一种基于振弦式传感器测频方法的实现

２００７年第２６卷第８期　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）８　１　种基于振弦式传感器测频方法的实现　白泽生　（延安大学物理与电子信息学院。陕西延安７１６０００）　

摘要：设计了一种基于振弦式传感器的测频方法，介绍了振弦式传感器的工作原理，详细介绍了测频方　法的设计思想、硬件电路组成和工作原理及软件设计流程。实验表明：利用本方法测量频率的分辨力为　０．０１Ｈｚ，与ＸＰＯ２型频率测定仪测量的差值均在２Ｈｚ以内。具有设计思路清楚、硬件电路简单、激振可靠、　激振频率可控、信号灵敏度高、操作简单、数值显示、价格低廉、连续快速检测等特点，具有较好的应用前　景。　关键词：振弦式传感器；测频；电路；设计　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００－－９７８７（２００７）０８－－００８１－－０３　

Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＢＡＩ　Ｚｅ—ｓｈｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎａｎ　７１６０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａｌ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｗｏｒｋ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　０．０１　Ｈｚ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｔ　ａｎｄ　ＸＰＯ２　ｔｙｐｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　２　Ｈｚ．Ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｏｕｇｈｔｓ　ｃｌｅａｒ，ｓｉｍｐｌｙ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｒｅｄｉｂｌｅ　ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｅａｓｙ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ，ｎｕｍｅｒｉｃ　ｄｉｓｐｌａｙ，ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ，ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｄｅｔｅｃｔ，ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃｉｒｃｕｉｔ；ｄｅｓｉｇｎ　

０引　言　振弦式传感器是基于其振弦振动频率随钢丝张力变化　而工作的，具有结果简单、坚固耐用、稳定性好、抗干扰能力　强、精度和分辨力高、对电缆要求低等特点，输出的是频率　信号，有利于远距离传输和测量，可方便地与计算机接口。　在许多领域得到了广泛应用，为此，利用振弦式传感器，设　计了一测频系统，获得理想的测量效果。　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下式确定　

ｆ一　｜　一　｜　一　｜　一　｜　Ｊ　２ｌ　Ｐ　２ｌ　Ｐ　２ｌ　Ｐ　２ｌ　ｐ　ｌ　

式中Ｓ为振弦的横截面积；ｐ为弦的线密度；　为弦的体　

收稿日期：２００７－－０３－－０５　基金项目：陕西省教育厅专项科研计划资助项目（０４ＪＫ３１１）　

密度（　＝ｐ／Ｓ）；ＡＩ为振弦受张力后的长度增量；Ｅ为振弦　的弹性模量；　为振弦所受的应力。　

振弦　

图１振弦式传感器模型　Ｆｉｇ　１　Ｍｄｅｌ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｗｉｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　当振弦式传感器确定以后，其振弦工作段（即两固定　点之间）的长度ｌ，弦的横截面积Ｓ，体密度Ｐ　及弹性模量Ｅ　随之确定。由于待测物理量的作用使得弦长变化时，弦的　固有振动频率随之变化，由于弦长的增量△ｆ与振弦的振动　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　

维普资讯 http://www.cqvip.com 传感器与微系统　第２６卷　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。　２．２　系统硬件电路设计　根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统主要由　振弦式传感器、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，其原理框图如图２所示。　图２测频原理框图　Ｆｉｇ　２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ　工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放　大后，激励振弦式传感器振弦振动，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振弦式传感器　传感器采用单线圈振弦式传感器　，其感应输入电压　与激发输出电流完全分开，消除了电磁干扰振荡，在弱激发　条件下弦也能可靠起振。　２．２．２激振电路　激振电路采用扫频激振技术　Ｊ，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。　由于激励信号的频率是容易用软件方便控制的，所以，只要　知道振弦固有频率的大致范围（一般来说，对一种已知的　传感器其固有频率的大致范围是确定的），就用这个频率　附近的激励信号去激发它，就能使振弦很快起振。　微机系统Ｉ／Ｏ口按照一定的频率（这个频率可以是传　感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值）产生　激振信号（考虑一定的余度），通过功率放大电路放大后，　激振电流流过激振线圈，激振电流产生的交变磁场激励振　弦振动。　选用２个９０１３三极管作为驱动管。电磁线圈电阻很　小，流过线圈的电流能达到２００－４００　ｍＡ。而９０１３三极管　的饱和导通电流为５００　ｍＡ，通过实验发现：如果只采用　１只三极管驱动线圈，三极管发热，为解决这个问题，再并　接１只三极管，减小三极管的工作电流，减小发热量。二极　管要求选用快速导通二极管，其作用是吸收三极管导通和　截止瞬间所产生的尖峰脉冲。此尖峰脉冲若不消除，会对　感应电路产生严重的干扰。　微机系统产生一个频率可变的信号，如用ＭＳＣ－－５１单　片机实现扫频程序，充分利用微机系统的内部资源定时／计　数器的功能，由Ｉ／Ｏ口输出频率可变的信号。定时计数器　工作在定时方式，定时的时间由扫频的某一频率决定，在定　时器中断程序中改变Ｉ／Ｏ口的状态，从而Ｉ／Ｏ口得到一脉　冲信号。设扫频的频率上限为　，频率下限为　由Ｉ／Ｏ　口输出的　和　ｉ　之间的某一频率的脉冲个数均为ｎ，且　扫频的两相邻频率增量为△厂，由这４个参数决定的扫频程　序框图如图３所示　。　

图３扫频程序框图　Ｆｉｇ　３　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｒｏｇｒａｍ　２．２．３检测电路　

拾振线圈中感应电势的频率检测由两部分电路组成，　是滤波电路，采用两级低通滤波方法；二是过零比较电　路，采用过零比较法，比较器的输出端得到频率信号。　２个ＬＭ３２４组成两级有源低通滤波电路，Ｃ　，Ｒ３以及　Ｃ。，Ｒ　分别构成第一，二级有源滤波电路的阻容网络；　ＬＭ３９３作为比较器，形成过零比较电路。由于感应电势是　个周期信号，信号的频率也就是振弦的固有频率。ＬＭ３９３　的输出　为周期性的方波，方波的频率即为待测频率。　由于信号和“零电位”比较，因而能得到较高的灵敏　度，振弦只要受激励产生振动，它在感应线圈中的微弱电动　势的频率就很容易拾取，同时，可使比较器输入一输出特性　在转换时更加陡直，提高比较精度　。　２．２．４测频电路　将检测电路的输出　。送单片机ＡＴ８９ＣＳ５１的ＩＮＴＯ，利　用片内定时／计数器的工作方式控制寄存器ＴＭＯＤ的　ＧＡＴＥ位的特殊功能，一般情况下，ＧＡＴＥ＝０。ＧＡＴＥ的运　行控制位仅由ＴＲ　（　＝０．１）位的状态决定（ＴＲ　＝０关闭，　ＴＲ　＝１开启），只有在启动计数要用外输人ＩＮＴ　控制时才　使ＧＡＴＥ＝１，当ＧＡＴＥ＝１，ＴＲ　＝１，只有当ＩＮＴ　引脚输入　高电平时，计数器Ｔ　才被允许计数，利用ＧＡＴＥ的这一功　能可方便地测量脉冲宽度。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　白泽生：一种基于振弦式传感器测频方法的实现　８３　２．３系统软件设计　按照以上电路的设计，对系统软件编程的基本思路是：　首先，对系统进行初始化，然后，由激振电路激励传感器工　作，检测电路对信号进行检测、放大、整形等处理后，送显示　单元显示。主程序流程图如图４所示。　图４主程序流程图　Ｆｉｇ　４　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｐｒｏｇｒａｍ　３实验　在实验室内（温度为２０℃，相对湿度为８２％ＲＨ，具有　抗振性能）用ＸＰ０２型振弦式频率测定仪和高精度示波器　对其进行了标定和再调试。用本测频电路和ＸＰ０２型频率　测定仪在同种条件下在实验室内对模拟桥梁进行了测量，　每给定振弦一确定的应力，测量３次输出频率值（每间隔　１ｍｉｎ测量一次），取其平均值，共测量６组数据，并进行比　较，如表１所示。　４结束语　测量结果表明：本测试电路测频的分辨力为０．０１　Ｈｚ，　与ＸＰ０２型频率测定仪测量（平均值）的差值均在２　Ｈｚ以　内，差值率很小，说明本测试电路的分辨力和测量准确度是　还具有全颗分功能。在泥沙模型试验中一般做一次全颗分　需要９０ｍｉｎ，即５４００　Ｓ，在这段时间内需要采样１６次，分别　是在第０，５，１５，３０，６０，１２０，１８０，３００，６００，９００，１　２００，１　８００，　２　７００，３　６００，４５００，５４００　Ｓ的１６个时刻采样。颗分传感器也　采用了光电转换原理，光电转换后的输出信号与测沙仪传　感器相同，所以，按下功能“颗分”键，即进入颗分功能，可　以实时采集、显示全颗分时段内的采样值。　测量结束后，智能测沙颗分仪具有数据回调显示功能，　可以交替选择，并回调显示最新的１００组含沙量测试数据　和１６组９０　ｍｉｎ内的全颗分测试数据。新型光电式智能测　沙颗分仪含沙量测量精度优于６％。　３结束语　新型光电式智能测沙颗分仪功能完善、稳定性能好、测　试精度高、使用简单方便，较好地解决了泥沙模型试验中含　沙量测量和泥沙颗粒级配测量与分析这一难题，因此，得到　了广泛应用。但该光电仪器含沙量测量仅适用于低含沙水　体（Ｃ≤１２　ｋｇ／ｍ。），并需定期冲洗积聚在传感器探头上的泥　比较高的。本测频方法具有设计思路清楚，硬件电路简单、　激振可靠、激振频率可控、信号灵敏度高，编程简洁巧妙的　特点，缩短了现场测量与计算时间，实践证明：本测频电路　操作简单、数值显示、价格低廉、连续快速检测，如将其投入　市场，会有较好的应用前景。　表１测量数据对ＥＥ　Ｔａｂ　１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄａｔａ