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振弦式传感器测频系统的低功耗技术研究作者：范苑等来源：《数字技术与应用》2014年第04期摘要：为适应长期工作在复杂而恶劣的环境，实现长时间监测采样。
本文提出了一种低功耗测频采样设计，采用多周期定时激振测频方法，通过低功耗元器件的应用、电源系统的动态管理、三态开关编码和定时开关设备等方法实现系统超低功耗，从而延长电池更换周期和设备使用寿命。
关键词：低功耗电源管理三态开关定时开关测频中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）04-0085-021 引言由于频率信号在传输过程中一般不会受到电子元件特性的影响，因此具有高抗干扰的特性，易于长距离传输，因此越来越多的传感器使用频率作为输出信号。
振弦式传感器一般通过检测振弦在作用环境中的固有频率，通过对应关系得出要监测的量。
因为监测对象相对固定且检测时间周期较长，故对监测设备的续航能力有一定的要求。
本文通过低功耗元器件的选择和使用，继电器切换电路通断进行电源管理，使用三态开关进行设备编码，MCU系统测频完成后自动由工作模式进入低功耗休眠模式等方法实现整机超低功耗。
经实际验证达到了低功耗运行的目的。
2 振弦式传感器的结构与工作原理振弦式传感器是由线圈、定位支座、振弦及封装组成。
振弦式传感器可以等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。
[1]弦的振动频率的公式为其中s是振弦的横截面积，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，通过上面的物理量可以得出待测物理量。
3 低功耗电源管理节能降耗首先要从电源管理入手，高效能的电源管理可以有效降低产品的整体功耗。
对于电源管理的低功耗处理，本系统通过选择使用低功耗稳压芯片的方法。
传统的稳压电路大多采用7805和AMS1117三端稳压芯片[2]。
其中芯片7805静态电流最大到8mA，输入输出压差大于2V，压差越大，可提供的最大输出电流越小。
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。
2.2.1 激振电路激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。
振弦式传感器的工作原理及其特点振弦式传感器是一种常见的测量物理量的传感器，其工作原理是基于共振频率的变化。
该传感器通常由一根细长的弹性杆状物体（振弦）组成。
当受到外界物理量的作用时，振弦将发生弯曲、扭转等形变，从而改变其固有的共振频率。
通过测量共振频率的变化，我们可以得到外界物理量的相关信息。
振弦式传感器的工作原理可以通过简单的梁（杆）弯曲模型来解释。
当振弦受到外力作用时，它将在弯曲方向上振动。
振动的频率取决于振弦的弹性特性和几何尺寸。
在无外力作用时，振弦具有固有的基频。
当外力作用于振弦时，它将改变振弦的弹性特性和几何尺寸，从而改变其频率特性。
因此，通过测量频率的变化，我们可以获得外力的信息。
1.高灵敏度：振弦式传感器可以实现很高的灵敏度。
由于振弦对外力变化的响应非常敏感，因此可以检测到微小的力、压力、液位等变化。
这使得振弦式传感器在许多应用中非常有用，特别是需要高精度测量的场合。
2.宽测量范围：振弦式传感器适用于广泛的测量范围。
它可以测量从微小的力到大型结构的压力、应变等物理量。
通过选择合适的振弦材料和尺寸，可以实现不同范围的测量要求。
3.快速响应：由于振弦式传感器对外界物理量的变化非常敏感，因此其响应速度非常快。
这使得它在需要高频率反馈的快速响应系统中非常有用，例如振动测量和动态力学测量。
4.高精度：振弦式传感器具有高精确度。
通过精确计算和控制振弦的几何尺寸和材料特性，可以获得非常准确的测量结果。
此外，振弦式传感器的测量结果受到环境温度、湿度等因素的影响较小，因此可以在各种环境条件下获得可靠的测量数据。
5.强韧耐用：振弦式传感器通常采用高强度、耐腐蚀的材料制成，可以在恶劣的工作环境中使用。
其结构简单，无易损件，因此具有较长的使用寿命和良好的可靠性。
6.易于集成和安装：振弦式传感器可以灵活地设计和制造，便于集成到各种系统和设备中。
它们通常采用小型、轻量级的结构，易于安装和操纵。
此外，振弦式传感器可以通过合适的信号放大和处理电路，与其他设备进行接口连接，实现自动化控制和远程监测。
基于振弦式传感器的频率检测模块设计振弦式传感器是一种新型的机械振动传感器。
它主要是通过振弦的振动来感知物体所发出的振动信号，然后通过一定的转换和处理，将其转化为等效的电信号输出并进行不同的应用和处理。
基于振弦式传感器的频率检测模块设计在信号处理和传输方面具有重要的应用，可以实现对机械振动信号的高效检测和转换，为机械振动检测和结构分析提供了重要的技术支持。
振弦式传感器的工作原理主要是利用振弦的振动来感知物体的机械振动信号，产生电信号输出。
在设计针对常见机械振动的频率检测模块时，其主要作用是将振弦输出的机械振动信号转化为天线合适的电信号，并通过一定的处理和运算，得出振动信号的频率和其它相关参数。
同时，在高速振动环境下，需要对振弦输出的信号进行滤波和降噪处理，以提高测量精度和可靠性。
基于振弦式传感器的频率检测模块设计中，主要需要考虑三个核心问题。
第一个问题是振弦的驱动方式和原理。
实际上在机械振动检测领域中，市场上有很多不同类型的传感器可供选择。
振弦式传感器选择的驱动方式和原理，将直接影响模块的设计、灵敏度和精准度等因素。
常见的驱动方式包括磁感应、电源输出、公差报警和机械力等，每种驱动方式都有其自身的特点和适用范围。
第二个核心问题是振动信号的接收与转化。
在将机械振动信号转化为电信号的过程中，需要对信号进行滤波和降噪处理，以提高测量精度和可靠性。
此外，振动信号的特征包括振动幅度和振动频率等，需要在模块设计过程中提前考虑和确定好检测的频率范围和精度要求，以便进行正确的选择和优化。
第三个核心问题是信号处理和传输。
基于振弦式传感器的频率检测模块设计需要将信号进行合理的转换、处理和传输，以保证得到高质量、可靠的动态数据。
常见的处理方案包括信号滤波、放大、修整、数字化等。
此外，适合各种数据传输需求和环境的姿势。
因此，基于振弦式传感器的频率检测模块设计需要综合考虑以上因素，并在模块设计阶段进行灵巧、准确的选材和优化，以实现高效、准确的机械振动检测和频率分析功能。
ZigBee的多点震动检测系统设计与实现作者：杨婉琪迟吉鑫刘璐瑶来源：《中国新技术新产品》2019年第11期摘; ;要：该文设计了一种基于Zig Bee技术的多点震动检测系统，系统有一个主节点和多个从节点，使用多片CC2530芯片处理数据。
从节点感应震动发生，通过Zig Bee技术将数据发送给主节点，主节点接收数据，进行数据处理并显示每个节点的震动情况，如果有从节点发生震动，进行报警。
经测试，该系统反应迅速，可以实现报警功能。
关键词：ZigBee;无线传感器网络;报警模块中图分类号：TP393 文献标志码：A中国是世界上大陆强震最多的国家，具有地震强度大、范围广、危险度高等特点。
频繁的地震，不仅给我国带来了巨大的经济损失，也对我们的生命造成了威胁。
在这种无法预测的灾难面前我们更应该做好防御措施，时刻监测地面震动，以最快的速度做出反应，减少人员伤亡和经济损失。
因此设计多点震动检测具有重要的现实意义。
ZigBee的名字来源于蜜蜂之间传递信息的“Z”字形舞蹈，目前已成为IEEE 802.15.4标准的代名词。
为了扩大ZigBee产品市场，实现规模化经济，从而推动ZigBee技术的合理和快速发展，由来自全球各地的300多家企业组成ZigBee行业联盟。
联盟目前已经汇聚了多个创新机构共同创建ZigBee标准，截至当前，已将此标准应用于数以亿计认证并部署的物联网产品。
利用其互操作性和向后兼容的特點，进一步延长ZigBee产品的使用寿命，降低成本。
就目前ZigBee技术而言，国内外学者的研究主要集中在应用和信息采集领域。
ZigBee标准将网络中的节点分为3种类型：协调器（Coordinator Device）、路由器（Router Device）和终端设备（End Device）。
除路由器和终端设备一般采用干电池或者蓄电池来供电外，协调器节点则由稳定电源供电。
1 无线传感器网络无线传感器网络目前是较为常见的一种通信网络技术，其本质上是一种经过有关静止传感器以及移动传感器，通过自组织、多跳等方式构成的一种无线网络。
多通道电脑振弦仪
徐正栋;朱大铮
【期刊名称】《大坝观测与土工测试》
【年(卷),期】1992(016)004
【摘要】一、前言钢弦式传感器具有结构简单、使用方便,在长期荷载作用下测试性能稳定,抗干扰性能强,防水、防锈等优点。
目前已广泛应用于水利、水电、水运及其它工程建设的现场试验中。
但长期以来,缺乏一种理想的与之配套使用的自动化多点巡回检测装置。
为了改变这种现状,根据以往试验中提出的要求,我们研制成了与等幅振荡型钢弦式传感器配套使用的多通道电脑振弦仪(Ⅰ型)。
它是采用微处理器和集成电路的智能仪器。
能实现自动接收、自动测量、自动打印。
既可测量振弦振动的频率值;
【总页数】6页(P3-8)
【作者】徐正栋;朱大铮
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.66
【相关文献】
1.ZigBee技术的多通道振弦式传感器测频仪 [J], 王昌华;王建明;叶英
2.多通道振弦传感器同步测量系统 [J], 吕燚;李文生;邓春健
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尧
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5.基于无线通讯的多通道振弦传感器监测系统 [J], 马洪连;包旭军
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《总线式振弦传感器监测装置的研究与开发》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展，对于设备状态监测和故障诊断的需求日益增强。
总线式振弦传感器监测装置作为一种新型的监测技术，具有高精度、高可靠性、易于维护等优点，被广泛应用于各种工业领域。
本文旨在研究总线式振弦传感器监测装置的原理、技术及其应用，并对其开发过程进行详细介绍。
二、总线式振弦传感器的工作原理及特点总线式振弦传感器是一种利用振弦的振动特性来测量物理量的传感器。
其工作原理基于压电效应或电磁感应原理，通过测量振弦的振动频率或振幅，可以推算出待测物理量（如应力、温度、压力等）的大小。
总线式振弦传感器具有以下特点：1. 高精度：能够精确测量物理量的变化。
2. 高可靠性：具有良好的稳定性和抗干扰能力。
3. 易于维护：结构简单，便于安装和维护。
4. 易于扩展：可通过总线方式连接多个传感器，实现分布式监测。
三、总线式振弦传感器监测装置的研究与开发1. 硬件设计总线式振弦传感器监测装置的硬件设计主要包括传感器、信号处理电路、微处理器及通信接口等部分。
其中，传感器负责采集振弦的振动信息，信号处理电路对采集的信号进行放大、滤波和整形等处理，微处理器负责数据处理和存储，通信接口实现与上位机的数据传输。
在硬件设计过程中，需要充分考虑抗干扰能力、功耗、体积和成本等因素。
为提高系统的抗干扰能力，可采用屏蔽电缆、滤波电路等措施；为降低功耗，可选择低功耗芯片和优化电路设计；为减小体积和降低成本，可采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别进行优化和集成。
2. 软件设计软件设计是总线式振弦传感器监测装置的核心部分，主要包括数据采集、数据处理、数据存储和通信协议等部分。
数据采集需要实时采集传感器的振动信息，并进行初步处理；数据处理需要对采集的数据进行进一步的分析和处理，以提取有用的信息；数据存储需要将处理后的数据存储在本地或远程服务器上，以便后续分析和查询；通信协议需要实现与上位机的数据传输和交互。
基于蓝牙技术的振动测量仪设计
陈文辉;罗文广;杨叙
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2010(027)011
【摘要】采用LM3S610微处理器和振动速度传感器设计一个具有蓝牙无线通信功能的振动测量仪,该振动测量仪适用于由电机拖动的中低速旋转设备的振动测量,具有现场实时显示和报警等功能,并通过蓝牙模块与上位机进行通信.上位机具有数据保存、回放等功能.振动测量仪能适用于复杂的安装环境,具有较好应用前景.【总页数】4页(P120-123)
【作者】陈文辉;罗文广;杨叙
【作者单位】广西工学院,电子信息与控制工程系,广西,柳州,545006;广西工学院,电子信息与控制工程系,广西,柳州,545006;广西工学院,电子信息与控制工程系,广西,柳州,545006
【正文语种】中文
【中图分类】TH825
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2009年 第11期仪表技术与传感器I nstru ment Technique and Sens or 2009 No 111 收稿日期:2009-01-04 收修改稿日期:2009-08-05Zi gBee 技术的多通道振弦式传感器测频仪王昌华1,王建明1,叶 英2(1.北京师范大学,北京100875;2.北京市市政工程研究院,北京 100037) 摘要:针对隧道、地铁等地下工程中传统振弦式传感器测量仪器通道数少、相互之间通信困难、实时性差的缺点,设计了基于Zig Bee (紫蜂)短程无线通信技术的多通道振弦式传感器测频仪(简称测频仪)。
测频仪选用AR M7处理器作为控制单元,在μC /OS 2操作系统上实现多通道分组式测量,并利用Zig Bee 无线通信模块使多台测频仪之间自动组建无线网络并建立动态路由,方便实现多监测点环境下数据的采集和传输,适用于测量点数多、覆盖范围大、传统无线网络不能覆盖而对实时性要求较高的工程。
关键词:振弦式传感器;多通道;频率测量;Zig Bee;无线网络中图分类号:TP212.6 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)11-0020-03M ulti 2channel V i bra ti n g 2w i re 2sen sor M ea sur i n gFrequency I n strum en t Ba sed on Z i gBeeWANG Chang 2hua 1,WANG J ian 2m ing 1,YE Ying2(1.Be iji n g Nor ma l Un i versity,Be iji n g 100875,Ch i n a;2.Be iji n g M un i c i pa l Eng i n eer i n g Research I n stitute,Be iji n g 100037,Ch i n a)Abstract:Traditi onal vibrating 2wire sens or measure instru ments used in tunnels and undergr ound p r ojects usually have diffi 2culty t o communicate with each other,with poor real 2ti m e capability and fe wer channels .To s olve these p r oble m s,a multi 2channel vibrating 2wireless sens or frequency measurement instru ment based on Zig Bee (a short range wireless communicati on technol ogy )was designed .This instru ment chooses the AR M7p r ocess or as the contr ol unit,and accomp lishes the gr ouped multi 2channelmeas 2ure ment based on μC /OS 2operati on syste m.U sing the Zig Bee module,the instru ment can aut omatically construct net w ork con 2necti on and dynam ic r outing bet w een each other,and easily realize the monit oring points data collecti on and trans m issi on contr ol .It can be app lied in p r oject which has many monit oring points s p reading over a wide area that can ’t be covered by traditi onal wire 2less net w ork and requires real 2ti m e contr ol .Key words:vibrating 2wire sens or;multi 2channel;frequency measure ment;Zig Bee;wireless net w ork 0 引言振弦式传感器是一种频率型传感器,其原理是内部钢弦的频率随钢丝所受张力变化而改变,在测量中多采用扫频激振技术进行激励,再通过一系列放大滤波调理电路得到钢弦振动的频率信号,最后根据相应转换公式计算出传感器的形变程度和受力大小。
这种传感器结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强,多用于对应力、应变的测量中,尤其适合运用到水利、隧道、矿山、土木建筑物等结构中[1]。
传统的振弦式传感器测量仪器多采用人工操作的方式,逐点测量,不但效率低、速度慢,并且很难对工程中不同位置的多个检测点同时进行测量和数据汇总,实现对较大工程的整体实时监控。
虽然有一些测量仪器通过使用485总线或GPRS 实现数据传输,但在一些不便于架设有线连接(例如桥梁、大坝)或无GPRS 信号(例如隧道、矿井)的环境中就无法使用。
为克服以上问题,使测量仪器能适应不同场合的运用,将Zig Bee 短程无线通信技术与传统振弦式传感器采集技术相结合,设计了一套以AR M7-μC /OS 2为控制核心的多通道振弦式传感器测频仪。
测频仪能根据预设测量周期、通道号、扫频范围等参数自动生成扫频激励信号,通过多路开关的切换,实现对多路传感器的测量。
测频仪上内嵌的Zig Bee 通信模块,能自动构建mesh 拓扑结构的无线网络,在控制器的多任务调度下方便地实现参数的无线配置和测量数据的传输。
1 基于Z i gBee 网络的远程监控Zig Bee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术,工作在2.4GHz 公用频段,采用调频技术,具有很强的抗干扰特性。
Zig Bee 网络的容量大,能同时最多支持65535个网络节点。
强大的组网能力能自动构建星状网络(star )、簇状网络(cluster )以及网状网络(mesh )[2]。
设计的测频仪采用了Zig Bee 通信模块,并配置成mesh 网络拓扑结构,每个测频仪在网络中就等同于一个网络节点,既可作为网络的终端节点,也能作为网络的路由中继节点。
网络存在Zig Bee 主控节点,并与控制中心的PC 机或则工控机连接,转发发送各种控制采集命令给测频仪,接收各测频仪器送回的测量数据信息,对此进行分析和处理,从而实现基于Zig Bee 无线网络的远程监控。
2 测频仪的整体结构多通道振弦式传感器测频仪的整体结构主要由4部分组成:AR M -μC /OS II 控制模块、多通道测量模块、Zig Bee 通信模块和电源模块,如图1所示。
第11期王昌华等:Zig Bee技术的多通道振弦式传感器测频仪21 图1 测频仪功能结构图AR M-μC/OS II控制模块选择了AR M7处理器作为MCU,在此硬件平台上通过运行μC/OS II嵌入式操作系统从而简洁高效地实现多任务切换。
作为整个仪器的控制核心,AR M-μC/OS II控制模块负责产生原始扫频激励信号、切换模拟通道、计算频率、控制Zig Bee通信模块完成数据传输、解析控制命令等。
多通道测量模块中以模拟电路为主,完成激励信号放大,多通道切换,频率信号多级放大、滤波、隔直等处理,将传感器产生的微弱信号调理成同频、大幅度(5V)的方波信号送给控制模块进行频率计算。
Zig Bee通信模块能自动构建和接入无线局域网络,主要任务是接收来自Zig Bee无线网络主控节点的控制命令,并将传感器测量得到的数据传输回控制中心。
电源模块采用交流电与电池相结合的双电源方式为测频仪供电,保证在现场电源不稳或临时停电情况下仪器仍能正常工作。
这种双电源供电也为某些需要临时测量而其环境不便于架设交流电的测量工作带来很大方便。
3 硬件设计3.1 AR M-μC/O S II控制模块测频仪的控制核心选用AT91系列的AR M7处理利器。
其理由主要有以下几点:(1)32位高性能MC U,强大的处理能力,能够运行μC/OS II操作系统。
嵌入式操作系统下多任务调度使测频仪的多通道测量控制、无线通信、数据处理等功能的实现变得更加容易。
(2)丰富的接口和外设功能。
62个可编程I/O便于多通道激励和选择的逻辑控制,脉冲宽度调制模块(P WM)能方便地实现扫频激励控制信号,自带的看门狗(WDT)功能,使系统程序在意外出错的情况下也能自动恢复正常运行。
(3)低功耗。
处理器处于活动模式(active)下功耗为50mA,而在微功耗(ultral l ow power)模式下,功耗只有26μA[3],这使测频仪在电池供电定时采集模式下的工作时间加长。
3.2 多通道测量模块多通道测量模块作为整个测频仪的核心功能模块,主要包括了激励电路、多通道选择电路、滤波器组电路、放大器组电路和整形电路5部分,结构如图2所示。
激励电路采用分离式设计,每个通道各用一个简单的三极管作为原始激励信号的开关和放大电路,MCU提供的扫频激励信号经16选1的数字开关送到对应通道三极管的基极,被放大成Vj =V cc-V ce(12～16V)的电压并加于传感器上。
正弦式图2 多通道测量模块结构图传感器由于具有电阻和电感特性,在图3中被等效成R1和L1。
在扫频激励时三极管会频繁地导通和截止,为吸收其产生的瞬间脉冲,在电路中添加一个快速导通二极管[4]。
在扫频激振结束关断三极管后,传感器自身产生的微小频率信号实际是叠加在Vj上通过S1进入调理电路的。
为去掉该叠加直流电压Vj和系统中可能出现的低频干扰,测频仪在信号通过16选1的多路模拟开关前图3 激励放大与高通滤波电路为各通道添加了一个截止频率为200Hz的2阶有源高通滤波器。
此滤波器还能对有效信号前的扫频信号进行限幅,保护后级模拟开关。
由于传感器的输出信号幅度通常只有1mV左右甚至更小,对系统噪声比较敏感,普通的模拟开关自身附带的噪声足以将其淹没。
另外普通模拟开关的导通电阻通常较大,也会对前后的滤波电路产生影响。
设计中选用一款低噪声、低导通内阻的16路模拟开关,其内阻只有215Ω.在整个调理电路中设计了三级放大电路,将振弦式传感器输出的小幅度频率信号(通常只有015～5mV)放大成1V以上的大信号便于后续处理。
