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1、振弦式傳感器在橋梁檢測裝置中的應(yīng)用中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院【摘要】振弦式傳感器的固有振動頻率與所受壓力有著的定量的關(guān)系。對傳感器施加同頻率的激勵信號可以使其發(fā)生共振，輸出較大的頻率信號。由MSP430單片機(jī)測量由振動所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的脈沖周期，從而得到弦的振動頻率，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)力。通過單片機(jī)的串口通信模塊發(fā)送給GPRS模塊，再通過GPRS的無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至橋梁監(jiān)測中心，對橋梁的狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。一、設(shè)計(jì)背景與思路振弦式傳感器屬于頻率型傳感器,它結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)、輸出為頻率信號、便于與微機(jī)接口,具
2、有一般諧振式傳感器的優(yōu)點(diǎn).廣泛應(yīng)用于水利、水電、鐵道、交通、礦山、石油、土木建筑物及地基內(nèi)結(jié)構(gòu)中。利用振弦式傳感器測量物理量是基于其鋼弦振動頻率隨鋼絲張力變化，輸出的是頻率信號，具有抗干擾能力強(qiáng)，對電纜要求低，有利于傳輸和遠(yuǎn)程測量的特點(diǎn)。因此，可獲得非常理想的測量效果。二、設(shè)計(jì)方案1、振弦式傳感器的基本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兩端固定繃緊的均勻弦，如圖1所示。l振弦T圖1振弦的振動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
3、張力后的長度增量，E為振弦的彈性模量，σ為振弦所受的應(yīng)力。振弦式傳感器工作時由激振電路驅(qū)動電磁線圈，當(dāng)信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達(dá)到共振狀態(tài)，振動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過檢測電路濾波、放大、整形送給單片機(jī)。單片機(jī)通過測量感應(yīng)電動勢脈沖周期，即可測得弦的振動頻率，最后將所測數(shù)據(jù)顯示出來。2、為了改變便攜式橋梁檢測儀的人工量大的缺點(diǎn)，我們將在橋梁等間距的16個檢測點(diǎn)安裝16個振弦式傳感器，通過單片機(jī)控制16通道的信號分時采集，從而提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性，也增加了采集的數(shù)據(jù)的可比性，為橋梁的安全監(jiān)測提供可靠的保證。我
4、們設(shè)計(jì)的基于振弦式傳感器的橋梁檢測裝置的整體框架圖：（如圖2）3、振弦式傳感器信號提取思路對振弦式傳感器有兩種激勵方式：一、直流信號激勵，二、方波信號激勵。直流信號激勵：對傳感器施加一個直流激勵信號，電流流過線圈的時候產(chǎn)生磁場吸住振弦，然后繼電器切換，將傳感器接至拾振電路，此時振弦被釋放而自由振動，產(chǎn)生一個頻率信號，通過拾振電路的放大，濾波之，從而提取到傳感器的信號。方波信號激勵：對傳感器施加一個方波激勵信號，當(dāng)方波激勵信號的頻率與振弦的固有頻率相同時，振弦迅速共振，然后繼電器切換，將傳感器接至拾振電路，進(jìn)而通過放大，濾波得
5、到所需信號。我們在實(shí)驗(yàn)階段采取的是用方波信號作為激勵信號，通過實(shí)驗(yàn)提取到了傳感器的信號。現(xiàn)階段我們還需要解決一些問題，例如激勵信號的幅度給多大，拾振電路存也還需要一些改進(jìn)。繼電器會產(chǎn)生干擾信號，且切換速度太慢，不能滿足要求，帶通濾波器效果不是很理想。在后續(xù)工作中，我們會采用其他的切換方法代替繼電器，對濾波器做一些改進(jìn)。我們還將實(shí)驗(yàn)用直流信號激勵傳感器。振弦式傳感器1器激振電路PWM波掃頻信號單片機(jī)MSP430定時器/計(jì)數(shù)器通道選擇開關(guān)GPRS模塊振弦式傳感器2振弦式傳感器3RS232串口通道管理..存儲模塊.拾振電路信號調(diào)理
6、...振弦式傳感器15振弦式傳感器16圖2A、振弦式傳感器信號提取的原理框圖：（如圖3）振弦式傳感器繼電器激勵信號示波器濾波電路放大電路圖3B、振弦式傳感器信號提取的硬件電路圖：（如圖4）該部分我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號提取功能，并且通過示波器看到了較穩(wěn)定的波形，經(jīng)過多次比較實(shí)驗(yàn)我們確定了該信號就是我們所需要的信號。圖44、下一步是得出信號的頻率，為此我們打算用頻率可調(diào)的PWM波對傳感器進(jìn)行激振。我們的初步設(shè)計(jì)各模塊的具體實(shí)現(xiàn)框圖為：I、掃頻信號：利用定時器的比較功能產(chǎn)生產(chǎn)生頻率可變的PWM信號作為振弦式傳感器的激勵信號，該部分的軟
7、件流程圖為：（如圖5）II．傳感器信號的采集：利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時器的捕捉功能對傳感器震蕩的頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算頻率，根據(jù)頻率與應(yīng)力的關(guān)系式計(jì)算出應(yīng)力。該部分的軟件流程圖為：（如圖6）3、通訊模塊的原理框圖：（如圖8）GPRS網(wǎng)絡(luò)MCUMSP430GPRS數(shù)傳終端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器InternetIntranet圖8.通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以MSP430單片機(jī)為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端的MCU，并以MC39I為GPRSModem來實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)接入，將GPRS無線技術(shù)引入橋梁安全檢測測頻系統(tǒng)，非常適用于要求實(shí)時性的、大數(shù)據(jù)量傳
8、送的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用場合。捕捉標(biāo)志是否為1結(jié)束由公式計(jì)算應(yīng)力計(jì)算兩次捕捉時間差，并計(jì)算待測信號的頻率捕捉當(dāng)前捕捉脈沖數(shù)初始化CAP開總中斷開始結(jié)束定時比較模式，輸出頻率可變的PWM波定時時間到修改CCR0、CCR1的值開定時器，設(shè)置定時間隔初始化PWM信號，占空比為50%，頻率為700
