振弦式傳感器是目前應(yīng)力、應(yīng)變測量中較為先進的傳感器之一。振弦式傳感器的輸出是頻率信號,信號處理過程中無須進行A/D及D/A轉(zhuǎn)換,因此,抗干擾能力強,信號傳輸距離遠,而且對傳輸電纜要求低。另外,振弦式傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長等特點, 因而一直受到工程界的關(guān)注。在工程應(yīng)用中,振弦式傳感器可以埋入或焊接在被測試件上,基本不存在粘貼劑老化和脫落問題,具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。對于微小的被測力變化可產(chǎn)生較大的頻率變化,具有很高的靈敏度。
隨著現(xiàn)代電子讀數(shù)儀技術(shù)、材料及生產(chǎn)工藝的發(fā)展,振弦式儀器技術(shù)也不斷得以完善,成為新一代工程儀器的潮流,被廣泛應(yīng)用在建筑物基礎(chǔ)、大壩、橋梁、公路、核電站的水泥外殼等需要對受力、位移、微裂縫的測量中,還可以作為電子秤、皮帶秤、汽車秤等的關(guān)鍵傳感器。為了準(zhǔn)確測量應(yīng)力、應(yīng)變的變化,除了要研究振弦式傳感器的材料特性外,還必須解決振弦傳感器的激振和測頻讀數(shù)技術(shù)。
傳統(tǒng)的間歇激振方法
為了測量出振弦的固有頻率,必須設(shè)法激發(fā)弦振動。激發(fā)弦振動的方式一般有2種:1、連續(xù)激振方式。這種方式又分為電流法和電磁法,在電流法中,振弦作為振蕩器的一部分,振弦中通過電流,所以必須考慮振弦與外殼的絕緣問題。若絕緣材料與振弦熱膨脹系數(shù)差別大,則易產(chǎn)生溫差,影響測量精度,連續(xù)激振容易使振弦疲勞。2、間歇激振方式。振弦上裝有一塊小純鐵片,旁邊放置電磁鐵,當(dāng)電磁鐵線圈通入脈動電流i后,電磁鐵的磁性大大增強,從而吸住小鐵片(振弦);當(dāng)線圈中無電流流過,電磁鐵就釋放振弦。如此循環(huán)激振,弦就產(chǎn)生振動。要維持弦持續(xù)振動,就應(yīng)不斷地激發(fā)振弦。即電磁鐵每隔一定時間通過一次脈沖電流,使電磁鐵定時地吸引振弦,故須在電磁鐵的線圈通以一定周期的脈沖電流。當(dāng)停止激振時,由于慣性的作用,振弦繼續(xù)做阻尼振動,電磁鐵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng)電動勢的頻率與弦的阻尼振動頻率相等。這樣可由輸出電勢的頻率測得振弦的固有振動頻率。
一般的單線圈振弦式傳感器的固有頻率范圍是400Hz~4500 Hz之間,其輸出頻率隨所受壓力的變化而變化。若掃頻信號的頻率范圍是400 Hz~4500 Hz,需要掃頻的時間長、激振效果差、可控性差。為了減少掃頻時間,提高測量速度,根據(jù)振弦傳感器的輸出頻率范圍設(shè)置不同的掃頻頻段。其方法是:由參數(shù)輸入電路輸入掃頻信號頻率的上限值fmax和下限值fmin,以及相鄰2個掃頻信號頻率的差值Δf,這些參數(shù)存儲在單片機的片內(nèi)EEPROM中。這樣,輸出的掃頻信號很有針對性,輸出的激振頻率可控性好。這些正是該掃頻激振技術(shù)的突出優(yōu)點。
對于多通道振弦傳感器的選擇和隔離是通過金屬化場效應(yīng)管固態(tài)繼電器實現(xiàn)的。當(dāng)選擇某一路傳感器時,其對應(yīng)的MOSFET固態(tài)繼電器導(dǎo)通,而其他路的MOSFET固態(tài)繼電器截止。雖然其他路傳感器的激振線圈通過MOSFET接在恒流激振電路的輸出端,但是MOSFET截止時的漏電流極小,處于高阻態(tài),因而不會對所選通路造成影響。另外,選通電路和恒流驅(qū)動電路是光隔離的,從而避免了選通電路和恒流驅(qū)動電路相互影響,進一步提高了掃頻激振電路的可靠性。
根據(jù)振弦式傳感器的特性,當(dāng)激振信號太強時,振弦會產(chǎn)生倍頻振動,由于倍頻成分的不同,使得同一傳感器獲得的頻率不同。采用了恒流弱激振的方法,調(diào)整激振電流的大小,使其能可靠激振振弦傳感器的基頻,而又遠離倍頻。恒流激振的另一個優(yōu)點是可以忽略傳感器引線電阻的影響。更多傳感器文章請見http://m.88889218.cn