振弦式传感器激振策略优化

第 23卷 第 1期 2010年 1月 传 感 技 术 学 报 CH INESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol. 23　No. 1 Jan. 2010 项目来源 :中国水科院科研专项资金资助 (信息平台建设及系统开发 , GJ0827;水工建筑物安全监控预警方法及监测系统体系 研究 , GJ0916) 收稿日期 : 2009 - 09 - 04　　修改日期 : 2009 - 09 - 16 Optim ization of Vibrating W ire Sensor Exc itation Strategy3 HE Hu3 , WAN G W anshun, TI AN D ongcheng, SUN J ianhui, X I ON G Chenglin ( China Institu te of W ater R esources and Hydropower Research, B eijing 100038, China) Abstract: V ibrating wire sensor commonly used high2voltage p lucked excitation or low2voltage scanning frequency excitation. H igh2voltage p lucked excitation had large damage to sensor, with rap id decayed signal and low measure2 ment accuracy; Low2voltage scanning excitation needed to sweep a long time and hard to p ick up the signal. This paper p resents a low2voltage excitation with feedback method. By p re2excitations, the vibration frequency of the sensor can be got to used as the output of the driver. The feedback signal frequency is very close to the real fre2 quency of the sensor, so the wire can reach resonance state quickly. The op timal excitation strategy was verified by the new designed detection circuit. By this way, excitation time is short, resonance amp litude is large, therefore it can enhance anti2interference ability and lower the cost of signal p rocessing circuit, increase the measurement time and imp rove the accuracy of measured frequency. Key words: vibrating wire sensor; low2voltage excitation; feedback; scanning frequency; resonance; frequency measurement EEACC: 7110; 7220; 1205 振弦式传感器激振策略优化 3 贺　虎 3 ,王万顺 ,田冬成 ,孙建会 ,熊成林 (中国水利水电科学研究院 ,北京 100038) 摘　要 :振弦式传感器的激励常用高压拨弦激振和低压扫频激振两种方式。高压拨弦激振对传感器损伤较大 ,信号衰减快 , 测量精度差 ;低压扫频激振扫描时间长 ,信号不宜拾取。提出一种反馈式低压激振方法 ,降低拨弦激振电压对传感器进行预 激振 ,将反馈的振动频率信号作为输出 ,对传感器进行复振 ,可以在很短时间内使振弦达到共振状态。设计专用检测电路对 调优后的激振策略进行验证 ,证明该方法激振时间短 ,共振幅度大。振动幅度的提高可增强抗干扰能力、降低信号处理电路 成本、增加可用测量时间、提高频率测量精度。 关键词 :振弦式传感器 ;低压激振 ;反馈 ;扫频 ;共振 ;测频 中图分类号 : TP212. 1 　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1004 - 1699( 2010) 01 - 0074 - 04 　　振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦。常 用弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成 ,它与传感器 受力部件连接固定 ,利用钢弦的自振频率与钢弦所受 到的外加张力关系式测得各种物理量 [ 1 ]。振弦式传 感器是目前在测力应用方而最为先进的传感器之 一 [ 2 ] ,这种传感器输出的是频率信号 ,因此其抗干扰 能力强 ,温漂、零漂小 ,受电参数影响小 ,性能稳定可 靠 ,能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试 [ 3 ]。所 以被广泛地用于水库大坝、港口 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 、桥梁、基坑等工 程的应力应变、变形、渗流、液位、温度等的监测中 [ 4 ]。 目前 ,振弦式传感器激励主要有高压拨弦和低压 扫频激振两种方式。高压拨弦激振方式是通过高频 变压器产生高压激振脉冲使钢弦振动 ,激发时 VP - P > 100V[ 5 ] ,被激励的钢弦通过感应线圈将振动转换成 自由衰减振荡的正弦电压信号从传感器输出。低压 扫频激振是根据传感器的固有频率选择合适的频率 段 ,对传感器施加 5VP - P的频率逐渐变大的扫频脉冲 串信号 ,当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近 第 1期 贺 　虎 ,王万顺等 :振弦式传感器激振策略优化 　 时 ,钢弦能快速达到共振状态 [ 6 ] ,共振状态下振幅最 大 ,能产生较大的感应电动势 ,传感器输出的频率信 号信噪比较高且便于测量。但是这两种激振方式都 有很大的局限性 :高压拨弦方式激振 ,钢弦振动持续 时间短 [ 7 ] ,信号不易拾取 ,测量精度差 ,且高电压易使 钢弦加速老化致使传感器失效 ;低压扫频激振方式虽 然采用了低电压激励 ,保护了钢弦 ,但是扫频信号是 从频率下限到频率上限的连续脉冲信号 ,为了保证激 振效果 ,每个频率的脉冲都要持续若干个周期 ,激振 时间太长。本文提出一种反馈式低压激振策略 ,可以 使钢弦在较短的时间内产生共振效果。 1　激振策略调优的硬件电路 振弦式传感器的激振电路使用波形发生器产生扫 频驱动信号 ,波形发生器使用直接数字合成芯片 (DDS) ———AD9833。AD9833为 2. 3～5. 5 V单电源供 电 , 0～12. 5 MHz输出 ,可产生方波、正弦波、矩形波 ,频 率分辨率可低至 0. 001 Hz,能够在单片机数字信号控 制下产生具有 5 V、400～4500 Hz、200 mA峰值输出能 力的扫频信号。传感器受激以后 ,由信号处理电路将 由线圈感应到的衰减振荡的正弦波转化为可供单片机 采集的方波频率信号。信号处理电路由采样开关、前 置交流放大器、低通滤波器、高通滤波器、施密特整形 器组成。由于传感器输出的信号是幅值为 mV级的交 变感应电动势 ,在长线缆传输过程中很容易衰减 ,故前 置交流放大器采用 4个超低噪声低功耗放大器组成的 差分仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 放大器 (输入阻抗为 10 MΩ,带宽为 9. 3 KHz, 具有很高的反馈余量 ) ,将传感器输入信号中 350 Hz以 上的差模交流信号放大 1000倍 ,并以 2. 5 V为参考电 压输出 ,一方面消除共模干扰信号 ,放大的信号也便于 后级电路处理。信号经过前置放大后先后通过截止频 率为 4500 Hz的 8阶联立切比雪夫低通滤波器和截止 频率为 400 Hz的 8阶切比雪夫高通滤波器。滤波后的 信号通过施密特整形器处理后 ,由正弦信号转换为具 有相同频率的方波信号 ,供单片机捕获模块检测处理。 激振与检测电路如图 1所示。 图 1　振弦式传感器激励与检测电路 2　激振策略优化 针对高压拨弦和低压扫频激振这两种常用激振 策略的弊端 ,本文提出的反馈式激振法 ,先通过低压 拨弦方式对传感器预激振 ,把反馈回来的振动频率 作为复激振的输出频率 ,由于复振频率和钢弦的共 振频率非常接近 ,钢弦在很短时间内达到共振状态 , 振幅大且衰减慢 ,可以有效提高测量精度。具体实 施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如图 2所示。 第 1步 　预激振 　采用低压拨弦激振方式对振 弦式传感器的线圈进行单次激励。低压拨弦是使用 5 V电压给线圈通电 ,线圈吸住钢弦 ,然后 ,断开线 圈的电流 ,释放钢弦使其自由振动。 图 2　反馈式激振策略 57 传 　感 　技 　术 　学 　报 第 23卷 第 2步 　初测 　对拾振线圈的信号进行处理并 测量信号频率 ,得到低精度的共振频率测量值 f1。 低压拨弦激振后钢弦的振幅小、振动持续时间短 ,在 初测过程中仅对振动初期的质量最好的信号进行短 暂测量 ,获得共振频率初测值 f1。由于初测过程中 测量到的信号周期数较少 ,信号幅度较小 ,测量精度 较低 ,得到的频率初测值 f1 不精确。 第 3步 　检验 　计算振动信号各周期间的统计 特征。在初测过程中记录每一个信号周期的周期 ( T1 , T2 , ⋯, Tn ) ,求这一系列频率值的方差δ。假设 钢弦传感器的标称频率范围是 fm in ～fmax ,则这一系 列频率值的平均值 f1 需满足 fm in ≤f1 ≤fmax。同时根 据对多种传感器样本的采样 ,确定传感器在起振良 好并达到共振状态的条件下方差的限值δmax ,δ需满 足δ≤δmax。如果上述两个条件中任意一个得不到 满足 ,则判定起振失败 ,需要重新进行预激振。重新 初振时可低压拨弦激振方式 ,也可以采用扫频激振 方式 ,如采用低压拨弦激振方式重新初振后仍起振 失败 ,则采用扫频激振方式。如果采用扫频激振方 式激振失败 ,则中止激振并报错。 第 4步 　复振 　采用频率为 f1 的信号激励振 弦传感器的激励线圈 ,钢弦共振后停止激励。 第 5步 　复测 　对拾振线圈的信号进行处理并 测量信号频率 ,得到测量值 f2 , f2 即为钢弦共振频率 的精确值。 3　激振策略验证 使用自主开发的振弦式传感器激励与检测电路 对振弦式应力传感器样本进行激振与采集 ,利用 4 通道数字示波器监视采样全过程。如图 3所示。其 中通道 1为采样标志信号 (负脉冲为采样开始 ,正 脉冲为采样结束 ) ;通道 2为波形发生器 DDS输出 的激励信号 ;通道 3为高通滤波以后的振弦式传感 器频率信号 ;通道 4为整形以后供单片机采集的方 波信号。 图 3　完整的测试响应 采集过程如下 :将前置放大器增益调至 2500 倍 ,滤波器通带为 400 Hz～5000 Hz,整形器滞回电 压为 5 mV;先用 5 V电压拨弦预激振 ,通电 10 m s 后断开 ;对 f1 进行采样 ;用 f1 作为 DDS的输出频率 , 对钢弦进行复振 ;接通信号处理电路 ,延时 100 m s 后采集 1000个信号周期 ,得到共振频率 f2。 由波形图可以看出 ,低压拨弦预激励能够获得可 测量的振动信号 ,但该信号振幅较小 ,衰减比较快。 用该信号频率对传感器进行复振可以使钢弦快速达 到共振状态 ,达到共振状态的信号强度高 ,满幅振动 持续时间超过 400 m s,易于测量且测量精度高。 对该传感器样本进行多次连续采样 ,其测值分 布如图 4所示 : 图 4　测值稳定性与重复性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 由测值曲线可以看出 ,低压拨弦预振的测值与 复振测值偏差不超过 0. 1 Hz,证明拨弦预激励能够 获得可测量的振动信号 ,但是稳定性和重复性都要 劣于复振测值 ;由于对钢弦的持续激励 ,钢弦发热松 弛 ,频率有缓慢下降趋势。另外 ,经过对不同类型的 振弦式传感器进行采样发现 ,由于传感器制作工艺 的差异 ,对钢弦的激励有难易之分。对于难以激励 的传感器应缩短拨弦预振时间和采样时间 ,以获得 衰减前的有效信号 ,并延长复振激励时间 ,从而获得 良好的共振信号。 4　结论 该激振策略的有益效果是 : ①起振快 　主要是 由于复振中采用接近共振频率的信号进行激励 ,起 振时间非常短。②振幅大 　复振中振弦能稳定处于 共振状态 ,振幅大。起振快可以缩短检测时间 ,提高 工作效率 ;振幅大可以提高信噪比、增强抗干扰能 力、延长振动持续时间 ,进而可以测量较多信号周 期 ,可有效提高频率测量精度。 参考文献 : [ 1 ]　二滩水电开发有限责任公司. 岩土工程安全监测手册 [M ]. 中 国水利水电出版社 , 1999: 149. [ 2 ] 竺长安 ,张屹 ,李胜利. 振弦式传感器非线性补偿设计 [ J ]. 传 感器技术 , 2001, 20 (11) : 24 - 27. [ 3 ] 高燕莺 ,栾贵臣 ,黄友文. SF - 1型振弦测力仪的研制 [ J ]. 建 筑科学 , 1998: (2) 27 - 30. 67 第 1期 贺 　虎 ,王万顺等 :振弦式传感器激振策略优化 　 [ 4 ] 刘敏 ,舒乃秋 ,钟伟等. VW - 1型便携式检测仪的研制 [ J ]. 中 国农村水利水电 , 2005 (1) : 120 - 124. [ 5 ] 高友. 振弦式传感器测量过程中干扰问题的解决 [ J ]. 仪表技 术与传感器 , 2007 (2) : 54 - 55. [ 6 ] 吕国芳 ,李东明 ,刘希涛. 振弦式传感器扫频激振技术 [ J ]. 自 动化与仪表 , 2006 (3) : 79 - 81. [ 7 ] 张卫钢 ,晋琰. 振弦式传感器测频系统的设计 [ J ]. 传感器技 术 , 2003, 22 (7) : 28 - 32. 贺 　虎 ( 1981 - ) ,男 ,助理工程师 ,于 太原理工大学新型传感器与智能控制 教育部重点实验室获得硕士学位 ,目前 在中国水利水电科学研究院从事工程 安全监测自动化系统开发研究工作 ,研 究方向为新型传感器与智能控制 ,仪器 仪表 ,嵌入式系统及工业网络 , hoo_hee @m sn. com. 77