振弦式錨索計檢測儀的開發(fā)與研制

摘要：針對采用描索計測量加載液壓千斤頂上的變力開發(fā)出了一套用于錨索、拱型支架及其它重型荷載的全過程計算機檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機和一些簡單的外圍電路即可完成對錨索計的讀數(shù)。文中介紹了它的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特性和軟件編程。

關(guān)鍵詞：錨索針 諧振頻率 通信 檢測

弦式錨索計主要用于錨索、巖石錨桿、錨栓或拱形支架的荷載以及其它重型荷載的測量。在一般情況下，用于測量加載液壓千斤頂上的變力、荷載以及錨索桿的長期應(yīng)力變化。

本文所介紹的錨索計檢測儀（簡稱錨索儀）采集處理系統(tǒng)采用8032單片機并配以必要的外圍電路來完成對錨索計的讀數(shù)，它可通過計算直接將頻率值、溫度值、受力值以及工程值顯示在20×4液晶顯示器上，另外還有抑制溫漂、數(shù)字濾波、故障報警、參數(shù)設(shè)定、掉電記憶、64kB數(shù)據(jù)保存和通訊等功能。本系統(tǒng)作為一種便攜式儀表，具有省電、性能價格比高等優(yōu)點?？梢詮V泛應(yīng)用于建筑工程、橋梁建筑、海洋碼頭、水庫工程等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用價值和推廣價值。

1 工作原理

1.1 傳感器諧振頻率的測量

本儀器采用美國基康公司生產(chǎn)的鋼弦式壓力、拉力傳感器，它優(yōu)于傳統(tǒng)的壓力、拉力傳感器的主要原因在于這種傳感器使用頻率作為輸出信號，所以其抗干擾能力強、誤差小，可在較惡劣的環(huán)境下工作。

鋼弦式傳感的基本結(jié)構(gòu)是在一個園柱形金屬筒內(nèi)的兩端接兩個連接塊，其中一個連接塊是固定位置的，另一個連接塊的位置是隨著受力的大小而可動的。在兩個連接之間接有一條鋼弦（振弦），當(dāng)外力不同時，其鋼弦的松緊不同，因而其共振頻率會發(fā)生變化。我們可以施加脈沖信號到傳感器內(nèi)的激勵線圈，以引起鋼弦的共振，當(dāng)測出其共振頻率后，再結(jié)合相應(yīng)的有關(guān)系數(shù)應(yīng)可計算出傳感器受力的大小。

這種傳感器精度較高，環(huán)境溫度對傳感器有一定的影響，故在其內(nèi)還封裝了一個熱敏電阻以檢測和控制溫度。

工作時，錨索儀先向描索計中傳感器的激勵線圈發(fā)送一串覆蓋了一定頻率段的不同頻率的脈沖信號，這些脈沖信號傳感器中的振弦被激勵并檢測線圈在激勵脈沖控制下隨外界壓力的變化，這些變化會在內(nèi)部振弦上產(chǎn)生相應(yīng)的諧振頻率，對其進行放大整形所即可對頻率進行定時檢測，以計算出反饋頻率的值。

1.2 錨索計讀數(shù)

本錨索儀最多可對四支錨索計進行檢測，每支一般由3～4個GeoKon弦式傳感器組成，測量時取其讀數(shù)平均值，溫度則取其中一點的溫度，然后根據(jù)下式計算出錨索計的受力情況：

P=K(f20-f2+Y0)+Kt(T-T0)+P0

f=S(G21+G22+G23+G24)/4

式中，P的單位為Kn(1噸=9.8Kn)，f的單位為Hz；

G為以上各個傳感器的讀數(shù)（頻率），f0為初頻，卻受力前的頻率；f當(dāng)當(dāng)前頻率；

Y0為截距，K為率定系數(shù)；T為當(dāng)前溫度；T0為初始溫度；P0為偏置量；（通常限0.0）；Kt是溫度系數(shù)；

本錨索儀可以兼容1～4支錨索計，每支錨索計可兼容3～4個傳感器，并具有智能化頻率、溫度巡檢及故障顯示功能。

2 硬件設(shè)計

圖1所示是本錨索儀的硬件電路設(shè)計框圖。它的整個硬件電路可以分為前向通道模塊、微處理機模塊、用戶接口界面模塊及其它一些輔助電路。整個儀表共包括兩塊電路印刷板，一塊是主板，包括微處理機、多路開關(guān)、V/F轉(zhuǎn)換、前置隔離、差模運算、看門狗、電源監(jiān)視、日歷片、RAM寫保護、通訊模塊、EEPROM存儲電路、激勵脈沖驅(qū)動、反饋頻率信號的放大、儀表的開關(guān)控制、報警驅(qū)動等主要電路；另一塊包含有電源、16路電流源、16路頻率收發(fā)、溫度檢測電路、16路轉(zhuǎn)換開關(guān)等外圍電路。圖中的通訊采用的是MAXIM公司的MAX1480B，它是一個完整的輸入輸出電氣隔離的RS-485/RS-422數(shù)據(jù)接口芯片，其驅(qū)動器具有限斜率（slowrate Limited）或降低轉(zhuǎn)換速率（reduced slowrate）的特性，這可使輸出波形中的高頻諧波成分減少，從而使這種芯片的電磁干擾（EMI）達到最小，同時還能減小由于電纜終端不匹配而引起的反射。另外，它還具有無差錯數(shù)據(jù)傳送的轉(zhuǎn)換速率、電流限制以及熱關(guān)斷的驅(qū)動器過載保護功能。另外，本儀器還采用了DS12887芯片，它是一個CMOS實時時鐘/日歷芯片。該芯片可產(chǎn)生秒、分、時、星期、日、月、年等七個時標(biāo)，可通過程序?qū)@些時標(biāo)進行讀寫和修改，并能任意編程設(shè)定產(chǎn)生時隔為30.517μs至一天的中斷申請。該芯片可提供100年日歷，可在需要實時時鐘和日歷的測量儀器系統(tǒng)中為各種微處理器提供精確的時鐘和日厲。

另外，該芯片內(nèi)部還有專門的接口電路，這可使的它與各種微處理器的接口大為簡化。

運行程序可以通過日歷芯片判斷當(dāng)前時間和報警位，由此可以達到記憶日期、時間、定時報警、測量各路數(shù)據(jù)的目的，從而為應(yīng)用提供時間和數(shù)據(jù)上的依據(jù)。

3 軟件設(shè)計

整個應(yīng)用軟件具有溫度標(biāo)定、參數(shù)設(shè)定、溫度采集、傳感器反饋頻率采集及計算功能。該軟件分為用戶片、標(biāo)定片兩塊程序片。本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計，各部分之間功能明晰、接口簡單，由于采用了可靠性設(shè)計方法及抗干擾措施，因而整個系統(tǒng)具有可靠性高、性能穩(wěn)定等特點。程序流程圖如圖2所示。

該錨索儀的整個用戶程序分為主程序、鍵盤處理、采樣計算、菜單處理、中斷服務(wù)子程序、LCD顯示控制、日歷片讀寫控制、64k EEPROM存儲控制、系統(tǒng)通訊控制等幾個大部分。下面介紹一些重要模塊。

主程序模塊的主要任務(wù)是將各子模塊組織起來以成為一個有機的整個，它主要用于周期的檢測以及接受鍵盤輸入和通訊請求，并根據(jù)輸入鍵的真決定進入菜單處理或做切換顯示操作，或者根據(jù)不同的通訊請求進行不同的傳輸。

采樣計算子程序通過向4052模擬量開關(guān)發(fā)出地址信號來選擇送入8032的頻率信號，然后通過調(diào)用get-f（）函數(shù)來獲得信號的脈寬，再經(jīng)過計算、處理后求出溫度值、數(shù)字值、受力值、頻率值，調(diào)用LCD顯示函數(shù)并將結(jié)果顯示在顯示屏上可以讓用戶隨時觀測到系統(tǒng)所環(huán)境的變化，以便及時作出相應(yīng)的反應(yīng)和處理。達到實時處理的目的。

菜單處理子程序選用20字×4行字符點陣的LCD顯示器作為顯示輸出器件，與通常采用的LED顯示器件相比，該顯示器不僅個有體積小、耗電小的優(yōu)點，而且有豐富的顯示輸出字符，可在便攜式儀表上顯示直觀的菜單，并接受菜單處理。

現(xiàn)將該程序軟件中用到的主要函數(shù)介紹如下：

void read-rl(void);/*讀日歷片，并根據(jù)時間存儲數(shù)據(jù)和日期*/

void sent(void);/*隨機通訊，將隨時測到的數(shù)據(jù)傳送到主機*/

void send(unsigned int ptr);/*發(fā)送脈沖400～4500Hz*/

void init(void);/*初始化8155、6264、8031、LCD、27C128*/

void set-para(void);/*設(shè)定錨索計的參數(shù)*/

void get-f(char n);/*取頻率*/

void compute(void);/*計算*/

void comm(unsigned char order);/*發(fā)LCD操作命令函數(shù)*/

void disp(char*mes,Unsigned char POS);/*顯示一字符串*/

void d-setmenu(void);/*顯示設(shè)定菜單*/

4 結(jié)束語

本產(chǎn)品已應(yīng)用于現(xiàn)場，實現(xiàn)運行結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項性能均達到設(shè)計和實驗要求，具有良好的界面和人機交互功能，實用性強，準(zhǔn)確率高。