硕士学位论文
振弦式传感器信号采集仪的研制
ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
学号：２１００９０６７
完成Ｆｔ期：２Ｑ！三生三月！目
大连理工大学
ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
大连理工大学学位论文独创性声明
作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
学位论文题目：
盏重塞篮盛墨焦曼墨篡垡鲍叠剑作者签名：夏。丞叠日期：ｊ丝堕年—五月—三日
大连理工大学硕士学位论文
摘要
改革开放以来，我国的经济迅猛发展，各项工程建设取得了令人瞩目的巨大成就。但为了保障基础设施建设快速发展的同时，也能保障安全生产，需要不断改进和完善工程领域内的安全监测技术。目前工程中主要应用振弦式传感器来对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关物理量进行测量。振弦式传感器信号采集仪主要用来采集振弦式传感器的输出信号，是促进工程建设领域安全生产的有力保障。本文研制了一种采用ＳＴＭ３２单片机的新型振弦传感器信号采集仪，该采集仪不仅能直接实时查询采集数据，并能与计算机通信，实现对各个监控点的实时有效监测。
本文改进了传感器的激励电路的电路结构，结合软件程序实现了反馈式扫频激振，降低了电路的复杂度和电路体积。在频率测量方面，充分利用ＳＴＭ３２片上资源，实现了等精度测频，提高了频率信号的测量精度。在电路设计方面，设计了小信号的拾取放大电路。该电路包含带通滤波电路，滤除了噪声干扰，提高了信号的测量精度。
振弦信号采集仪主要由两大部分组成：主控模块和测量模块。主控模块的作用是设置传感器的采集参数，并向测量模块发出传感器的采集命令。测量模块的作用是测量传感器的输出信号，并将测量数据发送给主控模块。主控模块硬件部分包括单片机最小系统、电源电路、电压监控电路、键盘电路、ＲＳ．４８５电路、数据存储电路、时钟复位电路等。测量模块硬件部分包括单片机最小系统、电源电路、自收发ＲＳ一４８５电路、ＡＤ转换电路、隔离激振电路、拾振电路等。软件部分主要介绍了主控模块的操作流程、发送采集命令程序、系统电压监测程序、ＳＤ卡监测程序、测量模块死机修复程序以及存储数据文件程序等。测量模块软件部分介绍了模块初始化程序、白适应激振程序、等精度测频程序等。本文还着重介绍了自定义的ＲＳ一４８５通信协议，该通信协议可以实现主控模块与４个测量模块的可靠通信。
最后本文给出了利用Ｐｓｐｉｃｅ软件对系统模拟电路的仿真。软件仿真可以提高电路设计的可靠性，并充分验证电路的参数，确保电路设计的准确可靠。本文
还给出了测试仪采集振弦渗压计的测量数据，根据对测试结果的分析，测试仪可以满足工程应用的需求。
关键词：振弦式传感器；ＳＴＭ３２；扫频激振；Ｐｓｐｉｃｅ
振弦式传感器信号采集仪的研制
ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅｆｏｒｍａｎｄｏｐｅｎｉｎｇｕｐ，Ｃｈｉｎａ’Ｓｅｃｏｎｏｍｙｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｈａｖｅｍａｄｅｔｈｅｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａｎｅｅｄｓｔｏｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｎｄｐｅｒｆｅｃｔｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｉｅｌｄ．Ｉｎｃｕｒｒｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ，ｏｓｍｏｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｏｍｅｏｔｈｅｒｄａｔａｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｙｓｔｅｍ’Ｓｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ’Ｓｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｉｓａｓｔｒｏｎｇｇｕａｒａｎｔｅｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅ
ｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ’Ｓｓａｆｅｔｙｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
ａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂａｓｅｄ
ｏｎＳＴＭ３２ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＭＣＵ），ｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃａｎｄｉｒｅｃｔｌｙｃａｐｔｕｒｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｓｅｎｓｏｒｄａｔａ，ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｅａｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ．
Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｅｎｓｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍ，ａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅｓｗｅｅｐｅｘｃｉｔｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｓｉｚｅ．Ｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｅｍａｋｅｆｕｌｌ
ｕｓｅｏｆｔｈｅＳＴＭ３２ｃｈｉｐｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ．Ｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ｗｅｈａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｐｉｃｋ－ｕｐｏｆｓｍａｌｌ・ｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ
ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｗｅａｄｄｅｄａｂａｎｄ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔｔｏｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｌｔｅｒｏｕｔｔｈ
ｅｎｏｉｓｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌ．
Ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ：ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．ＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｉＳｕｓｅｄｔｏｓｅｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｉｓｓｕｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｓｅｎｓｏｒｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌａｎｄｓｅｎｄｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｔｏｔｈｅ
ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅ．Ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ・ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｋｅｙｂｏａｒｄｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｃｌｏｃｋｒｅｓｅｔｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｅｔｃ．．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｏｌａｔｅｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｉｃｋ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｓｅｎｄｉｎｇａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅＳＤｃａｒｄｍｏｎｉｔｏｒ
ｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｃｒａｓｈｆｉｘｉｎｇａｎｄｓｔｏｒｉｎｇｄａｔａｆｉｌｅｓｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｅｃｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍｏｄｕｌｅｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ａｄａｐｔｉｖｅｅｘｃｉｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ
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ｅｑｕａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅ
ａｒｔｉｃｌｅａｌｓｏｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓａｓｅｌｆ－ｃｕｓｔｏｍｅｄＲＳ．４８５ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃ０１．ｗｈｉｃｈｃａｒｌａｃｈｉｅｖｅｒｅｌｉａｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒ０１ｍｏｄｕｌｅｗｉｔｈｆｏｕｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｇｉｖｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅａｎａｌｏｇｃｉｒｃｕｉｔｓＰＳｐｉｃｅ
ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｃａｒｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｉｔｃａｎｆｕｌｌｙｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｔａ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒｓ；ＳＴＭ３２；ＳｗｅｅｐＥｘｃｉｔａｔｉｏｎ；Ｐｓｐｉｃｅ—ＩＩＩ—
振弦式传感器信号采集仪的研制
目
录摘要…………………………………………………………………………………ＩＡｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．．．．．…………．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．……．…．．．．．．．．．．．．．．．．………………………………．…．．．．．．．．．．．ＩＩｌ绪｛仑………………………………………………………………………………………………………………１
１．１振弦式传感器信号采集的研究意义…………………………………………１１．２本课题相关的国内外研究现状………………………………………………２１．３本论文研究的主要内容………………………………………………………３１．４本论文组织结构………………………………………………………………４２采集仪系统总体方案设计…………………………………………………………一６
２．１单线圈振弦式传感器…………………………………………………………６
２．１．１振弦式传感器结构……………………………………………………６
２．１．２振弦式传感器数学模型………………………………………………６
２．１．３振弦式传感器信号测量原理…………………………………………７
２．１．４典型振弦式传感器介绍………………………………………………７
２．２传感器激振原理………………………………………………………………９
２．２．１高压拨弦激振原理……………………………………………………９
２．２．２低压扫频激振原理……………………………………………………９
２．３本课题的传感器信号检测原理………………………………………………９２．４振弦式传感器信号采集仪主控模块方案设计……………………………．１１２．５振弦式传感器信号采集仪测量模块方案设计……………………………．１２２．６本章小节……………………………………………………………………．１３３振弦式传感器信号采集仪的硬件设计与实现……………………………………１４
３．１振弦式传感器信号采集仪系统整体结构…………………………………．１４３．２主控模块硬件电路设计……………………………………………………．１４
３．２．１主控模块单片机选型与最小系统电路设计………………………．．１４
３．２．２主控模块电源电路设计……………………………………………．．１５
３．２．３键盘电路设计………………………………………………………一１８
３．２．４ＲＳ．４８５电路设计……………………………………………………．１８
３．２．５存储器电路设计……………………………………………………。１９
３．２．６液晶显示电路设计…………………………………………………一２０３．２．７实时时钟电路设计…………………………………………………．．２１
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３．２．８复位监控电路设计…………………………………………………．．２ｌ
３．３测量模块硬件电路设计……………………………………………………．２２
３．３．１测量模块单片机选型与系统电路设计……………………………一２２
３．３．２测量模块电源电路设计……………………………………………．．２３
３．３．３
测量模块自收发ＲＳ．４８５电路设计…………………………………２４３．３．４
ＡＤ转换电路设计……………………………………………………２４３－３．５隔离激振电路设计…………………………………………………．．２５
３．３．６拾振电路设计………………………………………………………．．２６
３．４接口板硬件电路设计………………………………………………………．３１
３．４．１接口板电源模块设计………………………………………………．．３ｌ
３．４．２接口板隔离ＲＳ．２３２电路设计………………………………………３ｌ
３．４－３接口板网络接口电路设计…………………………………………一３２
３．５本章小结……………………………………………………………………．３３
４振弦式传感器信号采集仪的软件设计……………………………………………３４
４．１主控模块程序设计…………………………………………………………．３４
４．１．１主控模块初始化程序设计……………………………………………３４
４．１．２主控模块采集程序设计……………………………………………．．３４
４．１．３系统电压监测程序设计……………………………………………．．３７
４．１．４ＳＤ卡检测程序………………………………………………………３８
４．１．５测量模块死机修复程序……………………………………………．．３８
４．１．６存储文件输出程序设计……………………………………………．．３９
４．２测量模块程序设计…………………………………………………………．４０
４．２．１测量模块初始化程序设计…………………………………………．．４０
４．２．２测量模块整体工作流程……………………………………………．．４１
４．２．３自适应激振程序设计………………………………………………．．４１
４．２．４等精度测频程序设计………………………………………………．．４２４．２．５
ＲＳ．４８５总线通信协议………………………………………………．４３４．３计算机辅助调试程序………………………………………………………．４４
４．４本章小结……………………………………………………………………．４５
５振弦式传感器信号采集仪的测试结果与分析……………………………………４６
５．１巴特沃斯带通滤波器仿真分析与测试……………………………………．４６
５．１．１巴特沃斯滤波器幅频响应曲线……………………………………．．４６
振弦式传感器信号采集仪的研制
５．１．２带通滤波器蒙特卡罗仿真分析……………………………………．．４６
５．１．３带通滤波器最坏情况仿真分析……………………………………．．４８
５．２信号模拟放大电路整体仿真分析…………………………………………．４９
５．２．１信号模拟放大电路幅频响应………………………………………．．４９
５．２．２信号模拟放大电路蒙特卡罗分析……………………………………５０
５．２．３信号模拟放大电路系统最坏情况分析………………………………５２
５．３振弦式传感器信号采集仪测试结果………………………………………．５２
５．３．１传感器压强计算公式………………………………………………．．５２
５．３．２标准差………………………………………………………………．．５２
５．３．３传感器水深测量结果与分析………………………………………．．５３
５．３．４传感器频率测量结果与分析………………………………………．．５３
５．４本章小节………………………………………………………………………５４
结论…………………………………………………………………………………………………………．．５５参考文献………………………………………………………………………………．．５６附录Ａ检测仪主控模块电路原理图………………………………………………一５８附录Ｂ检测仪测量模块电路原理图…………………………………………………５９附录Ｃ接收数据处理流程图…………………………………………………………６２附录Ｄ等待发送数据流程图………………………………………………………．．６３攻读硕士学位期间发表学术论文情况………………………………………………．．６４致谢…………………………………………………………………………………………………………．．６５火连理工大学学位论文版权使用授权书……………………………………………．．６６
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１绪论
１．１振弦式传感器信号采集的研究意义
白１９７９年开始实施改革开放以来，中国经济以高于建国以来任何时期的速度发展，中国发生了天翻地覆的变化。而从上个世纪９０年代末，中国的国民生产总值一直以不低于７％的年增长率增长，高速的经济发展促使了政府对桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船等领域的大量投资，在提高人民群众的生活水平的同时，也拉动了内需，促使了经济的进一步发展。经济的发展和政府的投资也对煤
炭、石油等能源产生了大量需求，也促使了政府在这些能源领域的投资Ｉｌｌ。然而，基础设施和能源领域的大量投资带来了众多的项目，这就要求在促进经济发展的同时，能够保证安全生产和保障人民群众的生命财产安全。国家和企业如今面对越来越多的来自于安全生产方面的挑战，为了积极应对挑战，需要国家对工程建设中勘察、施工、验收、运行等过程进行严格监控，督促监督企业重视和落实安全生产的规章制度，不断采用先进的安全监控技术和监测设备，并建立完善的安全预警系统。
在煤矿、油田、大坝、桥梁、造船等工程领域中，需要对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据进行监测。人类最早的安全监测主要是依靠人工来完成，而过多的依靠人工来监测具有诸多缺点。人工监测具有更多的主观性，过多的依靠个人的经验，这样很难达到全面准确，并且人工无法监测生产中高危险、高辐射、高污染等场合，而随着人力成本的不断上升，人工安全监测成本也越来越昂贵。第三次工业革命以后，随着电子测量技术、计算机技术和传感器技术的发展，越来越多的工程监测中采用基于传感器的电子测量方式。压力、应力、渗压、沉降、拉力等参数的测量，需要传感器具有较高的稳定性、精度及输出信号能够长距离传输。振弦式传感器可以对上述参数的测量，非常适用于桥梁、大坝等工作环境恶劣而技术要求又很高的安全监测环境【２】。
在计算机技术兴起之前，最初的传感器主要是将压力、水位、位移等待测物理量转换为电压或电流形式的模拟量。模拟量是随着时问连续变化的物理量，可以由硬件电路实现加减乘除等数学运算。但模拟电压、电流信号不易于远距离传输，抗干扰能力差；信号一旦受到干扰，不易对信号进行数据恢复。频率信号相对于模拟电压，具有抗干扰能力强，易于信号的长距离传输和恢复，便于单片机等处理器对信号的采集和测量。随着计算机技术的兴起，工程领域中使用的传感器往往倾向于采用输出为频率信号的传感器，来实现远程分布式多点监测。随着频率型输出的振弦式传感器一经出现并投入应用，
振弦式传感器信号采集仪的研制
几乎是目前能够长期稳定给出工程监测参数的唯一传感器，也是在工程领域内广泛应用的传感器【ｊｏｊ。
除了输出信号形式是频率信号这个优势，振弦式传感器还主要具有以下优点：
（１）具有较高的测量精度，相对于电阻应变片等传感器抗电磁干扰能力强，可以准确反映被测量的物理量：
（２）功耗低，节省能源，适合电池供电场合；
（３）坚固耐用，使用寿命长，长期工作稳定性好，不需要人工维护，大大降低了应用成本；
（４）可以应用于低温、高温、高辐射等恶劣的环境中，可以安装到矿山、煤矿、水库、大坝、核电站等监测场合，适用范围广泛；
（５）振弦式传感器的机械机构简单，安装方便睁７｜。
综上所述，振弦式传感器可以应用于桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船、煤炭、石油等领域的安全预警和安全监测中。为了实现采用振弦式传感器的安全监测，需要研制振弦式传感器的信号测量仪器。这类仪器属于智能仪表的范畴，需要根据传感器自身的特性并结合计算机技术来实现。本文设计的振弦式传感器信号采集仪就是根据传感器自身的特点，激励传感器并采集传感器信号，利用最新的单片机技术实现振弦式传感器的信号采集和计算。鉴于振弦式传感器在工程领域内的重要作用，本文研制振弦式传感器信号采集仪，对于促进安全生产具有重要意义。
１．２本课题相关的国内外研究现状
２０世纪２０年代，谢弗和麦哈克公司联合研制了第一款振弦式传感器，该传感器可以测量应变，但该传感器标距较短、测量范围较小、灵敏度较低，无法应用到工程监测中，只能应用于实验室中的科学实验。但随着振弦式传感器的技术发展，传感器不仅可以测量应变，还可以测量液位、压力、渗流、位移等物理量，测量距离大大提高，测量范围也逐渐增大，传感器的灵敏度也越来越高，这些重大进
步促使振弦式传感器的性能符合工程应用的要求。２０世纪３０年代，前苏联研究开发了采集振弦式传感器信号的监测设备，该采集设备的研制成功促使了振弦式传感器在工程监测领域中的成功应用。而该传感器一经应用，就几乎是可以长期给出液位、压力、渗流、位移等物理量可靠数据的唯一传感器器。２０世纪３０年代以后，振弦式传感器的技术发展越来越快，传感器越来越具有更高的性能，测试仪器也越来越智能，工程应用也越来越多。目前国际上，西欧国家和美国在振弦式传感器技术上的研究较为领先，世界上较为著名的振弦式传感器
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生产公司有美国基康公司、法国德莱马克公司和德国麦哈克仪器仪表公司。这些公司相关研究起步时间早，研究开发的传感器和测试仪性能稳定，测量精度高，研制和生产了种类繁多的传感器，广泛的应用于世界各地的监控领域中，然而这些传感器的价格相对于国内来说较为昂贵。目前国内广泛应用的来自国外的传感器主要是美国基康公司生产的，该公司振弦式传感器品类广泛，性能先进，在水利水电、桥梁、煤矿等领域均有应用【８】ｏ
我国从上个世纪中叶开始研究振弦式传感器技术，目前也取得了较快的发展。虽然国内的振弦式传感器的研制工作起步较晚，但发展到目前为止，也产生了一批在国内有影响力的公司：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、丹东永舜工程测试仪器厂、南京格能仪器科技有限公司、江西飞尚科技有限公司、浙江金坛土木工程仪器公司等。在这些公司中的技术实力最强是山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司，该公司依托于山东科技大学，传感器的性能位居国内前列。早在上个世纪７０年代山东科技大学就开始了振弦式传感器的相关研究，研制出的振弦式传感器和测试仪器可以满足高压力大位移的测量，可以应用于煤矿安全检测中。目前山东科技大学该领域知名教授有崔玉亮、邓铁六等。１９８４年南京水利科学研究所研制了可以监测３２个点的振弦式传感器巡回检测装置。在这以后，８０年代中后期，我国利用金属钨研制出了基于钨弦的振弦式岩石传感器和动态土压力传感器。９０年代我国成功研制出了单线圈振弦式传感器，这种单线圈传感器弦长较短，不易产生倍频干扰，体积小，同时激振和拾振线圈共用同一个线圈，简化了电路接
１：３，目前应用广泛【９ｄ２１。本课题的研究针对的是这种类型的传感器的信号采集。
目前振弦式传感器的研究和应用依然相当广泛，国内外也做了大量的改进和提升传感器性能的研究。传感器逐渐朝着高精度、大量程、小体积、多应用等方向迈进。在传感器性能提升的过程中，就产生了对改进采集传感器信号测试仪的需求，而随着计算机技术和嵌入式处理器的发展，不断采用新型的嵌入式处理对传感器的扫频激振和信号采集的应用也越来越多１１３Ｉ。
本课题研制的振弦式传感器信号采集仪针对的是目前应用广泛的单线圈振弦式传感器，并结合了目前应用广泛的意法半导体的ＳＴＭ３２单片机和自适应激振、等精度测频等技术，完成传感器的信号采集和分析处理。
１．３本论文研究的主要内容
本文研究并设计了振弦式传感器信号采集仪，由主控模块、测量模块及接口板构成。主控模块的功能是控制采集卡数据采集、显示传感器采集数据、存储采集数据并能与计
振弦式传感器信号采集仪的研制
算机进行数据通信，此外还具有监测电源电压的功能，避免采用蓄电池供电时，电池过放而充电不及时造成电池损坏。测量模块可以连接８路传感器，分时对传感器扫频激振，采用等精度测频的方式测量传感器的输出信号，提高信号的测量精度。
本课题的主要研究内容包括：
（１）探讨了传感器的两种常用激振原理，并针对它们的缺点，给出了本文设计的传感器检测原理：
（２）设计了主控模块和测量模块的系统组成方案；
（３）详细介绍了主控模块、测量模块及接口板各个部分的硬件电路设计，给出了重要模块电路的电路原理图；
（４）详细介绍了主控模块的键盘操作流程，并介绍了系统电压监测、ＳＤ卡检测、测量模块死机修复、存储文件等程序，探讨了这些程序的功能，并给出了这些程序的执行步骤；
（５）介绍了测量模块的整体工作流程，详细探讨了自适应激振程序和利用单片机片上输入捕捉模块、定时器模块实现等精度测频，重点介绍了实现４个测量模块与主控模块可靠通信的ＲＳ一４８５通信协议；
（６）讨论了利用Ｐｓｐｉｃｅ软件对系统设计的巴特沃斯电路和信号拾取电路的软件仿真，进行了蒙特卡罗分析和最坏情况分析，并对通过仿真验证的巴特沃斯带通滤波器进行实际测试：
（７）对振弦式渗压计进行了实际测量。
１．４本论文组织结构
本文由绪论、系统总体方案设计、系统硬件设计、软件设计及测试结果构成。
第一章绪论，主要介绍了振弦采集仪的相关应用背景，分析了研究振弦式传感器信号采集仪的在促进安全生产方面的重大意义。
第二章介绍了振弦式传感的机械结构和数学模型，探讨了高压拨弦和低压非隔离扫频激振方案的优缺点，给出了本课题的传感器信号采集原理以及本课题的主控模块和测量模块的设计方案。
第三章按照第二章的设计方案，给出了系统整体硬件结构图，并详细介绍了主控模块、测量模块、接口板各个部分的电路。讨论了这些电路的工作原理，给出了电路的具体原理图。４
人连理工大学硕士学位论文
第四章主要介绍系统的软件设计。介绍了主控模块的各部分软件程序，详细介绍了主控模块的操作流程。介绍了测量模块的自适应激振程序和等精度测频程序，给出了程序的实现方法。详细探讨了ＲＳ．４８５总线的通信协议，给出了数据接收和数据发送的详细程序流程。
第五章给出了Ｐｓｐｉｃｅ软件仿真的仿真结果和测试仪的具体测试结果。软件仿真验证了模拟电路的设计满足要求。最后还介绍了本测试仪对振弦渗压计的测试。５
振弦式传感器信号采集仪的研制
２采集仪系统总体方案设计
２．１单线圈振弦式传感器
２．１．１振弦式传感器结构
振弦式传感器按照组成结构划分主要有双线圈型和单线圈型，目前得到广泛应用的是单线圈型振弦式传感器，具有体积小，稳定性高，精度高等优点。
图２．１
单线圈型振弦式传感器示意图Ｆｉｇ．２．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅ—ｃｏｉｌ—ｔｙｐｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ，３单线圈型振弦式传感器的组成结构如图２．１所示。传感器主要由磁铁、激励与接收线圈、钢弦、膜片、支座等构成。钢弦一端固定在支座上，另外一端连接弹性膜片。当弹性膜片受到的压力或者拉力发生变化时，会导致钢弦受到压缩或拉伸，钢弦的应力发生变化。激励与接收线圈与钢弦平行安装。单线圈型的传感器的激励线圈与接收线圈是同一个线圈，通过分时复用的形式实现对传感器的激励和传感器信号的接收。利用单线圈传感器这种激励线圈和接收线圈分时复用的形式，可以降低钢弦的长度，有利于传感器的小型化，并减少了传感器的连接线和降低了外围电路的复杂程度。
２．１．２振弦式传感器数学模型
若钢弦上两端的应力为Ｆ，则弦自由振荡时的频率厂为：
厂＝寺后
泣・，６
大连理工大学硕士学位论文
，式中，为钢弦有效长度，Ｐ为钢弦的密度‘１４】。根据公式（２．１）可知，钢弦两端的应力大小Ｆ为：
Ｆ＝４ｐ１２ｆ２（２．２）
，钢弦有效长度和钢弦密度是可以认为相对不变的，故钢弦的应力与频率的平方成正比。工程上通常将频率的平方转换为模数来表示，公式（２．３）为模数计算公式。
Ｍ：上
（２．３）
１０００由公式（２．２）、（２．３）可知，钢弦应力计算公式为：
Ｆ＝４０００，０１２Ｍ（２．４）
２．１．３振弦式传感器信号测量原理
根据传感器的机械结构可知，传感器上的弹性膜片受到压力或拉力时，钢弦上的应力会发生相应变化。振弦式传感器中主要的信号检测单元是钢弦。当传感器中的线圈中加入适当的激励信号，根据电磁感应原理，钢弦在受到磁力的作用时，一部分电能转化为钢弦的弹性势能和动能；当线圈上的激励信号消失时，钢弦的振荡形式为有阻尼的振荡；钢弦振荡过程中，会切割磁铁的磁感线，导致线圈所在处的
基于振弦式传感器测频系统的设计 白泽生 (延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000) 利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。因此，可获得非常理想的测量效果。 1 振弦式传感器的工作原理 振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。 振弦的振动频率可由以下公式确定：
其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。 当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。 2 测频系统的设计 2.1 基本原理 振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。测频原理框图如图2所示。
2.2 系统硬件电路设计 根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。
. . . . 基于89C51单片机 振弦式传感器水位测量系统 专业名称：机电一体化 年级班别： 姓名： 学号： 指导教师： 年月
摘要 (2) 前言 (3) 一、绪论 (4) 1.1水位测量的历史及现状 (4) 1.2 方案论证 (5) 1.3 本系统的设计原理 (6) 1.4总体概况及展望 (7) 1.5设计要求 (7) 二、振弦式传感器 (7) 2.1 工作原理 (8) 2.2 振弦式传感器的设计 (9) 2.3 结论 (11) 三、硬件系统设计 (12) 3、硬件系统设计原理 (12) 四、程序设计 (13) 4、程序 (13) 五、小结 (14) 六、参考文献 (15) 七、附录 (16) 7.1当处于低水位时Protues仿真图 (16) 7.1当处于高水位时Protues仿真图 (17)
摘要 本文简要介绍了利用单片机和传感器进行水位测量的基本原理，本课题的任务就是利用振弦式压力传感器测量水位，用单片机组成智能测量装置，实现水位的智能监测，并将采集的数据汇总、处理。然后对本系统的工作原理、智能监测方法、要现的功能、监测系统的组成和硬件线路设计作了详细的讲解。在结合装置具体要求的基础上，确定了以8051单片机为核心，用振弦式传感器测量共振频率以计算水位的设计方案。 本文例举了智能测量装置的一个整体实现方案。包括硬件的连接以及软件的实现。在硬件的连接中具体的讲解了本设计主要采用的振弦式压力传感器的性能以及硬件的连接及各电路模块的主要功能。在软件的实现中具体的讲解了利用单片机可编程来实现水位测量的扫频和测频两部分，这包括了D/A转换，周期测量，频率计算等子程序。本文对采用传感器和单片机实现水位测量替代传统的人工方法做出了一定的探讨，并分析比较得出比较可行的实现方案。 关键词单片机、水位测量、振弦式传感器
基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统 贾鹏辉;陈辉;周平义 【摘要】Traditional vibrating-wire-sensor acquisition systems are usually used in tunnels, mines, bridges, dams and other projects,but they always have difficulty in communicating with each other,and they all have poor accuracy and real-time capability. In order to solve these problems,a vibrating-wire-sensor data acquisition system based on STM32F103 was designed.The system integrated functions such as data acquisition,data storage,power management,and it can be connected to various types of sensors. Data acquisition measurement system provided various communication interfaces such as GPRS and RS485.The wireless communi-cation module can establish wireless networks easily between multiple measuring instruments and create dynamic routing,which can realize data collection and transmission in harsh environments.%针对隧道、矿山、桥梁、水库大坝等工程中传统振弦式传感器采集系统精度不高、相互之间通信困难、实时性差等缺点，设计了以STM32F103VCT6为核心控制芯片的振弦式传感器数据采集系统。该系统将振弦式传感器数据采集、数据存储、电源管理集于一体，并可以连接不同传感器。数据采集测量系统提供GPRS、RS485等多种通信接口，利用 无线通信模块可以方便地实现多台测量仪器之间自动组建无线网络并建立动态路由，实现恶劣环境下的数据采集和传输。 【期刊名称】《仪表技术与传感器》 【年(卷),期】2015(000)002
振弦式传感器的工作原理及其特点 1. 概述 振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性： (1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。 为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。 2. 工作原理 振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。 现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。如图l所示，工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。 振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定； 式中，f 0 ——初始频率； L——钢弦的有效长度i p一-钢弦材料密度； σ o ——钢弦上的初始应力。 由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f 0 ；当施加外力(即被测力——应力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初频也随之增加或减少。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的力——应力或压力值等。
振弦式压力传感器原理 振弦式压力传感器原理 振弦式压力传感器是一种常用的压力测量设备，其原理基于振弦在受力时的共振频率变化。以下将从浅入深地解释振弦式压力传感器的原理及其工作过程。 原理概述 振弦式压力传感器的原理基于以下几个关键点： 1.振弦：振弦是指由材料制成的细长弹性体，具有一定的弹性和质 量。 2.共振频率：振弦在特定长度和拉力下的自然振动频率，与振弦的 长度、材料和张力有关。 3.压力引起的张力变化：施加在振弦上的压力会导致张力的变化， 进而改变振弦的共振频率。 工作原理 振弦式压力传感器的工作过程可以简述为以下几个步骤： 1.安装：将振弦式压力传感器安装在待测对象上，使其与压力源接 触。
2.张力变化：当压力引起的张力变化作用在振弦上时，振弦的共振 频率会发生改变。 3.传感器检测：传感器通过测量振弦的共振频率变化来间接检测压 力的大小。 4.传输信号：传感器将测得的数据转化为电信号，并传输给外部设 备进行进一步的处理和分析。 振弦式压力传感器的关键设计因素 1.振弦材料：振弦的材料决定了其弹性和共振频率的范围。常见的 振弦材料包括金属、合金和聚合物等。 2.振弦长度：振弦长度与共振频率呈反比关系，较短的振弦共振频 率较高，较长的振弦共振频率较低。 3.张力控制：振弦的张力会影响到振弦的共振频率，因此需要对张 力进行精确控制，以确保传感器的准确性和稳定性。 4.灵敏度调节：通过调节振弦的长度、张力和材料等参数，可以调 节传感器的灵敏度，以满足不同应用需求。 优势和应用领域 振弦式压力传感器具有以下优势： •高精度: 通过监测共振频率变化，能够实现较高的精确度和稳定性。
题目 摘要 关键词 abstract kye words 1引言 振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。其输出的是频率信号，不需要A/D 或D/A 转换，抗干扰能力强，能够远距离传输。其稳定性、重复性较好，结构简单，寿命长，灵敏度高，因此被广泛应用于大坝、桥梁、公路等对力、位移和裂缝的检测。国际上生产振弦式传感器的著名厂家有美国基康公司，法国TELEMAL 等，他们生产的振弦式传感器在精度、寿命和稳定性方面都有良好的表现。如今，振弦式传感器已经成为了应力、应变测量的先进传感器之一。 2振弦式传感器的工作原理 金属丝在一定的拉力下具有一定的自振频率。随着应力的变化，其自振频率也跟着变化。而其自振频率跟应力具有某种数学关系。所以，通过测量金属弦的固有频率就可以换算得到外界参数的变化。 图1是振弦式传感器的等效物理模型。金属弦的自振频率的得到公式如下： f = (1) 式中，f 为金属弦的自振频率；l 为金属弦的长度；ρ为金属弦的线密度；T 为金属弦所受张力。 而 v T s s E l l σρρσ⎧=⨯⎪⎪=⨯⎨⎪∆=⎪⎩ (2) 式中，σ为金属弦所受应力；s 为金属弦横截面积；v ρ为金属弦的体密度；E 为金属弦的弹性模量；l ∆为金属弦受张力后的长度增量。 将式(2)带入式(1)，得 f = (3)
由上式可看出，当传感器确定之后，弦长l 、弹性模量E 、弦的体密度v ρ都为常量。外力的变化引起弦长度的增量l ∆与弦的自振频率存在着确定的关系式。 3振弦式传感器的发展历史与现状 1919年，谢弗和麦哈克公司联合研制了世界上首款振弦式传感器。虽然这款传感器能够用来测量应变。但是由于其自身的缺点，如测量范围窄、灵敏度低等，而未能大规模应用于工程实践中。而后由于技术的发展，不仅提高了其范围与灵敏度，测量与传输距离也大幅提高。使得振弦式传感器不仅用于应变的测量，还可以用来测量液位、位移、扭矩等。虽然此时振弦式传感器的各项性能已经满足工程测量的需求，但却未能广泛应用。主要原因就是采集振弦传感器信号的设备还未面世。 20世纪30年代，前苏联成功研究开发出了采集振弦式传感器信号的监测设备。振弦式传感器在工程测量中大规模应用也正是源于监测设备的成功开发。振弦式传感器由于可以长期测量液位、压力、渗流和位移等物理量，而成为大坝等水利设施上一种非常重要的传感器。 20世纪70年代后，随着电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路技术的飞速发展，振弦式传感器的研究也获得了长足的进步。现代生产的振弦式传感器由于体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输、处理和存储而成为工程监测中一种较为先进的传感器。 国外对振弦式传感器的研究起步较早，国际著名的振弦式传感器制造公司有美国基康公司(GEKON)、德国MAILHAK 公司、法国TELEMAL 公司、加拿大ROCTEST 公司及英国SCHLUBERGER 等公司。这些公司研究早，发展快，生产的传感器性能好、数字化及智能化。 国内振弦式传感器的研究开始于19世纪60年代。虽然起步较晚，但是也取得了不俗的成就。 国内比较著名的振弦式传感器公司有：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、南京格能仪器科技有限公司等。 20世纪70年代开始，山东科技大学邓铁六教授等人便投身于对振弦式传感器、智能仪器和监测系统的研究，于后来提出了() ()2200F A F F B F F =-+-的精确数学模型，提高了传感器的准确性和重复性。并与90年代研制出了单线圈振弦式传感器。此传感器的振弦传感技术由振弦传感器、激发电路、高准确度快速测频电路、单片机、微机等组成测量系统组成，是一项综合技术，具有广阔的发展前景。2010年，邓铁六等教授又发明了一种高准确度振弦式压力传感器。1984年南京水利科学研究所研制出了可以监测32个点的振弦传感器巡回检测装置。1996年崔玉亮教授等人对振弦式传感器测量精度的公式进行了修正。2013年水利部珠江水利委员会蒙永务研究了振弦式传感器频率测量的问题，针对其输出信号弱，易受干扰提出了基于锁相环的新型测频电路。 经过几十年的发展，振弦式传感器以经成为了一种技术含量高，使用广泛的传感器。振弦式传感器的研究工作也仍然在进行中。 4振弦式传感器的应用研究 4.1在大坝安全监测中的应用 4.2 4.3
浅谈振弦式传感器在大坝安全监测中的优势与应用 摘要：振弦式传感器由于其工作原理简单、精度和稳定性高及抗干扰力强，在大坝安全监测中已经被广泛应用。本文介绍了振弦式传感器的工作原理、在大坝安全监测中的优势以及在应力/应变、变形、渗流和温度等大坝安全监测项目中的应用。 关键词：大坝安全监测监测仪器振弦式传感器振弦应用 大坝安全监测是指：水库大坝从施工开始到工程结束投入使用的全部过程，都需要对建筑物安全性能和运行状态进行安全监测。大坝安全监测中最基础、最主要的就是监测仪器，对建筑物安全性能和运行状态的了解和分析，主要依靠各种监测仪器提供的测量数据。振弦式传感器就是众多监测仪器中的一种，从20世纪30年代发明至今，随着电子读数仪技术、材料和生产工艺的发展，振弦式传感器已成为一种性能十分完善且能满足大坝安全监测应用要求的监测仪器。 1 振弦式传感器工作原理的介绍 1.1振弦式传感器的构造 振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。而钢弦就是振弦式传感器的振弦。（如图l所示） 1.2振弦式传感器的工作原理 振弦式传感器的工作原理就是测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦应力的物理量。 1.2.1频率（周期）与变形（应变）之间的关系 振弦的固有频率（共振频率）与应力，长度和质量有关，公式如下： 由于钢弦的质量m、钢弦长度Ｌw、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力Ｆ与输出频率f建立了相应的关系：即当外力F0未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f0；当施加外力F1 (即被测力——拉力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时频率也随之增加或减少为f1。因此，只要测得振弦频率值f1，即可得到相应被测的力——拉力或压力值等。 1.2.2振弦式传感器的工作原理
1 绪论 在大型土木工程的安全监测中，压力作为一个重要的参数，其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测，对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点，因此是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。 1.1 课题研究目的和意义 在建筑工业中，安全问题是重中之重，一旦一个工程安全问题得不到保障，投入的资金再多，耗费的人力物力再大，也都显得没有任何意义。振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要地位。基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中，用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。 基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。对桥梁的运行状况进行健康监测，可以有效预防突发性灾难，减少损失, 避免人员伤亡, 确保基础设施与使用者的安全。 1.2 国内外技术发展现状 振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库
4.8振弦式传感器 弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮的张紧 度和厚度，就可改变它们的发声频率。 2013416 一、工作原理和测量电路 （一）工作原理 顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的 张力F,可以得到不同的振动频率f, 振频率成单值函数关系。 磁钢和线圈 即张力与谐 支点 弦 1 2 1 21 EM 77 活动支点 对已定传感器: f 2013416 2
2013416 (-)弦的激发方式 2013416 1、间歇激发 迪当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线 圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自 由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输 出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量 感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。 &要测量振弦振动频率, 以足够的激励力。 &振弦的激振方式： 1. 间歇激发 2. 连续激发 必须先激发振弦起振，给弦
2013-446 6 2、连续激发 &连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励, 另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后, 接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励 线圈1以维持振弦的连续振荡。 2013-446 （三）部件性能对传感器性能的影响 & 弦的夹紧件
2013-4-16 $6*0 ©■的。瀏M 术 8 二、传感器的特性分析 k =df =尺 2fdf = Kd £ U d£ 2f &灵敏度k 与材料系数K 成正比而与弦的振动频率成反 比。 4材料系数K ——材料的材质；几何尺寸 ■弦丝的长度I , 1=12〜20mm ；弦丝的横截面积t 2013-4-16 2、非线性 ㊄振弦式传感器的输出•输入一般为非线性关系，其输 出■输入特性如下图所示。 &为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。 螂II 蠶鬆詐験瞬滤翩蠶 A/ ft * \ Ti h 1、灵敏度 013-5差动弍振味传樁磊原理图
振弦式传感器在边坡自动化监测中的应 用 摘要：随着边坡自动化监测的逐步发展，越来越多的传感器被使用在边坡自 动化监测中。振弦式传感器由于其具有结构简单稳定、测量精度高，抗干扰性良 好的特点，已经被广泛的使用在很多土木工程中。本文简单介绍了振弦式传感器 的原理和应用，并简单描述了一个基于振弦式传感器的边坡自动化监测系统。 关键词振弦式传感器；物联网；公路边坡；自动化监测 中图分类号：TP212.9，TP271 0引言 随着我国交通行业基础设施建设事业的蓬勃发展，公路边坡也越来越多，由 于公路边坡常常位于较为偏僻的荒野中，恶劣的自然环境严重影响着传感器的寿 命和测量精度，而且设备维护也不方便，对自动化监测工作是个严峻的考验。振 弦式传感器具有较高的灵敏度、良好的抗干扰性和较为简单的结构，已经被广泛 的应用在了各行各业中，如桥梁结构健康监测[1]，大坝安全监测[2]等钢构建筑的 监测，深基坑监测[3]等；其中文献[1]以MSP430F449单片机为核心，设计了适用 于振弦式传感器的信号调理电路和温度补偿电路，实现了桥梁工程中地参数自动 化实时监测；文献[2]在实际的大坝监测工作中，使用了振弦式的渗压计、测缝 计等传感器，通过实际工程监测结果，说明了振弦式传感器可以满足大多数工程 的需要；文献[3]在振弦式传感器的基础上，结合了物联网技术，设计出一种可 以对深基坑安全状况进行实时监测评估的智能化监测系统。也有学者研究了基于 振弦式传感器的边坡自动化监测系统[4-5]，文献[4]以振弦式传感器为基础，设 计了由数据采集、服务端处理、Web展示三个模块组成的公路边坡安全监测系统；文献[5]同样以振弦式传感器为基础，设计了边坡自动化监测系统，特点是做了 数据修正，并且针对敏感数据进行预警处理。为了保证振弦式传感器的测量精度，
振弦式读数仪工作原理 振弦式读数仪是一种常见的电子测试仪器，用于测量电流、电压、阻抗等电学参数。它的工作原理基于振弦的共振效应。 振弦式读数仪的主要组成部分包括振弦、传感器、转换电路和显示器。其中，振弦是关键部件，它是一种细长的金属杆，可固定在支架上，并通过传感器与待测电路相连接。当传入电流或电压时，振弦受到电磁力的作用而振动，其振动幅度与待测电路的参数相关。 具体来说，振弦的共振频率与负载电路的电感和电容成反比。当振弦处于共振状态时，其纵向振动幅度将达到最大值。这时，振弦内的感应线圈会感受到振动的磁场变化，并将其转换为电信号。传感器进一步将电信号转换为对应的电压信号，并通过转换电路放大和处理。最后，经过显示器的数字显示，我们可以读取出待测电路的参数数值。 振弦的共振频率可以由以下公式表示： f = 1 /（2π√（LC）） 其中，f为共振频率，L为电感值，C为电容值。根据这个公式，我们可以看出，当电感或电容变化时，共振频率也会发生变化。通过测量共振频率的变化，我们就能间接得到待测电路的参数数值。 振弦式读数仪有很高的精度和准确度。这是因为振弦的共振频率非常稳定，其测
量误差较小。此外，振弦式读数仪还具有非常宽的测量范围，可以测量几个数量级的电流和电压。同时，振弦式读数仪还具有相对较低的成本和体积，因此在实际应用中得到了广泛的应用。 除了振弦式读数仪，还有其他的读数仪器，如压电式读数仪和电阻式读数仪等。这些读数仪器也有各自特点和适用范围。例如，压电式读数仪采用压电材料的压电效应来实现转换，其精度较高，但适用范围较窄。 总而言之，振弦式读数仪通过振弦的共振效应来测量电路参数。其工作原理简单而有效，可以实现高精度和广泛的测量范围。在实际应用中，振弦式读数仪得到了广泛应用，并在电子工程领域起到了重要的作用。
振弦传感器扫频激振与测频方法研究 鹿玲;戴学松;姜志学 【摘要】单线圈振弦传感器主要用于大坝、桥梁及建筑物等各种工程的安全压力监测.与压电等其他传感器相比,其测量压力更加精确,使用寿命更长.这类传感器的应用难度在于如何通过有效的激振方法,使振弦以当前压力下的固有频率振荡,且振荡幅值需达到测量的要求.介绍了一种新的单线圈振弦传感器扫频激振与测频方法,在未找出振弦自激振荡频率前,采用缩短计数时间粗略计算振弦自激振荡频率,以达到快速扫频的效果;在预判将要出现振弦自激振荡频率时,再采用延长计数时间来精确计算振弦自激振荡频率.该方法对有效激振和扫频方式进行了改进,并采取一些有效措施以提高测频精度.实际测量应用证明,该方法稳定、可靠,且精度高. 【期刊名称】《自动化仪表》 【年(卷),期】2018(039)010 【总页数】4页(P42-45) 【关键词】振弦传感器;双电压扫频激振;粗精接合测频法;单片机;测频精度 【作者】鹿玲;戴学松;姜志学 【作者单位】辽宁科技大学软件学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学软件学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学软件学院,辽宁鞍山 114051 【正文语种】中文 【中图分类】TH812;TP212
0 引言 单线圈振弦传感器在建筑工程压力监测中的应用十分广泛。单线圈振弦传感器的激振与测频是通过同一个线圈来完成的［1］。对单线圈振弦传感器进行有效的扫频激振，是准确测频的前提。目前，激振与测频方法有很多，但都存在各自的优缺点。人们正不断探索更新、更高效的激振方法，以提升测频精度。 本文研究了一种新的单线圈振弦传感器扫频激振与测频方法。该方法采用了基康公司的4500SR-350KPa型号单线圈振弦传感器，通过将粗略扫频与精确扫频相结合，实现了全量程范围内的扫频，提高了测频的精度。实践证明，该方法激振高效且测频准确。 1 系统的总体构成 系统由扫频激振、测频或拾频、单片机软硬件、串口数据传输以及负责接收和显示的上位计算机构成。因为激振和测频的模拟单元需要的是+5 V和－5 V这2种直 流电源，所以扫频激振单元和拾频单元都要通过光电隔离后才能与计算机相连接。系统构成框图如图1所示。 图1 系统构成框图Fig．1 System composition 2 振弦传感器激振与拾频的硬件电路 单片机采用 STR12C5A16S2。单片机的晶振为11．059 2 MHz，这会提高单片 机系统与计算机系统通过串口通信的波特率。单线圈振弦传感器激振与测频部分采用+5 V和－5 V这2种电源供电，双电压激振。由单片机的 P2．4和 P2．5分 别控制三极管 Q1和 Q2的接通与断开，并通过改变+5 V和－5 V的接通时间来 调整单线圈振弦传感器的激振频率。激振信号在一定频率范围内的连续变化过程就是扫频。拾频是指在有效激振的前提下测量出单线圈振弦传感器的自激振荡频率，又称为测频。实际的激振与拾频单元硬件电路［2］如图2 所示。
传感器与检测技术知识总结 1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置; 一、传感器的组成 2：传感器一般由敏感元件,转换元件及基本转换电路三部分组成;①敏感元件是直接感受被测物理量,并以确定关系输出另一物理量的元件如弹性敏感元件将力,力矩转换为位移或应变输出;②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数电阻,电感,电容及电流或电压等电信号;③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输,处理的电量; 二、传感器的分类 1、按被测量对象分类 1内部信息传感器主要检测系统内部的位置,速度,力,力矩,温度以及异常变化;2外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态,它有相对应的接触式触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器和非接触式视觉传感器、超声测距、激光测距; 2、传感器按工作机理 1物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的主要有：光电式传感器、压电式传感器; 2结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器; 3、按被测物理量分类 如位移传感器用于测量位移,温度传感器用于测量温度; 4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用;
5、按传感器能量源分类 1无源型：不需外加电源;而是将被测量的相关能量转换成电量输出主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式又称能量转化型； 2有原型：需要外加电源才能输出电量,又称能量控制型主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式; 6、按输出信号的性质分类 1开关型二值型：是“1”和“0”或开ON和关OFF； 2模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量,其输入/输出可线性,也可非线性； 3数字型：①计数型：又称脉冲数字型,它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型又称编码型：输出的信号是数字代码,各码道的状态随输入量变化;其代码“1”为高电平,“0”为低电平; 三、传感器的特性及主要性能指标 1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系,有静态特性和动态特性; 2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时,传感器的输出与输入之间的关系,叫静态特性,简称静特性; 表征传感器静态特性的指标有线性度,敏感度,重复性等; 3、传感器的动态特性是指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为动态特性,简称动特性;传感器的动态特性取决于传感器的本身及输入信号的形式;传感器按其传递,转换信息的形式可分为①接触式环节；②模拟环节；③数字环节;评定其动态特性：正弦周期信号、阶跃信号;
基于M-Rife算法的振弦式传感器精确测频系统设计 何华光;谢忠杰;谭柳丹;谢开仲 【摘要】Aiming at problem that frequency measurement system of vibrating wire sensor is easily affected by noise,resulting in decreased precision of frequency measurement,introduce a high precision frequency measurement method based on M-Rife algorithm. Combined with the hardware structural characteristics and programming mode of ARM processor,the M-Rife algorithm is transplanted to ARM processor,and high precision frequency measurement system of vibrating wire sensor is realized. Experimental results show that the relative error of frequency measurement of system is less than 0. 025%,and the system has strong anti-interference ability.%针对振弦式传感器测频系统易受噪声干扰，导致测频 精度下降的问题，介绍了一种基于 M-Rife算法的高精度频率测量方法。结合ARM处理器的硬件结构特点和编程方式，将M-Rife算法移植到ARM处理器上，实现了完整的振弦式传感器精确测频系统。实验结果证明：系统频率测量的相对误差小于0.025%，具有较强的抗干扰能力。 【期刊名称】《传感器与微系统》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】3页(P69-71) 【关键词】振弦式传感器;M-Rife算法;ARM 【作者】何华光;谢忠杰;谭柳丹;谢开仲
振弦式应变传感器温度修正试验 王永宝;赵人达;陈列;徐勇;谢海清 【摘要】为得到合理的振弦式应变传感器温度修正公式,对自由状态下的传感器、埋置在混凝土收缩徐变试件内的传感器和埋置在钢管混凝土收缩徐变试件内的传感器进行了室外日照温度下的温度修正试验,根据试验结果拟合了不同条件下振弦式应变传感器的温度修正公式,并基于理论公式对其进行了分析.结果表明:自由状态下的传感器应变与温度增加呈正相关,斜率为2.8×10-6℃-1;埋入混凝土收缩和徐变试件的传感器应变与温度呈负相关,斜率分别为-2.15×10-6℃-1和-2.54×10-6℃-1;钢管混凝土表贴传感器应变与温度呈正相关;埋置在管内混凝土收缩和徐变试件的传感器应变与温度增加呈负相关,斜率分别为-2.01×10-6℃-1和-1.70×10-6℃-1;振弦热膨胀系数和外界测试材料热膨胀系数的差异是造成传感器应变与温度正负相关的主要原因.%In order to obtain reasonable temperature correction formula of vibrating wire strain sensor,temperature correction tests about the sensor in free state,the sensor embedded in concrete creep and shrinkage members,concrete filled steel tube (CFST) shrinkage and creep members in the outdoor sunshine temperature were carried out.Based on the experimental results,the temperature correction formulas of vibrating wire strain sensor under different conditions were fitted,and the results were analyzed based on the theoretical formula.The results show that the sensor strain in free state is positively correlated with the increase of temperature,and the slope is 2.8 × 10-6℃-1.The strain of sensor embedded in the concrete shrinkage and creep specimen presents negative correlation with temperature,and the slope is -2.15X10-6℃-1