振弦式传感器在桥检测系统中的应用的设计.doc

振弦式传感器在桥梁检测装置中的应用 中国地质大学（武汉） 机电学院 【摘要】振弦式传感器的固有振动频率与所受压力有着的定量的关系。对传感器施加同频率的激励信号可以使其发生共振，输出较大的频率信号。由MSP430单片机测量由振动所产生的感应电动势的脉冲周期，从而得到弦的振动频率，进而计算出应力。通过单片机的串口通信模块发送给GPRS模块，再通过GPRS的无线传输方式将数据发送至桥梁监测中心，对桥梁的状况进行远程监测。一、设计背景与思路 振弦式传感器属于频率型传感器,它结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、输出为频率信号、便于与微机接口,具有一般谐振式传感器的优点. 广泛应用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中 利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。因此，可获得非常理想的测量效果。 l 振弦 T 图1 振弦的振动频率可由以下公式确定： 其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。 振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机。单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。 2、为了改变便携式桥梁检测仪的人工量大的缺点，我们将在桥梁等间距的16个检测点安装16个振弦式传感器，通过单片机控制16通道的信号分时采集，从而提高了数据采集的实时性，也增加了采集的数据的可比性，为桥梁的安全监测提供可靠的保证。 我们设计的基于振弦式传感器的桥梁检测装置的整体框架图：（如图2） 3、振弦式传感器信号提取思路 对振弦式传感器有两种激励方式：一、 直流信号激励，二、 方波信号激励。 直流信号激励：对传感器施加一个直流激励信号，电流流过线圈的时候产生磁场吸住振弦，然后继电器切换，将传感器接至拾振电路，此时振弦被释放而自由振动，产生一个频率信号，通过拾振电路的放大，滤波之，从而提取到传感器的信号。 方波信号激励：对传感器施加一个方波激励信号，当方波激励信号的频率与振弦的固有频率相同时，振弦迅速共振，然后继电器切换，将传感器接至拾振电路，进而通过放大，滤波得到所需信号。 我们在实验阶段采取的是用方波信号作为激励信号，通过实验提取到了传感器的信号。现阶段我们还需要解决一些问题，例如激励信号的幅度给多大，拾振电路存也还需要一些改进。继电器会产生干扰信号，且切换速度太慢，不能满足要求，带通滤波器效果不是很理想。在后续工作中，我们会采用其他的切换方法代替继电器，对滤波器做一些改进。我们还将实验用直流信号激励传感器。 . . . . . . 图2 A、振弦式传感器信号提取的原理框图：（如图3） 图3 B、振弦式传感器信号提取的硬件电路图：（如图4） 该部分我们已经实现了信号提取功能 ，并且通过示波器看到了较稳定的波形，经过多次比较实验我们确定了该信号就是我们所需要的信号。 图4 下一步是得出信号的频率，为此我们打算用频率可调的PWM波对传感器进行激振。我们的初步设计各模块的具体实现 框图为： I、 扫频信号：利用定时器的比较功能产生产生频率可变的PWM信号作为振弦式传感器的激励信号，该部分的软件流程图为：（如图5） II．传感器信号的采集：利用MSP430单片机内部定时器的捕捉功能对传感器震荡的频率信号进行计数，计算频率，根据频率与应力的关系式计算出应力。该部分的软件流程图为：（如图6） 3、通讯模块的原理框图：（如图8） 图8.通信系统结构 以MSP430单片机为现场数据采集端的MCU，并以MC39I为GPRS Modem 来实现与互联网接入，将GPRS无线技术引入桥梁安全检测测频系统，非常适用于要求实时性的、大数据量传送的