一种振弦式传感器的高精度测量方法

技术领域

本申请涉及工程监测技术领域，具体涉及一种振弦式传感器的高精度测量方法。

背景技术

在大坝安全自动化检测中，振弦式传感器作为大坝安全监测常用的一类传感器，在大坝安全自动化监测起着重要作用，它可测量大坝坝体的应力，温度等多个物理量，但是在大坝安全自动化监测中，由于其监测设备运行环境恶劣，可靠性要求高，所以振弦式传感器作为其监测设备中的一部分，提高参数精度是很有必要的。振弦式传感器测量由两部分组成，激振和拾振，激振是使振弦式传感器产生共振信号，拾振是测量振弦式传感器发出的共振信号，从而得出振弦式传感器测量出来对应物理量的值。

在振弦式传感器激振方式中，目前主要有高压拨弦和低压扫频两种方式，高压拨弦的方式激振对振弦式传感器产生的共振信号不易拾取，精度较低，且对传感器损伤较大，而低压扫频的激振方式，扫频时间过长，不易拾取共振信号。

在振弦式传感器拾振方式中，常用的测量频率法为直接测频法和测周期法，直接测频法在测量低频时误差较大，而测周期法测量高频时误差较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种振弦式传感器的高精度测量方法，同时改进了激振和拾振的方法，以实现振弦式传感器的高精度测量。

本发明采用的技术方案是：一种振弦式传感器的高精度测量方法，包括以下操作步骤：

步骤100：单片机发出激振信号；

步骤101：所述激振信号经过放大电路放大后、通过开关电路进入振弦式传感器；

步骤102：所述振弦式传感器在接受所述激振信号激励后产生第一次共振信号，所述第一次共振信号通过所述开关电路进入放大整形滤波电路，经过所述放大整形滤波电路进行放大、整形、滤波处理后，进入测频电路；

步骤103：所述测频电路通过等精度测频法测出第一次共振信号的频率fx0后，将所述第一次共振信号的频率fx0反馈至所述单片机，所述单片机发出复激振信号；

步骤104：所述复激振信号经过放大电路放大后、通过开关电路进入振弦式传感器；

步骤105：所述振弦式传感器在接受所述复激振信号激励后产生第二次共振信号，所述第二次共振信号通过所述开关电路进入放大整形滤波电路，经过所述放大整形滤波电路进行放大、整形、滤波处理后，进入测频电路；

步骤106：所述测频电路通过等精度测频法测出第二次共振信号的频率fx。

进一步地，所述等精度测频法的具体步骤是：

步骤201：将单片机中的第一定时器设置为输出比较模式，输出标准方波信号，频率为f1；将单片机中的第二定时器设置为外部时钟源模式，设置为上升沿计数；将单片机中的第三定时器设置为外部时钟源模式，设置为上升沿计数；

步骤202：单片机发出控制信号启动第二定时器和第三定时器同时进行计数，第二定时器对第一定时器输出的标准方波信号进行计数，第三定时器对振弦式传感器产生的共振信号进行计数；

步骤203：当第二定时器计数值N1达到设定值时，第三定时器停止计数，记第三定时器计数值为Nx；

步骤204：根据公式f=(Nx*f1)/N1，求出振弦式传感器产生的共振信号的频率f。

进一步地，步骤100中所述激振信号为300~6100Hz的扫频方波信号。

进一步地，所述开关电路为单刀双掷开关芯片，所述单片机发出所述激振信号或所述复激振信号时，所述单刀双掷开关芯片将所述放大电路和所述振弦式传感器接通；所述单片机发出所述激振信号或所述复激振信号后，所述单刀双掷开关芯片将所述放大整形滤波电路和所述振弦式传感器接通。

进一步地，经所述放大整形滤波电路处理后的所述第一次共振信号或所述第二次共振信号为5V、400~6000Hz的方波信号。

进一步地，所述复激振信号的频率范围为（fx0-200）~（fx0+200）Hz。

本发明的有益效果在于：改进了激振方式，缩短了激振时间，提高了共振信号幅度，增强了抗干扰能力；同时改进了拾振的测频方式，采用的是等精度测频，保证了振弦式传感器共振范围内所有频段的测量精度，提高了可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例等精度测频电路测量的结构示意图。

图3为本发明实施例测频电路的软件流程图。

图4为本发明实施例开关电路的结构示意图。

图5为本发明实施例放大整形滤波电路的结构示意图。

图6为本发明实施例激振和拾振波形图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样， “一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。 “连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。 “上”、 “下”、 “左”、 “右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

本发明实施例采用的测量装置包括激振模块、振弦式传感器、开关电路和拾振模块；激振模块包括所述单片机和放大电路，拾振模块包括所述放大整形滤波电路和测频电路；所述振弦式传感器通过所述开关电路与激振模块和拾振模块连接。

如图1~图5所示，一种振弦式传感器的高精度测量方法，包括以下操作步骤：

步骤100：单片机发出激振信号；开始激振时，由单片机发出激振方波信号，所述激振方波信号为频率在300~6100Hz的激振信号。

步骤101：所述激振信号经过放大电路放大后、通过开关电路进入振弦式传感器；所述开关电路为单刀双掷开关芯片，所述单片机发出所述激振信号时，所述单刀双掷开关芯片的控制端输入低电平，将所述放大电路和所述振弦式传感器接通，激振信号经放大电路放大后传递至振弦式传感器。

步骤102：所述振弦式传感器在接受所述激振信号激励后产生第一次共振信号，此时所述单刀双掷开关芯片的控制端输入高电平，将所述放大整形滤波电路和所述振弦式传感器接通，所述第一次共振信号通过所述开关电路进入放大整形滤波电路，经过所述放大整形滤波电路进行放大、整形、滤波处理后，进入测频电路；所述放大整形滤波电路包括多级放大电路、整形电路和滤波电路，多级放大电路将mV级的正弦信号放大成信号幅度为5V左右的V级的正弦信号，整形电路将V级的正弦信号整形成V级方波信号，滤波电路则滤除400~6000Hz以外的信号。

步骤103：所述测频电路通过等精度测频法测出第一次共振信号的频率fx0后，将所述第一次共振信号的频率fx0反馈至所述单片机，所述单片机发出复激振信号；所述复激振信号的频率范围为（fx0-200）~（fx0+200）Hz。

所述测频电路是由D触发器和单片机组成的等精度测频电路，用于测量振弦式传感器产生的共振信号F的频率，测量时需调用单片机芯片自带的三个定时器：第一定时器TIMa、第二定时器TIMb和第三定时器TIMc。D触发器的D输入引脚与单片机Px引脚连接，设置Px引脚为输出模式。第一定时器TIMa 用于产生标准信号F1，第二定时器TIMb用于对标准信号F1进行计数，第三定时器TIMc用于对振弦式传感器产生的共振信号F进行计数。D触发器的输出Q端同时控制第二定时器TIMb和第三定时器TIMc计数使能端EN，当Q输出高电平时，第二定时器TIMb和第三定时器TIMc同时开启计数，振弦式传感器产生的共振信号F同时作为D触发器的时钟信号，可使第二定时器TIMb和第三定时器TIMc计数开始和结束时都在振弦式传感器产生的共振信号F的上升沿，保证了对振弦式传感器产生的共振信号F测量的准确性。

所述等精度测频法的具体步骤是：

（1）将单片机中的第一定时器TIMa设置为输出比较模式，可输出0~72MHz的方波信号，将第一定时器TIMa的输出信号作为标准信号F1，记频率为f1；第二定时器TIMb设置为外部时钟源模式，设置为上升沿计数，当第二定时器TIMb对应的单片机引脚来一个上升沿脉冲式，第二定时器TIMb对应的计数器的值加1；第三定时器TIMc设置为外部时钟源模式，设置为上升沿计数，当第三定时器TIMc对应的单片机引脚来一个上升沿脉冲式，第三定时器TIMc对应的计数器的值加1。

（2）单片机发出控制信号启动第二定时器TIMb和第三定时器同时进行计数，第二定时器TIMb对第一定时器TIMa输出的方波信号进行计数，第三定时器TIMc对振弦式传感器产生的第一次共振信号进行计数；开始测量时，D触发器的D输入引脚连接的单片机引脚Px输出为高电平，当振弦式传感器产生的第一次共振信号的第一个上升沿进入D触发器的CLK引脚，此时Q端也输出高电平，打开第二定时器TIMb和第三定时器TIMc的使能端口，两个定时器开始计数。

（3）当第二定时器TIMb计数值N1达到设定值时，第三定时器TIMc停止计数，记第三定时器计数值为Nx。

（4）根据公式fx0=(Nx*f1)/N1，求出振弦式传感器产生的第一次共振信号的频率fx0。

步骤104：所述复激振信号经过放大电路放大后、通过开关电路进入振弦式传感器；所述单片机发出所述复激振信号时，所述单刀双掷开关芯片的控制端输入低电平，将所述放大电路和所述振弦式传感器接通，激振信号经放大电路放大后传递至振弦式传感器。

步骤105：所述振弦式传感器在接受所述复激振信号激励后产生第二次共振信号，此时所述单刀双掷开关芯片的控制端输入高电平，将所述放大整形滤波电路和所述振弦式传感器接通，所述第二次共振信号通过所述开关电路进入放大整形滤波电路，经过所述放大整形滤波电路进行放大、整形、滤波处理后，进入测频电路。

步骤106：所述测频电路通过等精度测频法测出第二次共振信号的频率fx。重复步骤（1）~（4），此时第三定时器TIMc的计数对象变为振弦式传感器产生的第二次共振信号，通过fx=(Nx*f1)/N1，即可求出振弦式传感器产生的第二次共振信号的频率fx。

图6为本发明实施例激振和拾振波形图，图中波形起始段为两次激振和拾振过程的间隔时间，操作人员可对所述间隔时间进行设置，在本发明实施例中，所述间隔时间为100ms。从图中可以看出，波形图中存在10ms左右的间隔，间隔右侧为振弦传感器在收到激振信号后产生的经过放大整形滤波处理的共振信号，信号幅度由示波器不可测得的几毫伏放大至5V左右。间隔左侧为经过放大处理的激振信号，经放大后信号幅度放大至5V左右，开始激振到振弦传感器产生共振信号的时间为70ms左右，而传统的激振时间通常为几百毫秒。本次实验的测量精度为0.01Hz，测量误差范围小于0.2Hz。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。