要求選用快速導(dǎo)通二檄管，其作用是吸收三極管導(dǎo)通和截止瞬間所產(chǎn)生的尖峰脈沖。此尖峰脈沖若不消除，會(huì)對(duì)感應(yīng)電路(模擬電路部分)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。

微機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)頻率可變的信號(hào)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。如用MSC-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)掃頻程序，充分利用微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部資源定時(shí)／計(jì)數(shù)器的功能，由I／O口輸出頻率可變的信號(hào)。定時(shí)計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)方式，定時(shí)的時(shí)間由掃頻的某一頻率決定，在定時(shí)器中斷程序中改變I／O口的狀態(tài)，從而I／O口得到一脈沖信號(hào)。設(shè)掃頻的頻率上限為fmax，下限為fmin，由I／O口輸出的fmax和fmin之間的某一頻率的脈沖個(gè)數(shù)均為n，且掃頻的兩相鄰頻率增量為△f，由這4個(gè)參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖4所示。

2.2.2 檢測(cè)電路

拾振線圈中感生電勢(shì)的頻率檢測(cè)電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級(jí)低通濾波方法；二是過(guò)零比較電路，采用過(guò)零比較法，從比較器的輸出端得到頻率信號(hào)。

2個(gè)LM324組成兩級(jí)有源低通濾波電路；C1，R3，以及G2，R4，分別構(gòu)成第一、二級(jí)有源濾波電路的阻-容網(wǎng)絡(luò)；LM393作為比較器，形成過(guò)零比較電路。由于感生電勢(shì)是一個(gè)周期信號(hào)，信號(hào)的頻率也就是振弦的固有頻率。LM393的輸出fout為周期性的方波，方波的頻率即為待測(cè)頻率。

由于信號(hào)和“零電位”比較，因而能得到較高的靈敏度．振弦只要受激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，他在感應(yīng)線圈中的微弱電動(dòng)勢(shì)的頻率就很容易拾取為進(jìn)一步使比較器輸入輸出特性在轉(zhuǎn)換時(shí)更加陡直，以提高比較精度。

2.2.3 測(cè)頻電路

將檢測(cè)電路的輸出fout送AT89CS51的INT0，利用片內(nèi)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式控制寄存器TMOD的GATE位的特殊功能，一般情況下，GATE=0。GATE的運(yùn)行控制位僅由TRx(x=0.1)位的狀態(tài)決定(TRx=0關(guān)閉，TRx=1開啟)，只有在啟動(dòng)計(jì)數(shù)要用外輸人INTx控制時(shí)才使GATE=1，當(dāng)GATE=1，TRx=1，只有當(dāng)INTx引腳輸入高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器Tx才被允許計(jì)數(shù)，利用GATE的這一功能可方便地測(cè)量脈沖寬度。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照以上電路的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)軟件編程的基本思路是：首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后是激振電路激振傳感器工作，檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、放大、整型、處理、最后顯示。主程序流程圖如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本測(cè)頻系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)思路正確，編程簡(jiǎn)潔巧妙，功能使用全面等特點(diǎn)，大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與計(jì)算時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)量計(jì)算準(zhǔn)確度，同時(shí)為測(cè)量結(jié)果的后期處理與保存帶來(lái)了極大的便利。