專利名稱：一種振弦式儀器的激振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新 型涉及巖土工程的健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于巖土工程的安全監(jiān)測儀器中的振弦式儀器的激振裝置。
背景技術(shù)：
在對巖土工程的安全監(jiān)測中，通常采用振弦式(或稱鋼弦式)儀器等安全監(jiān)測儀器監(jiān)測巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等物理量，用以分析判斷巖土工程的安全。振弦式儀器(或稱振弦式傳感器)由一根兩端固定、均質(zhì)的鋼弦組成。鋼弦長度為L，在感知外界作用力F(可以是巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等)的時候，鋼弦會產(chǎn)生AL的拉伸變形，在彈性范圍內(nèi)，同時考慮溫度T的影響，
F =足Χ(# + αΧΔΓ)，其中ΔΤ = T-Ttl, α為線膨脹系數(shù)，Τ。、α、K均為已知定常數(shù)。鋼弦
的機(jī)械振動固有頻率f可以按如下公式獲得f =++ ，其中
V PvlLLL
E是鋼弦的彈性模量，P ,是鋼弦的密度，λ是鋼弦材料的泊松系數(shù)，這些均為定常數(shù)。將上述兩個公式進(jìn)行整理，消除這一共同變量，得出F是f和T的確定函數(shù)，通過測量f和
T就能實現(xiàn)F的測量?？梢?，鋼弦的振動固有頻率參量f是最為關(guān)鍵的測量因子。目前測量鋼弦的頻率參量f通常采用激振拾振的方法，將鋼弦設(shè)置在頻率測量線圈和永磁體構(gòu)成的磁場中，通過激振方法使鋼弦振起來，共振的鋼弦在磁場中作切割磁力線運(yùn)動，并通過拾振方法拾取頻率測量線圈中由于鋼弦的機(jī)械振動而產(chǎn)生的微弱電動勢的頻率，進(jìn)而得到鋼弦的固有頻率。其中，采用何種激振方法使鋼弦振起來是測量鋼弦的頻率參量f所要解決的重要問題。傳統(tǒng)的激振鋼弦的裝置，由圖1所示，微機(jī)系統(tǒng)中的單片機(jī)I/O 口按照一定的頻率(這個頻率可以是傳感器的固有頻率初始值，也可以是上一次的測量值)產(chǎn)生脈沖方波的激振信號，該脈沖方波的激振信號波形如圖2所示，該激振信號通過光電隔離電路和基本功放電路放大后，激振電流流過頻率測量線圈，激振電流產(chǎn)生的交變磁場激勵鋼弦1振動。激振線圈通過的脈動電流頻率通過微機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。由圖2可知，傳統(tǒng)的激振裝置產(chǎn)生的激振波形由數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生，是幅度一定、頻率可調(diào)的方波，這種方波的激振有如下不足(1) 由于方波諧波成分比較復(fù)雜，導(dǎo)致激振時引入諧波，如產(chǎn)生影響比較大的三倍頻，對鋼弦的激振不利，造成鋼弦1不能可靠起振，迅速達(dá)到諧振狀態(tài)；(2)對于一種儀器，產(chǎn)生脈沖方波的幅度是一定的，導(dǎo)致該裝置對某些激振比較困難的儀器或比較容易起振的儀器存在不能使之可靠起振或過度激振的問題
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型針對現(xiàn)有的振弦式儀器的激振裝置產(chǎn)生脈沖方波會引入諧波造成鋼弦不能可靠起振的問題，提出了一種新型的振弦式儀器的激振裝置，該裝置能夠獲得頻譜單一的正弦波激勵信號，提高了激勵信號的精確控制能力。本實用新型的技術(shù)方案如下一種振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，包括依次連接的微處理器、邏輯控制器件、波形存儲器、并行DA轉(zhuǎn)換器和濾波電路，所述微處理器將波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制器件寫入波形存儲器，所述波形存儲器輸出頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)；所述正弦波形數(shù)據(jù)輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器并轉(zhuǎn)換為正弦波形信號輸出，所述正弦波形信號輸入至濾波電路平滑成光滑的正弦波形信號，所述濾波電路的輸出連接至振弦式儀器的頻率測量線圈兩端，從而將所述光滑的正弦波波形施加在頻率測量線圈兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力， 驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振。所述邏輯控制器件包括邏輯控制模塊、相位累加器和頻率控制字寄存器，所述邏輯控制模塊分別與微控制器和波形存儲器相連，所述頻率控制字寄存器與微處理器相連， 所述相位累加器與波形存儲器相連，微處理器將正弦波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制模塊寫入波形存儲器，在參考時鐘的作用下，對輸入的頻率控制字寄存器中的頻率控制字進(jìn)行累加，并且將相位累加器的輸出作為讀取波形存儲器的地址，通過更新頻率控制字，控制波形的頻率， 得到頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)。所述邏輯控制器件為FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微處理器將正弦波形數(shù)據(jù)通過FPGA/CPLD寫入波形存儲器，在參考時鐘的作用下，通過相位加法器對輸入的頻率控制字進(jìn)行累加，并且將相位寄存器的輸出作為讀取波形存儲器的地址；和/或所述濾波電路為低通橢圓濾波器。還包括幅度控制電路，所述幅度控制電路的輸入端與微處理器相連，輸出端與并行DA轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器以及由運(yùn)算放大器組成的跟隨器，通過微處理器更新幅度控制字以改變串行DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，所述串行DA轉(zhuǎn)換器輸出至跟隨器產(chǎn)生幅度控制信號，再將其輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓端來控制步驟A中的并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓，以實現(xiàn)輸出波形數(shù)據(jù)的幅度調(diào)節(jié)。還包括功率放大電路，所述功率放大電路的輸入端與濾波電路的輸出端相連，所述功率放大電路將濾波電路輸出的正弦波形信號進(jìn)行功率放大以具有驅(qū)動能力，所述功率放大電路的輸出端與頻率測量線圈兩端相連從而將功率放大后的正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端。本實用新型的技術(shù)效果如下本實用新型提供的振弦式儀器的激振裝置，包括依次連接的微處理器、邏輯控制器件、波形存儲器、并行DA轉(zhuǎn)換器和濾波電路，微處理器將波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制器件寫入波形存儲器，波形存儲器輸出頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)；將讀出的該波形數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)的并行DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號即正弦波形信號；濾波電路把DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化的階梯狀模擬電壓信號即正弦波形信號平滑成光滑的正弦波形信號；濾波電路的輸出連接至振弦式儀器的頻率測量線圈兩端，從而將所述光滑的正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端， 在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力，驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振。本實用新型的該裝置把數(shù)字合成技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)生激振波形，較傳統(tǒng)的基于微處理器I/O 口產(chǎn)生的幅度不可調(diào)的脈沖激勵波形，能夠獲得頻譜更單一、幅度可以通過幅度控制電路在線調(diào)節(jié)的正弦波激勵信號，提高了激振信號的精確控制能力，解決了傳統(tǒng)激振裝置產(chǎn)生的脈沖方波的頻譜中含有諧波，導(dǎo)致鋼弦不能可靠起振和含有雜波的問題，本實用新型的鋼弦激振裝置產(chǎn)生的正弦波頻率可在線調(diào)節(jié)，正弦波頻譜單一，無諧波干擾，將其施加在振弦式儀器中的頻率測量線圈兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力，驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振，使得鋼弦能夠可靠起振 ，并提高了激勵信號的精確控制能力。邏輯控制器件包括邏輯控制模塊、相位累加器和頻率控制字寄存器，邏輯控制器件為FPGA或CPLD，即邏輯控制模塊、相位累加器和頻率控制字寄存器由FPGA/CPLD實現(xiàn)，采用FPGA/CPLD實現(xiàn)的相位累加器對輸入的頻率控制字進(jìn)行累加。頻率控制字由微處理器寫入到FPGA/CPLD中，可以通過更新頻率控制字，控制波形的頻率，得到頻率可調(diào)的正弦波。 基于FPGA/CPLD實現(xiàn)的數(shù)字合成原理得到正弦波，解決了傳統(tǒng)激振裝置采用數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖方波所帶來的局限性。設(shè)置與微處理器相連的幅度控制電路，通過幅度控制電路實現(xiàn)光滑的正弦波波形的幅度調(diào)節(jié)，對某些激振比較困難或比較容易的儀器，在微處理器的控制下，可以自適應(yīng)地提高或降低激振正弦波波形的幅度，解決了傳統(tǒng)激振裝置采用幅度一定方波所產(chǎn)生的各種局限性，避免了不能激振或過度激振的問題，提高了振弦式儀器激振的可靠性和穩(wěn)定性。功率放大電路將幅度調(diào)節(jié)后的正弦波形信號進(jìn)行功率放大，使之具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動能力，能夠更好地驅(qū)動正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端，提高了起振性能。

圖1為傳統(tǒng)的激振鋼弦的實現(xiàn)裝置示意圖。圖2為傳統(tǒng)的掃頻激振信號波形圖。圖3為本實用新型振弦式儀器的激振裝置優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型振弦式儀器的激振裝置的優(yōu)選工作流程圖。圖5為FPGA/CPLD實現(xiàn)的數(shù)字合成的工作流程圖。圖6為本實用新型激振裝置生成的掃頻激振正弦波信號波形圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行說明。本實用新型涉及一種新型的振弦式儀器的激振裝置，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示，包括依次連接的微處理器、FPGA或CPLD、波形存儲器RAM、并行DA轉(zhuǎn)換器、低通橢圓濾波器和功率放大電路，還包括幅度控制電路，幅度控制電路的輸入端與微處理器相連，輸出端與并行DA轉(zhuǎn)換器的輸入端相連。該FPGA/CPLD包括邏輯控制模塊、相位累加器和頻率控制字寄存器，邏輯控制模塊分別與微控制器和波形存儲器相連，頻率控制字寄存器與微處理器相連，相位累加器分別與頻率控制字寄存器和波形存儲器相連， CPLD (ComplexProgrammable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)以及 FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)均為可編程邏輯器件，當(dāng)然也可以選擇包括相位累加器和頻率控制字寄存器的其它邏輯控制器件，本實施例中的相位累加器和頻率控制字寄存器由FPGA/CPLD實現(xiàn)。微處理器(單片機(jī))將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)通過FPGA/CPLD中的邏輯控制模塊寫入波形存儲器RAM，在參考時鐘的作用下，相位累加器對輸入的頻率控制字K進(jìn)行累加，并且將相位累加器的輸出作為讀取波形存儲器的地址，讀取波形存儲器的波形數(shù)據(jù)；通過微處理器更新頻率控制字，控制波形的頻率，得到頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)；該正弦波的波形數(shù)據(jù)輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器并轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號即正弦波形信號輸出；幅度控制電路進(jìn)行波形幅度調(diào)節(jié)，具體為幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器以及由運(yùn)算放大器組成的跟隨器，波形幅度的控制可以由微處理器數(shù)字控制，按照需要通過微處理器更新幅度控制字寫入幅度控制電路中的串行DA轉(zhuǎn)換器，從而改變串行DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，將串行DA轉(zhuǎn)換器輸出至跟隨器產(chǎn)生幅度控制信號，再將其輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓端(即DA轉(zhuǎn)換器輸入引腳的基準(zhǔn)參考電壓端)來控制并行DA轉(zhuǎn)換器參考電壓，按照需要產(chǎn)生相應(yīng)幅度的激勵波形；模擬電壓信號輸入至低通橢圓濾波器，低通橢圓濾波器濾掉高次諧波，將并行DA轉(zhuǎn)換器輸出的階梯狀的模擬電壓信號平滑成光滑的正弦波形信號； 濾波電路的輸出端連接至功率放大電路的輸入端，功率放大電路對濾波后的正弦波形信號進(jìn)行功率放大，以提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動能力；功率放大電路的輸出端與振弦式儀器中的頻率測量線圈兩端相連，從而將功率放大后的正弦波形信號施加在頻率測量線圈2的A、B兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力，驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振。該激振裝置能夠獲得頻譜更單一、幅度可以在線調(diào)節(jié)的正弦波激勵信號，激勵信號產(chǎn)生后進(jìn)行后續(xù)的放大整形以及完成頻率的測量。圖4為本實用新型振弦式儀器的激振裝置的優(yōu)選工作流程圖，包括下述步驟A、微處理器將要產(chǎn)生的正弦波的波形數(shù)據(jù)通過FPGA/CPLD寫入波形存儲器RAM 中，波形存儲器RAM用于存儲波形數(shù)據(jù)；微處理器將頻率控制字K寫入FPGA/CPLD內(nèi)的頻率控制字寄存器中，通過更新頻率控制字K，控制波形的頻率，得到頻率可調(diào)的正弦波；啟動N 位的相位累加器，相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，相位累加器的工作流程如圖5 所示在參考時鐘fx的控制下，相位加法器對輸入的頻率控制字K進(jìn)行累加，并且將相位寄存器的輸出作為讀取波形存儲器RAM的地址，波形存儲器輸出正弦波的波形數(shù)據(jù)；其中A為相位累加器實際尋址波形存儲器RAM的位數(shù)，D為波形存儲器RAM中數(shù)據(jù)的位數(shù)，故N位的相位累加器舍棄的位數(shù)為N-A ；在參考時鐘fx的控制下，通過并行DA轉(zhuǎn)換器將波形存儲器 RAM輸出的正弦波的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號即正弦波形信號；A’、在執(zhí)行步驟A的同時執(zhí)行該步驟通過幅度控制電路實現(xiàn)正弦波形數(shù)據(jù)的幅度調(diào)節(jié)，通過微處理器更新幅度控制字改變串行DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，將串行DA轉(zhuǎn)換器輸出至跟隨器產(chǎn)生幅度控制信號，再將其輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓端來控制步驟A中的并行DA轉(zhuǎn)換器參考電壓，以實現(xiàn)輸出波形數(shù)據(jù)的幅度調(diào)節(jié)；結(jié)合步驟A和A’，所述微處理器可以由單片機(jī)實現(xiàn)，它是激振部分的主控制器，同時也是拾振部分的主控制器，在激振部分主要負(fù)責(zé)激振波形寫入，頻率控制字和幅度控制數(shù)據(jù)的寫入以及激振和拾振的協(xié)調(diào)與控制；B、低通橢圓濾波器濾掉高次諧波，將并行DA轉(zhuǎn)換器輸出的呈階梯狀的模擬電壓信號即正弦波形信號平滑成光滑的正弦波波形信號；C、將濾波后的正弦波形信號通過功率放大電路進(jìn)行功率放大，使其具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動能力，將功率放大后的正弦波形信號送入激振線圈，即將其施加在振弦式儀器的頻率測量線圈兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力，驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振，其掃頻激振的正弦波信號波形如圖6所示。本實用新型所述的振弦式儀器的激振裝置，適用于激振各種振弦式儀器，如激振單線圈振弦式儀器，以及激振雙線圈振弦式儀器等。需要補(bǔ)充說明的是，對于雙線圈振弦式儀器，由于其頻率測量線圈包括激振線圈和拾振線圈，說明書所述頻率測量線圈實為激振線圈，即將最終的正弦波形信號施加在激振線圈兩端。應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖對本發(fā)明創(chuàng)造已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，包括依次連接的微處理器、邏輯控制器件、波形存儲器、并行DA轉(zhuǎn)換器和濾波電路，所述微處理器將波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制器件寫入波形存儲器，所述波形存儲器輸出頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)；所述正弦波形數(shù)據(jù)輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器并轉(zhuǎn)換為正弦波形信號輸出，所述正弦波形信號輸入至濾波電路平滑成光滑的正弦波形信號，所述濾波電路的輸出連接至振弦式儀器的頻率測量線圈兩端，從而將所述光滑的正弦波波形施加在頻率測量線圈兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力， 驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，所述邏輯控制器件包括邏輯控制模塊、相位累加器和頻率控制字寄存器，所述邏輯控制模塊分別與微控制器和波形存儲器相連，所述頻率控制字寄存器與微處理器相連，所述相位累加器與波形存儲器相連，微處理器將正弦波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制模塊寫入波形存儲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，所述邏輯控制器件為 FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微處理器將正弦波形數(shù)據(jù)通過FPGA/CPLD寫入波形存儲器，在參考時鐘的作用下，通過相位加法器對輸入的頻率控制字進(jìn)行累加，并且將相位寄存器的輸出作為讀取波形存儲器的地址；和/或所述濾波電路為低通橢圓濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，還包括幅度控制電路， 所述幅度控制電路的輸入端與微處理器相連，輸出端與并行DA轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器以及由運(yùn)算放大器組成的跟隨器，通過微處理器更新幅度控制字以改變串行DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，所述串行DA轉(zhuǎn)換器輸出至跟隨器產(chǎn)生幅度控制信號，再將其輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓端來控制步驟A中的并行DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓，以實現(xiàn)輸出波形數(shù)據(jù)的幅度調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，還包括功率放大電路，所述功率放大電路的輸入端與濾波電路的輸出端相連，所述功率放大電路的輸出端與頻率測量線圈兩端相連從而將功率放大后的正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端。
專利摘要本實用新型涉及一種振弦式儀器的激振裝置，包括依次連接的微處理器、邏輯控制器件、波形存儲器、并行DA轉(zhuǎn)換器和濾波電路，微處理器將波形數(shù)據(jù)通過邏輯控制器件寫入波形存儲器，波形存儲器輸出頻率可調(diào)的正弦波形數(shù)據(jù)；正弦波形數(shù)據(jù)輸入至并行DA轉(zhuǎn)換器并轉(zhuǎn)換為正弦波形信號輸出，正弦波形信號輸入至濾波電路平滑成光滑的正弦波形信號，濾波電路的輸出連接至振弦式儀器的頻率測量線圈兩端，將所述光滑的正弦波波形施加在頻率測量線圈兩端，在永磁體的作用下產(chǎn)生交變電磁力，驅(qū)動鋼弦產(chǎn)生諧振。該裝置提高了激勵信號的精確控制能力，解決了傳統(tǒng)激振裝置采用脈沖方波所產(chǎn)生的各種局限性。
文檔編號G01H11/02GK202166473SQ201120201159
公開日2012年3月14日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者毛良明, 江修, 沈省三 申請人:基康儀器(北京)有限公司