振弦传感器读数仪的改进设计

杜 锋，范英龙

（淮安信息职业技术学院 电子工程学院，江苏 淮安 223003）

1 项目背景

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性。振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TE蕴EMA蕴、美国的SINCO等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。

2 改进方案

谐振式压力传感器被更多的应用在工程中。这种传感器利用压力的变化来改变谐振频率，从而通过频率的变化来间接的测量压力。因为在工作时要产生振动，所以称为振弦传感器，现阶段的振弦传感器多以便携式为主题，因此不便用于较大的工程进行实时的测量。

（1）所用振弦传感器特点简介。振弦传感器输出频率信号，而频率时能获得很高测量精度的信号，并且适用于长距离传输也不会降低其精度。振子的阻尼小，谐振响应曲线十分窄，振子振动时，它的结构内部具有一定的阻尼，需要消耗能量，从而需要外部施加激励。

（2）系统改进措施。振弦传感器改进系统主要有以下4个方面：①振弦传感器信号处理电路及数据采集电路。在恶劣的环境下工作，确保数据准确性；于软、硬件补偿外界对仪器的影响。主要是温度的补偿，振弦受温度有一定的影响；③中央控制部分、人为调节部分和显示部分；④GPRS通信模块添加和开关电路的革新，GPRS模块实现无线远程的监控，开关电路实现低功耗。

3 硬件设计

监测仪器的硬件组成包括：模拟信号输入部分、信号处理部分、通讯部分和人机交互部分。但每一部分的具体实现方法结合仪器所需完成的功能、成本及相关技术的发展与成熟程度等因素综合考虑。此振弦传感器读数仪改进主要对所得数据进行在线监测，实时传输，对监测点进行全天候的监测。总体模块有振弦传感器的激励设计、信号处理、温度补偿电路、按键模块、显示模块以及通讯模块。总体设计如图1所示。

图1 振弦传感器硬件设计

（1）信号调理电路设计。信号采集分为两路：一路是温度，另一路是频率信号的采集。主要采用图像识别法：①温度补偿电路是在传感器中封装一个热敏电阻，通过恒流源向热敏电阻提供恒定电流，在电阻两端产生电压降，此电压经过放大电路，缓冲电路进入A/D。经测量电阻电路，求出热敏电阻的实际阻值，再由热敏电阻的温度特性完成阻值到温度的转换；于要使振弦传感器输出频率信号，首先通过激振电路对弦进行激励。由MCU发送PWM脉冲，进过DC/DC倍压电路升压，产生好压脉冲使之振动，当激振电压升至5伏时可控硅触发，当脉冲信号加至线圈时产生磁场，使振弦振动，被激励的振弦通过感应线圈振动转换成衰减的正弦波信号输出。检测电路将振荡信号进行放大、整形和滤波，得到标准的方波信号，将该信号送至MCU测取频率。

（2）GPRS通信设计。首先编写串行口驱动层。它实现打开串口、关闭串口、读串口数据，写串口数据等函数，然后在这些串口函数基础上编写GPRS模块的驱动函数。单片机控制GPRS模块进行拨号、设置等操作。打开GPRS的DTU模式，进行网络数据传输，把所测数据传输到监测点，实现远程监测，监测点给予命令开始仪器的开始或停止工作。

（3）软、硬件协调工作的冷启动控制电路。按键启动，软件实现开关自锁，按键关机，软件实现开关解锁，实现系统电路完全断电，降低系统功耗。

4 软件设计

图2 程序设计

系统程序设计采用结构化的设计方法，这种设计有利于软件的调试和维护。根据设计要求对数据测量、数据无线传输、数据显示和按键开关进行系统设计，下位机主要实现数据采集、传输和按键开关。上位机则负责处理数据、显示数据和发送命令。使用STM32单片机作为MCU，对GPRS进行编写通信协议，控制振弦传感器的数据进行传输，因STM32单片机功耗低，处理速度快捷。主要的程序设计：首先对频率信号进行读取，经过A/D转换读取温度值进行数据上的补偿，通过PWM产生激励脉冲。其次，开关按键的软件设计，软、硬件结合使用设置其为冷启动。然后初始化GPRS模块，打开通信协议，把监测数据实时传输到上位机。上位机进行监测数据和发送命令。具体步骤如图2所示。

5 结语

应用单片机技术，设计的振弦传感器的控制单元，实现脉冲触发、数据采集、测量接收移动数据传输。根据振弦传感器的工作原理，设计了信号调理电路，并利用了相关应用做了测试。由于振弦传感器的精度受温度的影响，故而设计了温度补偿电路，提高了系统测量精度。人机交互友好，使监测更具效率。GPRS数据通讯，实现了数据的远距离测控，增强实时性。开关作冷启动设计，降低了系统功耗。综上所述，振弦传感器具有良好的应用价值，便于多种情况下应用，可以适用于恶劣的环境中，提高监测的效率。

［1］ 张晓群，吕惠民.压力传感器的发展、现状与未来［J］.半导体杂志，2000，（1）.

［2］ 钱占军，李彤.振弦式压力传感器数据采集接口设计［J］.测井技术，1994，（6）.

［3］ 刘广玉.传感器的现状和未来［J］.测控技术，1999，（3）.