掃頻激振原理及電路設(shè)計(jì)詳解

振弦式傳感器是目前應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量中較為先進(jìn)的傳感器之一。振弦式傳感器的輸出是頻率信號(hào)，信號(hào)處理過程中無(wú)須進(jìn)行A/D及D/A轉(zhuǎn)換，因此，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，而且對(duì)傳輸電纜要求低。另外，振弦式傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn), 因而一直受到工程界的關(guān)注。在工程應(yīng)用中，振弦式傳感器可以埋入或焊接在被測(cè)試件上，基本不存在粘貼劑老化和脫落問題，具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。對(duì)于微小的被測(cè)力變化可產(chǎn)生較大的頻率變化，具有很高的靈敏度。

隨著現(xiàn)代電子讀數(shù)儀技術(shù)、材料及生產(chǎn)工藝的發(fā)展，振弦式儀器技術(shù)也不斷得以完善，成為新一代工程儀器的潮流，被廣泛應(yīng)用在建筑物基礎(chǔ)、大壩、橋梁、公路、核電站的水泥外殼等需要對(duì)受力、位移、微裂縫的測(cè)量中，還可以作為電子秤、皮帶秤、汽車秤等的關(guān)鍵傳感器。為了準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變的變化，除了要研究振弦式傳感器的材料特性外，還必須解決振弦傳感器的激振和測(cè)頻讀數(shù)技術(shù)。為此，本文對(duì)振弦式傳感器的激振技術(shù)和測(cè)頻讀數(shù)技術(shù)展開了研究，介紹了基于PIC16F873單片機(jī)內(nèi)比較輸出模式的多路振弦傳感器的掃頻激振技術(shù)。

1 傳統(tǒng)的間歇激振方法

為了測(cè)量出振弦的固有頻率，必須設(shè)法激發(fā)弦振動(dòng)。激發(fā)弦振動(dòng)的方式一般有2種：(1)連續(xù)激振方式。這種方式又分為電流法和電磁法，在電流法中，振弦作為振蕩器的一部分，振弦中通過電流，所以必須考慮振弦與外殼的絕緣問題。若絕緣材料與振弦熱膨脹系數(shù)差別大，則易產(chǎn)生溫差，影響測(cè)量精度，連續(xù)激振容易使振弦疲勞。(2)間歇激振方式。如圖1所示，振弦上裝有一塊小純鐵片，旁邊放置電磁鐵，當(dāng)電磁鐵線圈通入脈動(dòng)電流i后，電磁鐵的磁性大大增強(qiáng)，從而吸住小鐵片(振弦)；當(dāng)線圈中無(wú)電流流過，電磁鐵就釋放振弦。如此循環(huán)激振，弦就產(chǎn)生振動(dòng)。要維持弦持續(xù)振動(dòng)，就應(yīng)不斷地激發(fā)振弦。即電磁鐵每隔一定時(shí)間通過一次脈沖電流，使電磁鐵定時(shí)地吸引振弦，故須在電磁鐵的線圈通以一定周期的脈沖電流。當(dāng)停止激振時(shí)，由于慣性的作用，振弦繼續(xù)做阻尼振動(dòng)，電磁鐵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與弦的阻尼振動(dòng)頻率相等。這樣可由輸出電勢(shì)的頻率測(cè)得振弦的固有振動(dòng)頻率。

這種間歇式激振電路復(fù)雜，通常由張馳振蕩器、電磁繼電器、電源等部分組成。電磁繼電器的體積大、功耗大、機(jī)械觸點(diǎn)工作可靠性欠佳，振蕩器的振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍不大，并且調(diào)節(jié)不能在線自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而使振弦起振有時(shí)較困難[2]。當(dāng)要同時(shí)監(jiān)測(cè)多路振弦傳感器時(shí)，電路變得更加復(fù)雜。更為嚴(yán)重的是繼電器驅(qū)動(dòng)的激振線圈是感性負(fù)載，在間歇激振時(shí)產(chǎn)生較大的電磁干擾，影響了監(jiān)測(cè)精度，對(duì)其他電路的正常工作造成干擾。為解決這些問題，對(duì)于多路振弦傳感器的掃頻激振采用時(shí)分復(fù)用方法。即多路傳感器共用一個(gè)掃頻信號(hào)源，當(dāng)要巡檢某路傳感器時(shí)，由選擇開關(guān)將掃頻信號(hào)源與此路傳感器接通；用MOS FET繼電器替代電磁繼電器。這樣，不但簡(jiǎn)化了電路，而且很好地解決了電磁干擾問題。