鹿 玲，戴學松，姜志學

(遼寧科技大學軟件學院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

單線圈振弦傳感器在建筑工程壓力監(jiān)測中的應用十分廣泛。單線圈振弦傳感器的激振與測頻是通過同一個線圈來完成的［1］。對單線圈振弦傳感器進行有效的掃頻激振，是準確測頻的前提。目前，激振與測頻方法有很多，但都存在各自的優(yōu)缺點。人們正不斷探索更新、更高效的激振方法，以提升測頻精度。

本文研究了一種新的單線圈振弦傳感器掃頻激振與測頻方法。該方法采用了基康公司的4500SR-350KPa型號單線圈振弦傳感器，通過將粗略掃頻與精確掃頻相結合，實現(xiàn)了全量程范圍內的掃頻，提高了測頻的精度。實踐證明，該方法激振高效且測頻準確。

1 系統(tǒng)的總體構成

系統(tǒng)由掃頻激振、測頻或拾頻、單片機軟硬件、串口數(shù)據(jù)傳輸以及負責接收和顯示的上位計算機構成。因為激振和測頻的模擬單元需要的是+5 V和－5 V這2種直流電源，所以掃頻激振單元和拾頻單元都要通過光電隔離后才能與計算機相連接。系統(tǒng)構成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構成框圖Fig．1 System composition

2 振弦傳感器激振與拾頻的硬件電路

單片機采用 STR12C5A16S2。單片機的晶振為11．059 2 MHz，這會提高單片機系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)通過串口通信的波特率。單線圈振弦傳感器激振與測頻部分采用+5 V和－5 V這2種電源供電，雙電壓激振。由單片機的 P2．4和 P2．5分別控制三極管 Q1和 Q2的接通與斷開，并通過改變+5 V和－5 V的接通時間來調整單線圈振弦傳感器的激振頻率。激振信號在一定頻率范圍內的連續(xù)變化過程就是掃頻。拾頻是指在有效激振的前提下測量出單線圈振弦傳感器的自激振蕩頻率，又稱為測頻。實際的激振與拾頻單元硬件電路［2］如圖2 所示。

圖2 硬件電路圖Fig．2 Hardware circuit

2個三極管不能同時導通，否則將導致+5 V與－5 V短路，造成Q1、Q2及電源的燒毀。激振的電壓范圍為－5～+5 V。線圈中的電流不能突變，即流過單線時不拾頻。拾頻部分由兩級運算放大器和一級比較器組成，通過改變 R1、R3、R2、R4的大小來調整前兩級的放大倍數(shù);最后一級是比較器用于輸出振弦本身諧振頻率的方波信號。

3 振弦傳感器激振方法

單線圈振弦傳感器激振方法有多種。按激振的工作電壓來分類，有:高電壓激振法，激振電壓在100 V左右;低電壓激振法，電壓值為12 V左右，或采用雙電壓(即+5 V和－5 V這2種電壓)來激振，壓差也與12 V相近［3］。激振方式有連續(xù)激振和間歇激振。

激振驅動脈沖波形與振弦起振后感應電動勢波形如圖3 所示［4］。

圖3 激振波形圖Fig．3 Excitation waveforms

3．1 常規(guī)掃頻

常規(guī)掃頻激振的方法是在傳感器線圈中加入一定頻率范圍的掃頻驅動脈沖，頻率變化由低到高尋找振弦的固有振蕩頻率。這種掃頻是按順序將全部或分段激振頻率脈沖輸出到激振線圈中［5］。振弦傳感器的頻率量程較大。以基康公司的4500SR-350KPa單線圈振弦傳感器為例，它的測量范圍是fMin=1 200 Hz、fMax=3 500 Hz，在正常大氣壓下的弦振頻率是2 860 Hz左右。全程掃頻激振后，可測量的拾頻時間t2有可能很短。若是從低頻向高頻掃頻，當振弦的共振頻率接近fMin時，拾頻的時間就更短了。振弦起振后的振蕩是有阻尼的［6］，從起振到測不出振蕩信號的時間不到1 s，可見全程掃頻的方法幾乎行不通，故較多采用分段激振法。

此外，并不是只需要幾個與振弦固有振蕩頻率相等的激振驅動脈沖就能引起振弦的可靠共振。試驗表明，在+5 V和－5 V交替的共振頻率脈沖驅動下，需要至少30個周期的相同頻率激振脈沖才能使振弦自激振蕩電壓符合測量要求。振弦自激振蕩的幅值越大，越有利于拾頻。

在激振過程中，無法判斷振弦是否起振、振動的幅度是否達到測量要求，必須停止激振并通過測量振弦的自激振蕩頻率來分析確定。

圖3中，t0時間段內是各種不同頻率的激振驅動脈沖，而振弦的起振點可能在t0時間段內的任意時間點上。t1約為10 ms，是為了讓振弦真正平穩(wěn)自激振蕩后再開始測量。試驗發(fā)現(xiàn)，其實t1可以更短或者為零。t2是有效的可測量時間段。振弦自激振蕩頻率是指振弦在當前所處壓力下的固有振蕩頻率。其隨著外界壓力的變化而變化，與激振的頻率無關。

掃頻激振方法有很多，包括分區(qū)間掃頻激振法(即分段掃頻激振法)、二次掃頻激振法等。使用單線圈振弦傳感器測量壓力的場合，對檢測速度的要求一般都不高。

3．2 新的掃頻與測頻方法

鋼弦的振動是一種幅值衰減很快的有阻尼振動，有效測量時間只有700 ms左右，且可供測量的交變電壓信號不超過1 mV。如果鋼弦的振動幅度不夠，就只能減少測量的時間。但這樣會降低測量的精度。

新的掃頻方法不同于分區(qū)間掃頻法。分區(qū)間掃頻法采用同樣的掃頻模式、同樣精度的測頻方法在不同的掃頻區(qū)間段內進行的重復性的掃頻與測頻，可減少掃頻時間對測頻時間的影響。新的掃頻方法是長短計數(shù)時間結合測頻法。在同一個完整的掃頻巡回中，該方法包含粗略測頻與精細測頻兩個步驟。在未找出振弦自激振蕩頻率前，采用縮短計數(shù)時間來粗略計算振弦自激振蕩頻率，以達到快速掃頻的效果。

在預判將要出現(xiàn)振弦自激振蕩頻率時，采用增加計數(shù)時間精確計算振弦自激振蕩頻率的方法。這是一種長短測頻時間相接合的測頻方法。粗略測頻時掃頻進度快是因為檢測的時間短，精細測頻時掃頻進度慢是因為檢測的時間長。在同一個掃頻巡回過程中，精確找出弦振固有頻率的方法是在掃頻的過程中先進行快速粗略拾頻。當振弦的振蕩頻率的值在1 200～3 500 Hz時，再進行精細拾頻。

試驗證明，當系統(tǒng)的晶振為11．059 2 MHz時，掃頻激振周期每次增加2個機器周期時間;當粗略檢測到振弦自激振蕩頻率值在1 200 Hz與3 500 Hz之間時，有效激振頻率會很快出現(xiàn)。繼續(xù)加長掃頻激振周期的再掃頻次數(shù)，如不超過12次，就一定能夠找到振弦的自激振蕩頻率。

掃頻的激振頻率變化可以由低到高，也可由高到低。實際測試中，采用由高頻到低頻的掃頻方式。單片機系統(tǒng)中，以定時計數(shù)器T0作為定時器、定時計數(shù)器T1作為測頻的計數(shù)器。采用軟件實現(xiàn)掃頻與測頻，其流程如圖4所示。

圖4 掃頻與測頻流程圖Fig．4 Flowchart of swept-frequency and frequency measurement

在實際測試中，通過對獲得的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)當掃頻激振脈沖的半周期延時時間變量值為n時，可以使振弦有效起振，則當掃頻激振脈沖的半周期延時變量值為3n、6n和9n時，都可以使振弦有效起振。掃頻激振脈沖的半周期延時時間就是電路中Q1和Q2兩個開關管交替打開后的延時時間。采用一個for循環(huán)來實現(xiàn)這樣的短暫延時。循環(huán)體中是空操作函數(shù)nop_()，用來延時的循環(huán)次數(shù)用M表示。在一定的液體壓下，進入精確掃頻階段后，測得的一組測頻數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實測測頻數(shù)據(jù)Tab．1 Measured frequency data

BGKeokon 4500SRj-350kPa傳感器的工作區(qū)間為1 200～3 500 Hz。在粗略計算的情況下，當M為0x4F時，T0中斷兩次時間內，T1的計數(shù)值大于170，粗略計算振弦的自激振蕩頻率大于1 200 Hz，即起振。然后，軟件系統(tǒng)進入精確測頻階段。但從進入精確測頻階段以后的測頻結果分析，通過6次M值自增就能找到振弦自激振蕩頻率。當前，振弦的固有頻率為2 770 Hz。在同樣的激振參數(shù)下，T0中斷10次時，T1的計數(shù)值卻不是T0中斷兩次時T1計數(shù)值的5倍。由此說明，剛進入精確測頻階段的激振參數(shù)并非最佳的，沒有引起有效的自激振蕩。程序進入的精確測頻部分循環(huán)了12次，已完全滿足要求。

4 提高測頻精度方法

頻率測量方法有兩種。一種為測頻法，即在某一選定的時間間隔內對被測信號脈沖進行計數(shù)，然后將計數(shù)值除以時間間隔得到被測信號的頻率。測頻法在低頻時測量誤差稍大些。另一種為測周期法，即通過測量被測信號的周期再求其倒數(shù)，得到被測信號的頻率。測周期法在高頻時的測量誤差較大。測頻法又分為直接測頻法、組合測頻法、倍頻法、等精度測頻法等［7-8］。等精度測頻法的關鍵在于將信號脈沖來臨的時刻與計數(shù)器開始計數(shù)的時刻同步，消除對信號脈沖計數(shù)的±1量化誤差。采用測頻法，通過對多次測量值取平均來消除系統(tǒng)的隨機誤差，提高信噪比，從而提升測量精度。

影響測頻精度的因素有多個。保證振弦在固有振蕩頻率上有效自激振蕩是提高測量精度的先決條件。此外，還要達到一定的振動幅度。理論上，振弦振動的幅度越大，對提高測量精度越有利。振弦振動的幅度受多種因素限制，包括激振的次數(shù)、激振的電壓、激振脈沖的頻率等。增加測量的時間可以提高測量精度，但前提是在該時間段內硬件電路能夠正確檢測出微弱的振弦振蕩感應信號。在掃頻環(huán)節(jié)，當振弦出現(xiàn)自激滿時，增加激振次數(shù)，激振后立即拾頻，增加測量時間，找出接下來的12次測量中頻率最高的結果。其即為振弦的固有振動頻率。這是提高拾頻精度的方法。然后，停止掃頻，延時幾秒后再從頭開始進入下一輪掃頻過程。此外，單片機掃頻與拾頻系統(tǒng)的軟件設計的計時部分選用主程序中查詢的方法。之所以沒有選用中斷的方式來計時，是因為當開發(fā)軟件采用C51高級語言時，用中斷很難達到要求的計時精確度，而且中斷內數(shù)據(jù)處理工作越多，測量結果越不準確。這也是提升測頻精度時要注意的一個方面。

用其他測頻儀器在恒定壓力下實際測得的振弦自激振蕩頻率值分別是 2 701 Hz、2 777 Hz、2 717 Hz、2 705 Hz、2 690 Hz、2 700 Hz、2 777 Hz 和 2 732 Hz，實測值不太穩(wěn)定。而采用新的激振與測頻方法，經(jīng)過多次測量，測得的一組振弦自激振蕩頻率值為2 700 Hz、2 704 Hz、2 766 Hz、2 700 Hz和2 769 Hz，偏差很小，大都在2 700 Hz左右。由此可見，采用長短計數(shù)時間結合測頻法測量的振弦自激振蕩頻率更加可靠，也更加精確。

5 結束語

系統(tǒng)采用的粗精接合測頻法，是一種全新的掃頻激振與測頻方法。粗略掃頻時，該方法測頻精度低但掃頻速度快。此時，測頻值只用于預測振弦的固有頻率。通過計算，當激振頻率與振弦的固有頻率接近時，進入精確掃頻階段。在精確掃頻階段，增加測頻時間以提升測頻精度。此外，還采用了對多次有效測頻數(shù)據(jù)取平均值等方法消除系統(tǒng)誤差。經(jīng)現(xiàn)場應用，證明粗精接合測頻法是一種高效的單線圈振弦傳感器數(shù)據(jù)采集方法，提升了測頻精度。