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(shí)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 =t +(#)2)(1+ t)，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(shí)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，方波寬度隨著頻率的變化而線性變化。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)；( 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(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型針對現(xiàn)有的振弦式儀器的激振裝置產(chǎn)生的激振方波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，該裝置輸出波形的諧波少，具有良好的起振效果。本實(shí)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SPWM波發(fā)生器、濾波電路和激振信號開關(guān)電路，所述SPWM波發(fā)生器生成SPWM波并將其輸入至濾波電路，所述濾波電路進(jìn)行濾波得到正弦波形信號，所述濾波電路的輸出連接至振弦式儀器中的頻率測量線圈兩端，從而將所述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，所述激振信號開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)正弦波形信號的開關(guān)。所述SPWM波發(fā)生器為DSP或CPLD或FPGA或單片機(jī)。所述SPWM波發(fā)生器為DSP，所述DSP通過光電隔離電路連接至濾波電路，SPWM波發(fā)生器生成的SPWM波輸入至光電隔離電路以將干擾信號進(jìn)行光電隔離，光電隔離電路輸出的SPWM波輸入至濾波電路進(jìn)行濾波以得到正弦波形信號。還包括幅度控制電路，所述幅度控制電路的輸入端與濾波電路的輸出端相連，所述濾波電路輸出的正弦波形信號輸入至幅度控制電路進(jìn)行波形幅度調(diào)節(jié)，所述幅度控制電路的輸出端與頻率測量線圈兩端相連從而將幅度調(diào)節(jié)后的正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端。還包括功率放大電路，所述功率放大電路的輸入端與幅度控制電路的輸出端相連，所述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。所述幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和乘法器，所述串行DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓經(jīng)運(yùn)算放大器后作為乘法器的一路輸入信號，所述乘法器的另一路輸入信號為正弦波形信號，所述乘法器輸出幅度調(diào)節(jié)后的正弦波形信號。所述濾波電路為三階巴特沃斯低通濾波器。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下本實(shí)用新型提供的振弦式儀器的激振裝置，包括依次連接的SPWM波發(fā)生器、濾波電路和激振信號開關(guān)電路，通過SPWM波發(fā)生器生成SPWM波并將其輸入至濾波電路，濾波電路進(jìn)行濾波得到正弦波形信號，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(shí)用新型的該裝置改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖寬度線性變化的方波激振鋼弦的構(gòu)造，把SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)生鋼弦的激振，實(shí)現(xiàn)SPWM波的激振波形的在線調(diào)節(jié)，SPWM波具有脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化的特性，其輸出波形的諧波少，經(jīng)濾波電路后能夠消除諧波干擾，形成頻譜單一的正弦波，解決了現(xiàn)有的振弦式儀器的激振裝置產(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，將本實(shí)用新型得到的正弦波形信號，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，使得鋼弦能夠可靠起振，提高了激振信號的精確控制能力。本實(shí)用新型的激振裝置中的SPWM波發(fā)生器生成SPWM波，可以通過DSP或CPLD或FPGA或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用高性能DSP (Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理器)，充分應(yīng)用其內(nèi)嵌的PWM模塊和其高速的處理能力，由DSP產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)濾波電路進(jìn)行濾波得到正弦波形信號，施加在單線圈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。利用CPLD (Complex Programmable 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)均可產(chǎn)生數(shù)字式SPWM波，基于單片機(jī)生成SPWM波，其控制電路簡單可靠且成本低，受到外界干擾小。上述各器件生成的SPWM波脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，具有輸出波形諧波少的特性， 具有良好的起振效果，解決了傳統(tǒng)激振裝置直接采用脈沖方波所帶來的局限性。在本實(shí)用新型的激振裝置中增設(shè)光電隔離電路進(jìn)行光電隔離，能夠?qū)PWM波中引進(jìn)的干擾通道切斷，從電路上把干擾源以及易受干擾的部分隔離起來；將光電隔離后的 SPWM波通過濾波電路進(jìn)行濾波，SPWM波在濾波后得到的正弦波形信號通過幅度控制電路進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)，對某些激振比較困難的儀器，在DSP的控制下，可以自適應(yīng)地提高SPWM波形轉(zhuǎn)化的激振正弦波形幅度，避免儀器欠激振的情況；反之，對比較容易激振的儀器激振， 可以自適應(yīng)的降低激振正弦波形幅度，避免過度激振的問題，實(shí)現(xiàn)了 SPWM波幅度的在線調(diào)節(jié)，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(shí)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(shí)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(shí)用新型振弦式儀器的激振裝置優(yōu)選工作流程圖。圖5為DSP產(chǎn)生SPWM波的主程序流程圖。圖6為DSP產(chǎn)生SPWM波的中斷程序流程圖。圖7a、7b和7c為生成SPWM波激振信號的波形圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行說明。本實(shí)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，包括依次連接的數(shù)字信號處理器(以下稱DSP)、光電隔離電路、三階巴特沃斯低通濾波器、幅度控制電路和功率放大電路，還包括激振信號開關(guān)電路。通過DSP生成SPWM波， 該SPWM波的波形數(shù)據(jù)輸入至光電隔離電路，將干擾信號進(jìn)行光電隔離，再將光電隔離后的 SPWM波輸出，光電隔離后的SPWM波輸入至三階巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波，濾除掉SPWM 波的高次諧波，并得到正弦波形信號輸出，三階巴特沃斯低通濾波器的輸出連接至幅度控制電路的輸入端，幅度控制電路進(jìn)行正弦波形信號幅度調(diào)節(jié)，具體為幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和乘法器，所述串行DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓經(jīng)運(yùn)算放大器后作為乘法器的一路輸入信號，所述乘法器的另一路輸入信號為正弦波形信號，所述乘法器將兩路輸入模擬信號相乘后輸出幅度調(diào)節(jié)后的正弦波形信號，可按照需要產(chǎn)生相應(yīng)幅度的激勵波形；幅度控制電路的輸出端連接至功率放大電路的輸入端，功率放大電路對幅度調(diào)節(jié)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)的正弦波激振信號(即正弦波形信號)，激振后進(jìn)行后續(xù)的放大整形以及完成頻率的測量。
本實(shí)用新型的該裝置的振信號開關(guān)電路可以設(shè)置在功率放大電路與頻率測量線圈之間，或設(shè)置在幅度控制電路與功率放大電路之間，激振信號開關(guān)電路用以實(shí)現(xiàn)激振信號的開關(guān)。圖4為本實(shí)用新型振弦式儀器的激振裝置優(yōu)選工作流程圖，包括下述步驟A、采用高性能DSP，充分應(yīng)用DSP內(nèi)嵌的PWM模塊和其高速的處理能力，由DSP產(chǎn)生SPWM波；SPWM的載波頻率由DSP按照激振頻率產(chǎn)生，正弦規(guī)律變化的脈沖寬度由DSP實(shí)時計算產(chǎn)生；其中，DSP產(chǎn)生SPWM波的主程序流程圖如圖5所示，中斷程序流程圖如圖6所示，在主程序流程圖中，DSP需要初始化其內(nèi)包括的PWM模塊中的PWM引腳、系統(tǒng)控制寄存器、設(shè)置定時器中斷、事件管理器(包括周期寄存器、比較寄存器、計數(shù)寄存器、控制寄存器等)，設(shè)置需要產(chǎn)生的正弦表，并全局中斷使能；在中斷程序流程圖中，包括定時器下溢中斷標(biāo)志置位，更新比較寄存器，清除中斷屏蔽標(biāo)志，清除中斷使能標(biāo)志，設(shè)置響應(yīng)同組中斷， 開全局中斷步驟；此外，DSP是激振部分的主控制器，同時也是拾振部分的主控制器，在激振部分主要是SPWM波的產(chǎn)生以及激振和拾振過程的協(xié)調(diào)與控制；產(chǎn)生SPWM波的原理可基于等效面積法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和自然采樣法。其中，自然采樣法原理簡單而且直觀，并具備十分確切的數(shù)理依據(jù)，通用性及可操作性也很強(qiáng)。圖7a、7b和7c為基于自然采樣法生成SPWM波激振信號的波形圖當(dāng)正弦調(diào)制波與若干個等幅的三角載波在時間軸上相遇時，三角載波對正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣，并令正弦調(diào)制波的零點(diǎn)與三角載波的峰點(diǎn)處于同相位，如圖7a所示；所得的交點(diǎn)P1. .. Pltl表達(dá)為時間意義上的相位角和對應(yīng)的瞬時幅值，交點(diǎn)間的相位區(qū)間段表示以正弦部分為有效輸出的矩形脈沖群，即為生成的SPWM波如圖7b所示；該SPWM波的脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化，SPWM波及其按正弦規(guī)律變化的波形如圖7c所示。當(dāng)然，也可以依據(jù)對稱規(guī)則采樣法等其它原理產(chǎn)生SPffM波。如圖5和圖6所示的DSP產(chǎn)生SPWM波的主程序流程圖和中斷程序流程圖中，可以理解為是基于對稱規(guī)則采樣法實(shí)現(xiàn)的SPWM波。B、DSP生成的SPWM波經(jīng)光電隔離電路將干擾信號進(jìn)行光電隔離，即光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)字部分和模擬部分的電氣隔離；C、通過三階巴特沃斯低通濾波器濾掉SPWM波的高次諧波，得到正弦波形信號；D、通過幅度控制電路實(shí)現(xiàn)正弦波形信號的幅度調(diào)節(jié)，該幅度控制電路包括串行DA 轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和乘法器，串行DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓經(jīng)運(yùn)算放大器后作為乘法器的一路輸入信號，所述乘法器的另一路輸入信號為正弦波形信號，所述乘法器對兩路輸入模擬信號相乘后輸出正弦波形信號，從而實(shí)現(xiàn)了輸出正弦波形的幅度調(diào)節(jié)；E、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。[0037]本實(shí)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(shí)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(shí)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SPWM波發(fā)生器、濾波電路和激振信號開關(guān)電路，所述SPWM波發(fā)生器生成SPWM波并將其輸入至濾波電路，所述濾波電路進(jìn)行濾波得到正弦波形信號，所述濾波電路的輸出連接至振弦式儀器中的頻率測量線圈兩端。
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SPWM波發(fā)生器為 DSP或CPLD或FPGA或單片機(jī)。
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SPWM波發(fā)生器為 DSP，所述DSP通過光電隔離電路連接至濾波電路，SPWM波發(fā)生器生成的SPWM波輸入至光電隔離電路以將干擾信號進(jìn)行光電隔離，光電隔離電路輸出的SPWM波輸入至濾波電路進(jìn)行濾波以得到正弦波形信號。
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濾波電路的輸出端相連，所述濾波電路輸出的正弦波形信號輸入至幅度控制電路進(jìn)行波形幅度調(diào)節(jié)，所述幅度控制電路的輸出端與頻率測量線圈兩端相連從而將幅度調(diào)節(jié)后的正弦波形信號施加在頻率測量線圈兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4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幅度控制電路的輸出端相連，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。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的振弦式儀器的激振裝置，其特征在于，所述幅度控制電路包括串行DA轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器和乘法器，所述串行DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的參考電壓經(jīng)運(yùn)算放大器后作為乘法器的一路輸入信號。
7.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，所述濾波電路為三階巴特沃斯低通濾波器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種振弦式儀器的激振裝置，該裝置包括依次連接的SPWM波發(fā)生器、濾波電路和激振信號開關(guān)電路，SPWM波發(fā)生器生成SPWM波并將其輸入至濾波電路，濾波電路進(jìn)行濾波得到正弦波形信號，濾波電路的輸出連接至振弦式儀器中的頻率測量線圈兩端，從而將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，所述激振信號開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)正弦波形信號的開關(guān)。該裝置產(chǎn)生的脈沖寬度按正弦波形規(guī)律變化的SPWM波形激振信號，提高了激振信號的精確控制能力，解決了傳統(tǒng)激振裝置采用脈沖方波所產(chǎn)生的各種局限性。
文檔編號G01H11/00GK202119529SQ201120201278
公開日2012年1月18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