本發(fā)明屬于電子技術(shù)和工程監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

振弦式傳感器也叫做鋼弦式傳感器，是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、抗干擾能力強(近距離)、測值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其輸出為頻率信號(一般為mV級正弦波)，廣泛應(yīng)用于巖土、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)工程測試中。

鋼弦式傳感器的一般工作原理是：鋼弦放置在磁場中，用一定方式對鋼弦加以激振后，鋼弦將會發(fā)生振動，振動的鋼弦在磁場中作切割磁力線運動，因此，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢，感應(yīng)電勢(鋼弦切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生微弱電信號)的頻率就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，鋼弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力成線性關(guān)系，因此測得鋼弦的共振頻率即可求出待測鋼弦的繃緊程度(張拉應(yīng)力)，利用這一特性，制作出各式各樣的傳感器，如壓力、位移等，壓力或位移的改變導(dǎo)致鋼弦繃緊程度發(fā)生變化，其共振頻率也相應(yīng)發(fā)生改變，測量頻率值即可計算出傳感器所受的壓力或位移值。鋼弦的“繃緊”程度即是鋼弦的應(yīng)力狀態(tài)，鋼弦應(yīng)力與其共振頻率滿足公式

上式中：

f：鋼弦的頻率值

L：鋼弦長度

σ：鋼弦所受到的張拉應(yīng)力

ρ：鋼弦材料的密度

對于已經(jīng)制作完成的鋼弦傳感器，鋼弦的長度、鋼弦材料的密度為已知量，故此，鋼弦受到的張拉應(yīng)力與鋼弦共振頻率有一一對應(yīng)關(guān)系，張拉應(yīng)力受到傳感器外部環(huán)境的影響(如壓力)而改變，從而通過頻率值即可計算出外部環(huán)境的值。

這類傳感器有兩種形式：一種是雙線圈，其中一個線圈是激振線圈，激振振弦讓鋼弦振動起來，另一個是拾振線圈，它是能把振弦的機械振動轉(zhuǎn)換為同頻率的感應(yīng)電動勢的裝置；另一種是單線圈，這種傳感器激振線圈和拾振線圈為同一個線圈，激振和拾振分時進(jìn)行，先激振，后拾振。單線圈振弦式傳感器使用中主要解決兩個問題：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起來；第二，拾振方法，包括拾振線圈中的微弱電動勢的拾取得到電動勢的頻率和頻率量測量兩部分。

振弦式讀數(shù)儀主要解決兩個問題：怎樣讓鋼弦振起來以及怎樣獲取鋼弦振起來后產(chǎn)生的頻率值。

振弦式原理是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一類傳感器，傳感器技術(shù)十分成熟，用量巨大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息化、自動化已成大勢所趨，但是目前還沒有用于實現(xiàn)振弦式傳感器方便的接入已有信息化采控設(shè)備的專業(yè)核心部件(模塊、轉(zhuǎn)換器)，使信息化進(jìn)程不能迅速、科學(xué)、快速的實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置，其集成度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、接口多樣，可方便的接入到已有信息化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從人工測試到全自動無人值守測試的快速轉(zhuǎn)變，同時還可在測量過程中對傳感器進(jìn)行有效性檢測、信號質(zhì)量綜合評價，大大降低人工投入和勞動強度、提高了測量效率，降低了振弦傳感器的應(yīng)用難度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置，其包括直流泵壓器、高壓采樣器、高壓開關(guān)、第一防雷器、低壓掃頻器、傳感器檢測采樣器、高壓阻尼器、第一溫度采集器、第二溫度采集器、濾波跟隨器、濾波放大器、檢波器、中央處理器MCU、電源、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲器、RTC實時時鐘、受控多路獨立電源、數(shù)字接口、模擬接口；

直流泵壓器與MCU、高壓采集器、高壓開關(guān)連接，在MCU控制下實現(xiàn)低電壓向高電壓轉(zhuǎn)換，其輸出的高電壓用于向振弦式傳感器發(fā)送高壓脈沖激勵信號；

高壓采樣器向MCU提供電壓信號；

高壓開關(guān)與MCU和直流泵壓器的高壓輸出線路連接，在MCU控制下，

接通或切斷高壓線路與振弦式傳感器內(nèi)的鋼弦線圈的連接；

第一防雷器與第二防雷器傳輸數(shù)據(jù)，第二防雷器連接振弦式傳感器；

低壓掃頻器在MCU控制下，將直流低壓電流信號以一定規(guī)則傳輸給振弦傳感器的鋼弦線圈，低壓掃頻器的輸出信號在方波和正弦波之間進(jìn)行切換；

高壓阻尼器的高壓側(cè)與第一防雷器、高壓開關(guān)連接，高壓阻尼器的低壓側(cè)與傳感器檢測采樣器、第一溫度采集器、濾波跟隨器、低壓掃頻器連接；

第一溫度采集器用于檢測振弦傳感器內(nèi)的溫度傳感器，第二溫度采集器用于檢測時鐘基準(zhǔn)的溫度傳感器，采集兩個溫度值，分別進(jìn)行鋼弦自振頻率和時鐘基準(zhǔn)受溫度影響的頻率修正；第二溫度采集器與時鐘基準(zhǔn)電路安裝于電路板相同位置；

濾波跟隨器與高壓阻尼器、濾波放大器連接；

濾波放大器與MCU、濾波跟隨器、檢波器連接，濾波放大器為可編程放大器，放大倍數(shù)依據(jù)傳感器返回原始信號質(zhì)量由MCU根據(jù)其寄存器參數(shù)設(shè)置；

信號幅度探測器與MCU、濾波放大器的輸出連接，探測放大后的振弦信號幅值；

檢波器與MCU、濾波放大器的輸出連接，將放大后的正弦信號轉(zhuǎn)換為矩形波信號，送給MCU進(jìn)行信號周期統(tǒng)計；

電源、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲器、RTC實時時鐘、受控多路獨立電源、數(shù)字接口、模擬接口分別與MCU連接。

本發(fā)明通過MCU控制直流泵壓器讓鋼弦振起來，通過MCU控制高壓采樣器、低壓掃頻器、傳感器檢測采樣器、高壓阻尼器、第一溫度采集器、第二溫度采集器、濾波跟隨器、濾波放大器、檢波器來獲取鋼弦振起來后產(chǎn)生的頻率值，因此該振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置集成度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、接口多樣，可方便的接入到已有信息化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從人工測試到全自動無人值守測試的快速轉(zhuǎn)變，同時還可在測量過程中對傳感器進(jìn)行有效性檢測、信號質(zhì)量綜合評價，大大降低人工投入和勞動強度、提高了測量效率，降低了振弦傳感器的應(yīng)用難度。

還提供了這種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置的工作方法，該方法包括以下步驟：

(1)上電；

(2)讀取MCU的寄存器；

(3)判斷是否檢測到振弦式傳感器，是則執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(8)；

(4)根據(jù)規(guī)定的方法激勵振弦式傳感器；

(5)采集振弦式傳感器的信號；

(6)根據(jù)規(guī)定的算法計算信號值；

(7)判斷信號質(zhì)量是否合格，是則執(zhí)行步驟(8)，否則執(zhí)行步驟(3)；

(8)刷新輸出信息。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置的工作方法的流程圖。

具體實施方式

從圖1中可以看出，這種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置，其包括直流泵壓器、高壓采樣器、高壓開關(guān)、第一防雷器、低壓掃頻器、傳感器檢測采樣器、高壓阻尼器、第一溫度采集器、第二溫度采集器、濾波跟隨器、濾波放大器、檢波器、中央處理器MCU、電源、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲器、RTC實時時鐘、受控多路獨立電源、數(shù)字接口、模擬接口；

直流泵壓器與MCU、高壓采集器、高壓開關(guān)連接，在MCU控制下實現(xiàn)低電壓向高電壓轉(zhuǎn)換，其輸出的高電壓用于向振弦式傳感器發(fā)送高壓脈沖激勵信號；

高壓采樣器向MCU提供電壓信號；

高壓開關(guān)與MCU和直流泵壓器的高壓輸出線路連接，在MCU控制下，

接通或切斷高壓線路與振弦式傳感器內(nèi)的鋼弦線圈的連接；

第一防雷器與第二防雷器傳輸數(shù)據(jù)，第二防雷器連接振弦式傳感器；

低壓掃頻器在MCU控制下，將直流低壓電流信號以一定規(guī)則傳輸給振弦傳感器的鋼弦線圈，低壓掃頻器的輸出信號在方波和正弦波之間進(jìn)行切換；

高壓阻尼器的高壓側(cè)與第一防雷器、高壓開關(guān)連接，高壓阻尼器的低壓側(cè)與傳感器檢測采樣器、第一溫度采集器、濾波跟隨器、低壓掃頻器連接；

第一溫度采集器用于檢測振弦傳感器內(nèi)的溫度傳感器，第二溫度采集器用于檢測時鐘基準(zhǔn)的溫度傳感器，采集兩個溫度值，分別進(jìn)行鋼弦自振頻率和時鐘基準(zhǔn)受溫度影響的頻率修正；第二溫度采集器與時鐘基準(zhǔn)電路安裝于電路板相同位置；

濾波跟隨器與高壓阻尼器、濾波放大器連接；

濾波放大器與MCU、濾波跟隨器、檢波器連接，濾波放大器為可編程放大器，放大倍數(shù)依據(jù)傳感器返回原始信號質(zhì)量由MCU根據(jù)其寄存器參數(shù)設(shè)置；

信號幅度探測器與MCU、濾波放大器的輸出連接，探測放大后的振弦信號幅值；

檢波器與MCU、濾波放大器的輸出連接，將放大后的正弦信號轉(zhuǎn)換為矩形波信號，送給MCU進(jìn)行信號周期統(tǒng)計；

電源、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲器、RTC實時時鐘、受控多路獨立電源、數(shù)字接口、模擬接口分別與MCU連接。

本發(fā)明通過MCU控制直流泵壓器讓鋼弦振起來，通過MCU控制高壓采樣器、低壓掃頻器、傳感器檢測采樣器、高壓阻尼器、第一溫度采集器、第二溫度采集器、濾波跟隨器、濾波放大器、檢波器來獲取鋼弦振起來后產(chǎn)生的頻率值，因此該振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置集成度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、接口多樣，可方便的接入到已有信息化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從人工測試到全自動無人值守測試的快速轉(zhuǎn)變，同時還可在測量過程中對傳感器進(jìn)行有效性檢測、信號質(zhì)量綜合評價，大大降低人工投入和勞動強度、提高了測量效率，降低了振弦傳感器的應(yīng)用難度。

由于濾波放大器為可編程放大器，放大倍數(shù)由MCU根據(jù)其寄存器參數(shù)設(shè)置，通過程控信號放大器的放大倍數(shù)，可以動態(tài)的根據(jù)原始信號進(jìn)行期望倍數(shù)的電壓幅值放大，便于信號采集。再者，根據(jù)實時的動態(tài)放大倍數(shù)、采集到的放大后的信號幅值，可以反算傳感器原始信號幅值，從而實現(xiàn)原始信號的質(zhì)量評價(與傳感器輸出信號幅值相關(guān)的信號質(zhì)量)，以便當(dāng)信號幅值過強或過弱時調(diào)節(jié)激勵方法、激勵電壓(不論是高壓激勵還是低壓激勵)。不管是高壓激勵還是低壓激勵，激勵信號的幅值是程控的，目的就是為了根據(jù)當(dāng)前傳感器輸出的原始信號來動態(tài)調(diào)整激勵方式，以達(dá)到動態(tài)適應(yīng)不同廠家、不同型號傳感器的目的。所以，本發(fā)明的一個特色是通過這種結(jié)構(gòu)來最大限度適應(yīng)不同的傳感器，讓傳感器輸出信號及放大后的用于采集計算頻率的信號達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，提高測量精度。

另外，所述直流泵壓器的泵壓通過LC泵壓電路或交變脈沖變壓器實現(xiàn)。

另外，所述高壓采樣器使用高精電阻分壓轉(zhuǎn)換成低電壓信號由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給MCU，或者通過ADC數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后傳遞給MCU。

另外，所述高壓開關(guān)是高壓MOS開關(guān)管，或中小型繼電器。

另外，所述防雷器為多個獨立通道，分別傳輸振弦激勵信號和返回信號、溫度傳感器的雙向數(shù)字或模擬信號。

另外，方波通過MCU+隔離電路(如光耦)+驅(qū)動增強電路實現(xiàn)；正弦波通過MCU的DAC功能或直接使用可編程的函數(shù)發(fā)生器，再使用驅(qū)動增強電路輸出；驅(qū)動增強電路使用三極管、MOS管、運算放大器來實現(xiàn)；低壓掃頻器有一路獨立的受MCU控制的開關(guān)，開關(guān)分別與濾波放大器和高壓阻尼器的掃頻線路通道連接，用于在必要時將濾波放大后的同相高幅值正弦波信號反饋傳輸給振弦傳感器的線圈。

另外，所述高壓阻尼器是多通道運算放大器電路，或者電感緩沖+電壓鉗位電路，或者以高壓信號為關(guān)斷門限的MOS管電路。

另外，所述溫度傳感器為熱敏電阻或數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

另外，所述檢波器是可編程施密特觸發(fā)檢波器。

可編程施密特觸發(fā)檢波器，對基準(zhǔn)比較值自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的比較器，屏蔽幅值過低的信號不進(jìn)行方波輸出(如電源紋波，干擾噪聲等)，對于強度超過一定量的周期信號進(jìn)行方波轉(zhuǎn)化輸出給MCU。配合幅度探測器的峰值探測功能，可優(yōu)選信號幅值適中的一段信號進(jìn)行采集統(tǒng)計。

可編程窗口比較檢波器：對信號幅值上下限均進(jìn)行可編程限制(施密特觸發(fā)檢波器只屏蔽小信號，對幅值大的信號不限制)。可優(yōu)選信號幅值適中的一段信號進(jìn)行方波轉(zhuǎn)化輸出。

可編程微控制器MCU，與本發(fā)明各器件連接，在固件程序控制下，完成協(xié)調(diào)流程、振弦傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)字接口通訊、模擬接口輸入輸出等工作?？梢詾閱纹瑱C、DSP等邏輯編程器件。

存儲器與MCU連接，受MCU控制，保存工作寄存器數(shù)據(jù)、歷史傳感器數(shù)據(jù)、信號頻譜數(shù)據(jù)等。

RTC實時時鐘與MCU連接，實時時鐘，使用備用電池供電。

數(shù)字通訊接口包含了多種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口，UART、RS232、RS485、ISP、IIC、CAN，通過數(shù)字接口與上位機進(jìn)行雙向通訊。

為滿足模塊嵌入到其它測量電路，便于集成開發(fā)，本模塊對外數(shù)字接口包括UART、RS232、RS485、SPI、IIC、CAN。UART、SPI、IIC、CAN接口是電子電路中最為常用的數(shù)字接口，通過這些接口可與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，控制模塊工作、讀取測量數(shù)據(jù)。RS232、RS485是標(biāo)準(zhǔn)計算機接口，可方便接入計算機系統(tǒng)。另外，由于本模塊帶有設(shè)備地址，且設(shè)備地址可由用戶配置，故可結(jié)合數(shù)字總線接口實現(xiàn)一主多從的多模塊集成網(wǎng)絡(luò)(UART、RS232接口不是總線接口，其它幾個全是)應(yīng)用。

采用工業(yè)通用協(xié)議MODBUS，可直接接入工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)。

模擬接口包括若干用于輸入輸出的接口，輸出接口用于輸出運行狀態(tài)、報警信息、傳感器頻率值、傳感器溫度值、信號質(zhì)量、頻譜數(shù)據(jù)等；輸入接口用于多路通用ADC、低功耗控制、設(shè)備地址設(shè)置等。模擬量表示的頻率值、溫度值實現(xiàn)了振弦傳感器由微弱正弦頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號的功能，使振弦傳感器可直接接入已經(jīng)十分成熟的模擬量測量系統(tǒng)中；多路通用ADC接口，可將現(xiàn)場多種傳感器的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號直接接入，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口傳輸給上位機；報警信息輸出功能可用于現(xiàn)場預(yù)警，可使號經(jīng)由傳輸線傳輸給上位機；運行狀態(tài)指示可用電平信號顯示傳感器狀態(tài)和本發(fā)明模塊的工作狀態(tài)。

模擬量表示的頻率值：將測量到的傳感器轉(zhuǎn)化為工業(yè)模擬信號，便于接入已有模擬量采控系統(tǒng)。轉(zhuǎn)化后的模擬量可以為電壓或電流信號以及用占空比表示頻率值的脈沖信號，電壓信號為±5V、0～2V、0～5V，電流信號為0～20mA、4～20mA，脈沖信號用高電平表示頻率，高電平待續(xù)時長表示頻率值。

為了保證模擬信號精度，電壓電流信號使用雙路輸出，增大模擬量范圍，保障精度(說明：用0～5V表示500～5000Hz時，基本上1mV代表1Hz，1mV對于性能一般的采控設(shè)備來說無法很好的分辨出來，本發(fā)明采用兩路信號輸出，一路用于表示頻率的千和百位，另一路用于表示個位和十位，有效保證了傳輸和采集的精度)。

受MCU控制的電源組可由MCU控制打開或關(guān)閉的獨立電源組?？捎蒑CU調(diào)整電壓幅值，電源芯片均采用具有過流保護(hù)、短路保護(hù)的芯片，某電源發(fā)生過流或短路時不會影響MCU正常運行，可及時由MCU采取保護(hù)措施、發(fā)送錯誤信息。

除核心MCU外，各部分均為獨立電源供電，可在無測量工作時進(jìn)行關(guān)斷，實現(xiàn)節(jié)省電能、低功耗的功能。

如圖2所示，還提供了這種振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置的工作方法，該方法包括以下步驟：

(1)上電；

(2)讀取MCU的寄存器；

(3)判斷是否檢測到振弦式傳感器，是則執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(8)；

(4)根據(jù)規(guī)定的方法激勵振弦式傳感器；

(5)采集振弦式傳感器的信號；

(6)根據(jù)規(guī)定的算法計算信號值；

(7)判斷信號質(zhì)量是否合格，是則執(zhí)行步驟(8)，否則執(zhí)行步驟(3)；

(8)刷新輸出信息。

該振弦式傳感器的讀取數(shù)據(jù)裝置具有如下特點：

采用多種技術(shù)、多個環(huán)節(jié)、相互配合，最大限度的適應(yīng)不同類型、不同廠家、不同型號的振弦式傳感器；

采用多種技術(shù)手段和方法，提高激勵效果和頻率讀取精度、提高讀取速度、延長傳感器壽命；

采用多種接口輸出測量數(shù)據(jù)，將振弦激勵和讀取過程進(jìn)行包覆，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的、易于使用的數(shù)字接口信號和常規(guī)模擬信號；

除激勵讀取功能外，還具有傳感器檢測、線路短路保護(hù)、信號質(zhì)量評價功能；

靈活的參數(shù)配置功能；

低功耗特性；

數(shù)據(jù)存儲功能；

擴(kuò)展的通用傳感器接入接口及協(xié)議。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。