脉冲高压式振弦仪校准连接器的设计*

肖娜丽 / 福建省计量科学研究院

0 引言

振弦式频率读数仪（以下简称振弦仪）为振弦式传感器的测量仪表，根据激励方式分为脉冲高压式振弦仪、脉冲低压式振弦仪和扫频式振弦仪三类，其中，脉冲高压式振弦仪市场占有率最高。脉冲高压式振弦仪通过主动发出激励信号，测量工程用金属弦的自振频率，从而获取弦所受的拉力、应力、渗压、沉降等。该类仪器被广泛应用于水坝、隧道、公路、桥梁、矿井等建筑工程的安全监测及诊断，是促进工程建设安全生产的有力保障[1-3]。反之，若振弦仪计量不准确，将影响工程结构的安全性能评估，增加安全事故风险，故使用单位迫切需要对其进行有效溯源。

目前，国内外主要研究振弦应变传感器的校准方法[4-7]，关于脉冲高压式振弦仪校准方法的文献较少，且多采用低频信号发生器或函数信号发生器直接连接振弦仪的方式校准频率测量误差[8]。试验发现，脉冲高压式振弦仪向外界发送的激励信号幅值普遍超过40 V，有些甚至高达200 V，且激励信号往往高于低频信号发生器或函数信号发生器输出端的反向击穿电压。若将信号发生器与振弦仪的端子直接连接，校准频率测量误差，将影响信号发生器的正常工作，甚至损坏信号发生器。

为降低脉冲高压式激励信号的不良影响，目前，国内实验室在进行频率校准时主要采用两种仪器连接方式：一、关闭激励信号，信号发生器与振弦仪间串联50 μF/200 V无极性电容；二、若激励信号无法关闭，且激励信号幅值小于衰减器最大允许电压，信号发生器与振弦仪间串联隔直电容和可变衰减器[9]。然而，随着科技进步和仪器更新，上述两种连接方式不能完全适用于脉冲高压式振弦仪频率校准，因此，亟需一种更为有效的解决方案。

本文设计了一种校准连接器，接入信号发生器与脉冲高压式振弦仪之间，可有效保护信号发生器，保证校准工作的顺利进行。

1 脉冲高压式振弦仪激励信号的分析

首先，需对脉冲高压式振弦仪的激励信号进行分析。采用JJF 1401-2013《振弦式频率读数仪校准规范》的激励信号分析方法，对不同厂家不同型号的脉冲高压式振弦仪进行实验分析，连接图见图1。根据激励信号特性对电压幅值、上升/下降时间、脉冲间隔时间、脉冲类型等参数进行分析，结果见表1。由此可知，脉冲高压式振弦仪激励信号为正脉冲或负脉冲，且多为单脉冲和双脉冲，上升时间最长不超过5 μs，周期一般为1～4 s，可视为直流信号。因此，若采用简单串联隔直电容的校准连接器设计方案，虽然对信号发生器起到一定的保护作用，但同时也使脉冲高压式振弦仪进入断路状态，导致其无法启动仪器的频率读取功能。

表1 常见脉冲高压式振弦仪的激励信号参数

通过长期实践和原理分析可得，脉冲高压式振弦仪校准需要满足以下三个条件：1）不可将激励信号完全滤除，否则将导致脉冲高压式振弦仪无法启动频率读取功能；2）低频信号发生器（或函数信号发生器）一般能承受2 V以下的反向输入电压，故需将激励信号衰减至2 V以下，确保信号发生器的正常工作；3）确保脉冲高压式振弦仪接收的标准信号不失真。

2 基于瞬态抑制的校准连接器

基于以上分析，提出了一种解决方案，即在信号发生器和脉冲高压式振弦仪之间接入基于瞬态抑制的校准连接器，该校准连接器需具备以下功能：1）为确保信号发生器正常工作，脉冲高压式振弦仪的激励信号通过校准连接器后幅值有效降低到合理范围；2）从信号发生器发出的标准信号经过校准连接器后频率准确度无明显变化，校准框图见图2。

图2 校准框图

为达到以上设计目标，校准连接器采用瞬态抑制电路加衰减器的设计思路，利用双向瞬态抑制电路将激励信号限位在7 V左右，配合后级的可变衰减电路，将激励信号衰减至1 V以下，从而达到有效保护信号发生器的目的。同时，电路采用全电阻设计，确保信号发生器输出至脉冲高压式振弦仪端的信号不失真，频率准确度不降低。

2.1 瞬态抑制电路

瞬态抑制二极管是一种高效率保障器件，两极受反向瞬态高能量影响时，能以极快的速度将两极间的高阻抗转变为低阻抗，使两极间的电压限位处于一个预定值，具有响应时间极快、瞬态功率大、漏电流小、无损坏极限等优点[10]。瞬态抑制二极管分为单向二极管和双向二极管[11]，通过表1可知，脉冲高压式振弦仪的激励信号为正脉冲或负脉冲，故瞬态抑制电路选用双向瞬态抑制二极管。SMBJ5.0CA双向瞬态抑制二极管可承受200 V以上的反向电压，响应速率小于1 ps，限位电压7 V左右[12]，适用于本文提出的瞬态抑制电路设计。基于激励信号的特点，在选择负载电阻时需要考虑大功率电阻，且阻值相对大，限位后的波形突变小、峰顶更为平滑、幅值也更为稳定，故拟采用50 W、2 kΩ的负载电阻。

2.2 可变衰减电路

本文拟设计可变衰减电路，为避免换挡时由于旋钮触点接触不良引起电路中断，故采用可变桥T形衰减器电路原理进行设计，其结构见图3。电路中Rc为固定电阻，确保电路不中断，设置两个可变化部分，用于调节衰减量。本文设计的衰减电路各档衰减量分别为10 dB、20 dB、30 dB，特性阻抗Rc为50 Ω，便于试验人员根据实际需求调整衰减比例。当衰减量为10 dB时，根据公式计算电压比 。同理可得，当衰减量为20 dB时，N2为10；当衰减量为30 dB时，N3为31.62。特性阻抗Rc为50 Ω，计算各档电阻值：

图3 可变桥T形衰减器电路结构

2.3 基于Multism的电路仿真与验证

根据以上计算所得数据，利用Multism软件对电路进行优化仿真[13]，确认最终电阻值，其电路设计图见图4。当R11、R21、R22、R23接入电路，衰减量为10 dB；当R11、R12、R22、R23接入电路，衰减量为20 dB；当R11、R12、R13、R23接入电路，衰减量为30 dB。

图4 基于瞬态抑制的校准连接器电路

对仿真的校准连接器电路进行验证，确认其是否有效降低激励信号幅值。用200 V、0.5 Hz、占空比为1%的矩形波模拟脉冲高压式振弦仪的激励信号，校准连接器电路衰减量设为20 dB，激励信号经过校准连接器后，仿真结果如图5所示。由图5可知，信号发生器通过校准连接器连接脉冲高压式振弦仪，信号发生器端接收到激励信号的脉冲峰值降至500 mV左右，不会对信号发生器产生损坏，达到保护信号发生器的预期效果。

图5 Multism仿真结果

3 校准连接器的验证

为确认校准连接器的有效性、稳定性及适用范围，需对激励信号衰减效果和标准信号频率准确度开展试验验证。

3.1 激励信号衰减的验证

为验证校准连接器对激励信号的衰减效果，选用一台典型的脉冲高压式振弦仪，分析其激励信号经过校准连接器前后的幅值变化情况。采用DPO7254C型数字示波器监测一台609型脉冲高压式振弦仪，其未接校准连接器时的激励信号见图6，由图6可知该激励信号为双脉冲信号，幅值Vmax为167 V，周期T为3.4 s。经校准连接器接入后，示波器显示该激励信号衰减为512 mV，达到信号发生器输出端接收到的反向输入电压不高于2 V的设计目标，如图7所示。

图6 未接校准连接器的激励信号

图7 经校准连接器后的激励信号

为验证校准连接器的适用范围和稳定性，在3 a内在不同时间对不同型号的脉冲高压式振弦仪开展试验，激励信号均能衰减至500 mV左右，部分分析数据如表2所示。由此可见，基于瞬态抑制的校准连接器适用于不同型号的脉冲高压式振弦仪。

表2 校准连接器接入前后激励信号幅值比较

3.2 标准信号频率准确度的验证

对由不同测量装置得到的测量结果进行比对，可以判断不同装置测量结果的一致性，并据此评判各装置的有效性。本文通过比对信号发生器与频率分析仪之间校准连接器接入前后频率相对偏差情况，进而验证校准连接器的有效性。本文选用TFG6940A型函数信号发生器（频率准确度为5×10-8）输出1 000 Hz、1 V的正弦信号，采用外接铷原子频率标准的CNT-91型频率分析仪（频率准确度为5×10-11）分析校准连接器接入前后的频率相对偏差，结果见表3。

表3 校准连接器接入前后频率相对偏差

以校准连接器接入前的测量结果为参考值，由表4计算En值，结果如下：

表4 校准连接器接入前后频率相对偏差值结果比对

由此可见，En值小于1，校准连接器接入前后的比对结果为满意，验证了校准连接器的接入能满足不降低标准信号频率准确度的要求。

4 结语

本文提出的一种基于瞬态抑制的校准连接器，用于脉冲高压式振弦频率读数仪的校准连接。该校准连接器主要由双向瞬态抑制电路和衰减电路组成，利用Multism软件进行电路设计与仿真，并通过试验验证其有效性、稳定性及适用范围。基于瞬态抑制的校准连接器具有易实现、操作简单、频率高保真、适用范围广等优点，不仅解决脉冲高压式振弦仪的溯源问题，也为其他类型的振弦仪的校准工作提供有利保障。