振弦传感器扫频激振与测频方法研究

鹿 玲，戴学松，姜志学

(辽宁科技大学软件学院，辽宁 鞍山 114051)

0 引言

单线圈振弦传感器在建筑工程压力监测中的应用十分广泛。单线圈振弦传感器的激振与测频是通过同一个线圈来完成的［1］。对单线圈振弦传感器进行有效的扫频激振，是准确测频的前提。目前，激振与测频方法有很多，但都存在各自的优缺点。人们正不断探索更新、更高效的激振方法，以提升测频精度。

本文研究了一种新的单线圈振弦传感器扫频激振与测频方法。该方法采用了基康公司的4500SR-350KPa型号单线圈振弦传感器，通过将粗略扫频与精确扫频相结合，实现了全量程范围内的扫频，提高了测频的精度。实践证明，该方法激振高效且测频准确。

1 系统的总体构成

系统由扫频激振、测频或拾频、单片机软硬件、串口数据传输以及负责接收和显示的上位计算机构成。因为激振和测频的模拟单元需要的是+5 V和－5 V这2种直流电源，所以扫频激振单元和拾频单元都要通过光电隔离后才能与计算机相连接。系统构成框图如图1所示。

图1 系统构成框图Fig．1 System composition

2 振弦传感器激振与拾频的硬件电路

单片机采用 STR12C5A16S2。单片机的晶振为11．059 2 MHz，这会提高单片机系统与计算机系统通过串口通信的波特率。单线圈振弦传感器激振与测频部分采用+5 V和－5 V这2种电源供电，双电压激振。由单片机的 P2．4和 P2．5分别控制三极管 Q1和 Q2的接通与断开，并通过改变+5 V和－5 V的接通时间来调整单线圈振弦传感器的激振频率。激振信号在一定频率范围内的连续变化过程就是扫频。拾频是指在有效激振的前提下测量出单线圈振弦传感器的自激振荡频率，又称为测频。实际的激振与拾频单元硬件电路［2］如图2 所示。

图2 硬件电路图Fig．2 Hardware circuit

2个三极管不能同时导通，否则将导致+5 V与－5 V短路，造成Q1、Q2及电源的烧毁。激振的电压范围为－5～+5 V。线圈中的电流不能突变，即流过单线时不拾频。拾频部分由两级运算放大器和一级比较器组成，通过改变 R1、R3、R2、R4的大小来调整前两级的放大倍数;最后一级是比较器用于输出振弦本身谐振频率的方波信号。

3 振弦传感器激振方法

单线圈振弦传感器激振方法有多种。按激振的工作电压来分类，有:高电压激振法，激振电压在100 V左右;低电压激振法，电压值为12 V左右，或采用双电压(即+5 V和－5 V这2种电压)来激振，压差也与12 V相近［3］。激振方式有连续激振和间歇激振。

激振驱动脉冲波形与振弦起振后感应电动势波形如图3 所示［4］。

图3 激振波形图Fig．3 Excitation waveforms

3．1 常规扫频

常规扫频激振的方法是在传感器线圈中加入一定频率范围的扫频驱动脉冲，频率变化由低到高寻找振弦的固有振荡频率。这种扫频是按顺序将全部或分段激振频率脉冲输出到激振线圈中［5］。振弦传感器的频率量程较大。以基康公司的4500SR-350KPa单线圈振弦传感器为例，它的测量范围是fMin=1 200 Hz、fMax=3 500 Hz，在正常大气压下的弦振频率是2 860 Hz左右。全程扫频激振后，可测量的拾频时间t2有可能很短。若是从低频向高频扫频，当振弦的共振频率接近fMin时，拾频的时间就更短了。振弦起振后的振荡是有阻尼的［6］，从起振到测不出振荡信号的时间不到1 s，可见全程扫频的方法几乎行不通，故较多采用分段激振法。

此外，并不是只需要几个与振弦固有振荡频率相等的激振驱动脉冲就能引起振弦的可靠共振。试验表明，在+5 V和－5 V交替的共振频率脉冲驱动下，需要至少30个周期的相同频率激振脉冲才能使振弦自激振荡电压符合测量要求。振弦自激振荡的幅值越大，越有利于拾频。

在激振过程中，无法判断振弦是否起振、振动的幅度是否达到测量要求，必须停止激振并通过测量振弦的自激振荡频率来分析确定。

图3中，t0时间段内是各种不同频率的激振驱动脉冲，而振弦的起振点可能在t0时间段内的任意时间点上。t1约为10 ms，是为了让振弦真正平稳自激振荡后再开始测量。试验发现，其实t1可以更短或者为零。t2是有效的可测量时间段。振弦自激振荡频率是指振弦在当前所处压力下的固有振荡频率。其随着外界压力的变化而变化，与激振的频率无关。

扫频激振方法有很多，包括分区间扫频激振法(即分段扫频激振法)、二次扫频激振法等。使用单线圈振弦传感器测量压力的场合，对检测速度的要求一般都不高。

3．2 新的扫频与测频方法

钢弦的振动是一种幅值衰减很快的有阻尼振动，有效测量时间只有700 ms左右，且可供测量的交变电压信号不超过1 mV。如果钢弦的振动幅度不够，就只能减少测量的时间。但这样会降低测量的精度。

新的扫频方法不同于分区间扫频法。分区间扫频法采用同样的扫频模式、同样精度的测频方法在不同的扫频区间段内进行的重复性的扫频与测频，可减少扫频时间对测频时间的影响。新的扫频方法是长短计数时间结合测频法。在同一个完整的扫频巡回中，该方法包含粗略测频与精细测频两个步骤。在未找出振弦自激振荡频率前，采用缩短计数时间来粗略计算振弦自激振荡频率，以达到快速扫频的效果。

在预判将要出现振弦自激振荡频率时，采用增加计数时间精确计算振弦自激振荡频率的方法。这是一种长短测频时间相接合的测频方法。粗略测频时扫频进度快是因为检测的时间短，精细测频时扫频进度慢是因为检测的时间长。在同一个扫频巡回过程中，精确找出弦振固有频率的方法是在扫频的过程中先进行快速粗略拾频。当振弦的振荡频率的值在1 200～3 500 Hz时，再进行精细拾频。

试验证明，当系统的晶振为11．059 2 MHz时，扫频激振周期每次增加2个机器周期时间;当粗略检测到振弦自激振荡频率值在1 200 Hz与3 500 Hz之间时，有效激振频率会很快出现。继续加长扫频激振周期的再扫频次数，如不超过12次，就一定能够找到振弦的自激振荡频率。

扫频的激振频率变化可以由低到高，也可由高到低。实际测试中，采用由高频到低频的扫频方式。单片机系统中，以定时计数器T0作为定时器、定时计数器T1作为测频的计数器。采用软件实现扫频与测频，其流程如图4所示。

图4 扫频与测频流程图Fig．4 Flowchart of swept-frequency and frequency measurement

在实际测试中，通过对获得的数据进行分析，发现当扫频激振脉冲的半周期延时时间变量值为n时，可以使振弦有效起振，则当扫频激振脉冲的半周期延时变量值为3n、6n和9n时，都可以使振弦有效起振。扫频激振脉冲的半周期延时时间就是电路中Q1和Q2两个开关管交替打开后的延时时间。采用一个for循环来实现这样的短暂延时。循环体中是空操作函数nop_()，用来延时的循环次数用M表示。在一定的液体压下，进入精确扫频阶段后，测得的一组测频数据如表1所示。

表1 实测测频数据Tab．1 Measured frequency data

BGKeokon 4500SRj-350kPa传感器的工作区间为1 200～3 500 Hz。在粗略计算的情况下，当M为0x4F时，T0中断两次时间内，T1的计数值大于170，粗略计算振弦的自激振荡频率大于1 200 Hz，即起振。然后，软件系统进入精确测频阶段。但从进入精确测频阶段以后的测频结果分析，通过6次M值自增就能找到振弦自激振荡频率。当前，振弦的固有频率为2 770 Hz。在同样的激振参数下，T0中断10次时，T1的计数值却不是T0中断两次时T1计数值的5倍。由此说明，刚进入精确测频阶段的激振参数并非最佳的，没有引起有效的自激振荡。程序进入的精确测频部分循环了12次，已完全满足要求。

4 提高测频精度方法

频率测量方法有两种。一种为测频法，即在某一选定的时间间隔内对被测信号脉冲进行计数，然后将计数值除以时间间隔得到被测信号的频率。测频法在低频时测量误差稍大些。另一种为测周期法，即通过测量被测信号的周期再求其倒数，得到被测信号的频率。测周期法在高频时的测量误差较大。测频法又分为直接测频法、组合测频法、倍频法、等精度测频法等［7-8］。等精度测频法的关键在于将信号脉冲来临的时刻与计数器开始计数的时刻同步，消除对信号脉冲计数的±1量化误差。采用测频法，通过对多次测量值取平均来消除系统的随机误差，提高信噪比，从而提升测量精度。

影响测频精度的因素有多个。保证振弦在固有振荡频率上有效自激振荡是提高测量精度的先决条件。此外，还要达到一定的振动幅度。理论上，振弦振动的幅度越大，对提高测量精度越有利。振弦振动的幅度受多种因素限制，包括激振的次数、激振的电压、激振脉冲的频率等。增加测量的时间可以提高测量精度，但前提是在该时间段内硬件电路能够正确检测出微弱的振弦振荡感应信号。在扫频环节，当振弦出现自激满时，增加激振次数，激振后立即拾频，增加测量时间，找出接下来的12次测量中频率最高的结果。其即为振弦的固有振动频率。这是提高拾频精度的方法。然后，停止扫频，延时几秒后再从头开始进入下一轮扫频过程。此外，单片机扫频与拾频系统的软件设计的计时部分选用主程序中查询的方法。之所以没有选用中断的方式来计时，是因为当开发软件采用C51高级语言时，用中断很难达到要求的计时精确度，而且中断内数据处理工作越多，测量结果越不准确。这也是提升测频精度时要注意的一个方面。

用其他测频仪器在恒定压力下实际测得的振弦自激振荡频率值分别是 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，实测值不太稳定。而采用新的激振与测频方法，经过多次测量，测得的一组振弦自激振荡频率值为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。由此可见，采用长短计数时间结合测频法测量的振弦自激振荡频率更加可靠，也更加精确。

5 结束语

系统采用的粗精接合测频法，是一种全新的扫频激振与测频方法。粗略扫频时，该方法测频精度低但扫频速度快。此时，测频值只用于预测振弦的固有频率。通过计算，当激振频率与振弦的固有频率接近时，进入精确扫频阶段。在精确扫频阶段，增加测频时间以提升测频精度。此外，还采用了对多次有效测频数据取平均值等方法消除系统误差。经现场应用，证明粗精接合测频法是一种高效的单线圈振弦传感器数据采集方法，提升了测频精度。