基于振弦式传感器的压力测试学位论文

《传感器原理及应用》 创新性应用课题研究报告 题 目： 基于振弦式传感器的压力测试 学 院： 自动化工程学院 年级专业： 2012级电子信息科学与技术 姓 名： 杨晨灿 王怀祥 林晟玉 连智华 任课教师： 迟宗涛 2015年 12月 20 日 【中文摘要】 在大型土木工程的安全监测中,压力作为一个重要的参数,其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测,对于保障其健康、降低事故发生率有重要的意义。由于振弦传感器具有输出信号稳定、易检测等诸多优点,本文选用振弦式传感器,设计了一套电路结构简单、可靠性好、测量精度较高的压力检测系统。本文首先对常用的压力传感器进行了比较,阐述了选用振弦传感器的依据,分析了传感器的结构和工作原理,总结了振弦传感器压力检测中影响测量精度的主要因素,并提出了相应的解决措施。重点对传感器的激振方式进行了研究和优化,采用了反馈式的激振新方法,设计了合理的信号处理电路。本系统采用分布式采集方式,由数据采集系统、传感器组成,每一个数据采集系统可挂接多路传感器,能实现多点检测,选用了真正能独立工作的片上系统C单片机为处理器,设计了激振电路、测频电路、显示电路、串口通信接口等硬件电路。同时,本文也设计了完整的下位机软件,使硬件能正常的实现其检测功能。软件设计采用模块化的编程思想,C语言编写,结构清晰,容易移植,方便维护和升级。最后,针对电子电路系统中存在的干扰问题,在系统的硬件和软件上均进行了抗干扰设计,保证系统能正常地运行。通过一个多月的调试,本系统各个部分能正常的工作,测试结果表明,其测量精度有一定提高,运行较为稳定。此系统体积小,成本低,接口通用,适用于大多数振弦传感器,具有一定的工程应用价值。?振弦式传感器由于具有寿命长 、稳定性好 、精度高及信号便于检测等优点 ,一直受到业界的关注 ,并 广泛应用于煤矿 [ 1 ] 、大坝 [ 2 ] 和路桥 [ 3 ] 等场合进行压 力测量 。振弦式传感器容易受温度等因素的影响 , 所以 ,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿 [ 4 ] ,但是很少有人提到在电路系统中对其 他方面进行优化设计 。根据实际需要 ,笔者在系统 设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素 , 实现了对压力的高精度测量 。应用振弦式传感器并基于脉冲计数法进行压力测量可达测量精度受脉冲计数精度 、电路噪声及温度补偿 等多重因素影响 。介绍了一种成熟的设计方案 ,通过采用优化的扫频激励方式 、合理的脉冲计数方法 、低噪声信号 调理电路设计和有效的温度补偿等途径 ,获得了较高精度的压力测量值 ,是脉冲计数法测压场合的较好选择 。

本发明涉及监控技术领域，特别涉及一种振弦采集装置及方法。

在建筑工程技术领域中，一般通过振弦传感器的频率等参数来对建筑物或者构筑物的压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据进行监测。由于频率信号在传输过程具备很好的抗干扰特性，易于长距离传输的特点，振弦传感器在工程领域应用极为广泛。同时，由于监测对象相对固定，且监测周期较长。振弦传感器的结构至少包括激励线圈和振弦。例如中国专利公开号为cnu的实用新型专利。其中振弦可以为带有磁性的钢弦，也可以为磁铁。在振弦传感器在使用时，通过振弦采集装置在激励线圈加载固定值的电压信号，使激励线圈产生磁场使振弦产生动能而产生自由振荡信号。振弦式传感器振荡的固有频率存在一个大致范围，通常为400-4500hz。根据物理学中的共振原理，当作用到振弦传感器上的激励电压信号的频率与传感器振弦固有频率接近或相等时，振弦发生共振。其缺点在于，固定值的加载电压信号，导致加载到激励线圈的电源电压信号过高，则电源模块的功耗越大，导致电源模块的续航能力变差，很容易造成振弦采集装置耗尽电能而无法进行采集和传送任务的风险。另外，传统的无线传输模块在传送振弦信号的数据时，其功耗大，导致电源模块的电能迅速被耗尽，因此导致振弦采集装置的待机时间短、续航能力差，需要经常更换电源模块以完成自动采集和传送任务。另外，现有的振弦采集装置中未设备低功耗系统，系统占用电源能量较大，也导致振弦采集装置的待机时间短、续航能力差的问题。虽然现有的振弦采集装置，通常配备ups电源，但其续航能力还是未能满足长期监测需求。

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供了一种低功耗的振弦采集装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种振弦采集装置，包括传感器端口电路、激励信号产生电路、放大电路、微处理器、窄带物联网传输模块和电源模块；所述传感器端口电路包括n型第一晶体管和n型第二晶体管和振弦传感器的激励线圈，所述第一晶体管和第二晶体管均为双极型晶体管或者场效应晶体管，所述第一晶体管的漏极或集电极与所述激励线圈的一端连接，所述第一晶体管与激励线圈的公共交点为所述传感器端口电路的振弦信号输出端，所述激励线圈的另一端与所述第二晶体管的漏极或集电极连接，所述第二晶体管与激励线圈的公共交点为所述传感器端口电路的激励输入端，所述第一晶体管的源极或发射极接地，所述第二晶体管的源极或发射极接地，所述第一晶体管的栅极或者基极与所述微处理器的一个io端口连接，所述第二晶体管的栅极或者基极与所述微处理器的另一个io端口连接；所述微处理器的串行接口通过所述激励信号产生电路与所述激励输入端连接；所述振弦信号输出端通过放大电路与所述微处理器的io端口连接；所述微处理器通过io端口与所述窄带物联网传输模块连接；所述电源模块为所述激励信号产生电路、放大电路、微处理器和窄带物联网传输模块提供电源供给。

进一步的，本发明提供的振弦采集装置，所述微处理器为单片机、复杂可编程逻辑器件、数字信号处理器或现场可编程门阵列器件。

进一步的，本发明提供的振弦采集装置，所述放大电路为运算放大器或者功率放大器。

进一步的，本发明提供的振弦采集装置，所述激励信号产生电路为可调升压电路，所述可调升压电路包括升压芯片和数字电位器，所述升压芯片的电源引脚接电源，所述升压芯片的输出引脚通过第一电感和第一电容接地，所述第一电感与所述第一电容的公共交点为所述激励信号产生电路的输出端，所述升压芯片的控制引脚与输出引脚之间连接有第一电阻，所述升压芯片的控制引脚还连接所述数字电位器的一端，所述数字电位器的另一端为激励信号产生电路的控制端。

进一步的，本发明提供的振弦采集装置，所述升压芯片为boost升压电路。

为了解决上述技术问题，本发明的另一种技术方案是：一种振弦采集方法，如上述的振弦采集装置，所述微处理器通过断开第二晶体管、接通第一晶体管并控制激励信号产生电路由低到高逐级加载方波激励电压信号到所述传感器端口电路的激励输入端，使所述激励电压信号通过激励线圈、第一晶体管和地形成电流导通回路，电流经激励线圈后，使激励线圈产生磁场，该磁场使振弦传感器的振弦产生动能而使振弦传感器产生振弦信号；所述微处理器控制激励信号产生电路不提供方波激励电压信号给激励输入端，并断开第一晶体管、接通第二晶体管，使激励线圈通过第二晶体管和地形成电流导通回路，所述激励线圈与振弦的振动信号发生共振产生毫伏级交流电压信号，所述激励线圈上的毫伏级交流电压信号通过所述振弦信号输出端经放大电路放大后传递给微处理器，以使微处理器采集振弦传感器的振弦信号；所述微处理器通过窄带物联网传输模块将振弦传感器的振弦信号传送出去。

进一步的，本发明提供的振弦采集方法，所述微处理器嵌入有实时操作系统，在所述实时操作系统中设置功耗监控单元，负责统计微处理器的任务执行情况，当功耗监控单元监测到实时操作系统的任务不需要执行时，断开该任务与微处理器的连接，和/或断开该任务对应的电路的电源的连接。

进一步的，本发明提供的振弦采集方法，所述实时操作系统中设置休眠唤醒单元，初始时，所述微处理器为工作模式，所述振弦采集装置执行振弦信号采集任务和/或传送任务；当休眠唤醒单元被触发后，所述微处理器进入休眠模式，所述振弦采集装置不执行振弦信号和/或传送任务；当休眠唤醒单元被再次触发后，所述微处理器唤醒为工作模式，所述振弦采集装置恢复执行振弦信号和/或传送任务。

进一步的，本发明提供的振弦采集方法，所述休眠唤醒单元为通过所述微处理器内部的定时器形成的自动休眠唤醒单元。

进一步的，本发明提供的振弦采集方法，所述休眠唤醒单元为由外部触发电路连接所述微处理器的io端口形成的手动休眠唤醒单元。

本发明提供的振弦采集装置及方法，将传感器端口电路的激励输入端的激励信号采用激励信号产生电路输出的方波激励电压信号，并且将方波激励电压信号由低到高逐级加载到激励输入端，保证激励线圈获得磁场对振弦完成激励的同时，不必输入过高的激励电压信号给激励输入端，电源模块的能量损耗较少，避免了能量的浪费，降低了功耗。本发明采用窄带物联网传输模块进行数据的传输，相比于现有技术中的其它无线传输模块具有聚焦小数据量、小速率的优点，因此可以降低功耗，提高电源模块的续航能力。因此，本发明适用于长期监测的需求。

图1是本发明实施例的振弦采集装置的电路原理图；

图2是本发明实施例的激励信号产生电路的电路原理图；

图3是振弦信号波形图；

图4是激励线圈采样的交流电压信号的波形图。

图中所示：100、振弦采集装置，110、传感器端口电路，120、激励信号产生电路，130、放大电路，140、微处理器，150、窄带物联网传输模块，160、电源模块。

下面结合附图对本发明作详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种振弦采集装置100，包括传感器端口电路110、激励信号产生电路120、放大电路130、微处理器140、窄带物联网(narrowbandinternetofthings，nb-iot)传输模块150和电源模块160。

其中所述传感器端口电路110包括n型第一晶体管t1和n型第二晶体管t2和振弦传感器的激励线圈l，所述第一晶体管t1和第二晶体管t2可以为双极型晶体管或者场效应晶体管，所述第一晶体管t1的漏极或集电极与所述激励线圈l的一端连接，所述第一晶体管t1与激励线圈l的公共交点为所述传感器端口电路110的振弦信号输出端b，所述激励线圈l的另一端与所述第二晶体管t2的漏极或集电极连接，所述第二晶体管t2与激励线圈l的公共交点为所述传感器端口电路110的激励输入端a，所述第一晶体管t1的源极或发射极接地gnd，所述第二晶体管t2的源极或发射极接地gnd，所述第一晶体管t1的栅极或者基极与所述微处理器140的一个io端口连接，所述第二晶体管t2的栅极或者基极与所述微处理器140的另一个io端口连接；所述微处理器140的串行接口spi通过所述激励信号产生电路120与所述激励输入端a连接；所述振弦信号输出端b通过放大电路130与所述微处理器140的io端口连接；所述微处理器140通过io端口与所述窄带物联网传输模块150连接；所述电源模块160为所述激励信号产生电路120、放大电路130、微处理器140和窄带物联网传输模块150提供电源供给。

本发明实施例提供的振弦采集装置100，所述微处理器140可以为单片机(mcu)、复杂可编程逻辑器件(cpld)、数字信号处理器(dsp)或现场可编程门阵列器件(fpga)。

本发明实施例提供的振弦采集装置100，所述放大电路130为运算放大器或者功率放大器。即可以为公知技术中的放大电路。

请参考图2，本发明实施例提供的振弦采集装置100，所述激励信号产生电路120包括但不限于可调升压电路，所述可调升压电路包括升压芯片121和数字电位器122，所述升压芯片121的电源引脚接电源vcc，所述升压芯片121的输出引脚通过第一电感l1和第一电容c1接地gnd，所述第一电感l1与所述第一电容c1的公共交点为所述激励信号产生电路120的输出端，所述升压芯片121的控制引脚ctrl与输出引脚vout之间连接有第一电阻r1，所述升压芯片121的控制引脚ctrl还连接所述数字电位器122的一端，所述数字电位器122的另一端为激励信号产生电路120的控制端。其中升压芯片121为boost升压电路。升压芯片121的控制引脚ctrl内部连接基准电压，通过微处理器140调节数字电位器不同的电阻值与第一电阻r1的分压与基准电压进行比较，以此来调节升压芯片121输出引脚vout的输出电压，以达到调节电压的目的。通过由第一电感l1和第一电容c1构成的lc传输网络加载到传感器端口电路110的激励输入端a。其中第一电感l1和第一电容c1均为储能元件，第一电容c1具有倍压和滤波的双重功能。

本发明实施例的激励信号产生电路120可以为其它高频开关电源，高频开关电源具有能量转化效率达到90-95％，工作频率较高，效率比传统升压电路高出10-20％。高频开关电源相比于其它模拟电源而言，还具有能量传输损耗少的优点。

本发明实施例还提供一种基于上述实施例的振弦采集装置100的振弦采集方法，所述微处理器140通过断开第二晶体管t2、接通第一晶体管t1并控制激励信号产生电路120由低到高逐级加载方波激励电压信号到所述传感器端口电路110的激励输入端a，使所述激励电压信号通过激励线圈l、第一晶体管t1和地gnd形成电流导通回路，电流经激励线圈l后，使激励线圈l产生磁场，该磁场使振弦传感器的振弦v产生动能而使振弦传感器产生振弦信号201，如图3所示，横坐标的t表示时间，纵坐标为振弦信号201的振幅，横纵坐标的交叉点为原点o，振弦信号201在横坐标的一个周期的倒数为频率信号。所述微处理器140控制激励信号产生电路120不提供方波激励电压信号给激励输入端a，并断开第一晶体管t1、接通第二晶体管t2，使激励线圈l通过第二晶体管t2和地gnd形成电流导通回路，振弦传感器的振弦v产生自由振荡信号，所述激励线圈l与振弦v的振动信号发生共振产生毫伏级交流电压信号202，如图4所示，横坐标的t表示时间，纵坐标为交流电压信号202的振幅，横纵坐标的交叉点为原点o，该交流电压信号202的相位与振弦v的振弦信号201相反，周期相同、频率相同。所述激励线圈l上的毫伏级交流电压信号通过所述振弦信号输出端b经放大电路130放大后传递给微处理器140，以使微处理器140采集振弦传感器的振弦信号；所述微处理器140通过窄带物联网传输模块150将振弦传感器的振弦信号传送出去。本发明实施例的传感器端口电路110在同时接通第一晶体管t1和第二晶体管t2时，激励线圈l的两端均接地gnd，则加载到激励线圈l上的瞬时高压信号或静电信号通过晶体管和地gnd释放，从而对振弦采集装置100起到静电释放保护作用。

请参考图3和图4，由于振弦信号201在自由振荡后，其在正半周期和负半周期的振幅的绝对值相同，因此为了进一步降低功耗，可以选择在振弦信号201的负半周期或正半周期为参考进行采集振弦信号，在振弦信号201的正半周期或者负半周期输入方波激励电压信号。例如在振弦信号201的正半周期输入方波激励电压信号时，在共振后相位相反的交流电压信号202的正半周期采集振弦信号，其等同于在振弦信号201的负半周期采集振弦信号。由于一直在振弦信号201的正半周期施加方波激励电压信号，因为振弦v需要积累能量，直到获得足够的能量产生振荡后，在激励线圈l才能获得共振后的微弱的交流电压信号202，因为振弦v的固有频率和施加的外界强迫振动的频率基本不一致，所以输入的方波激振电压信号的频率在一段频率范围内是变化的，振弦v会在这段频率里挑选与其接近的积累能量然后产生振荡。本发明实施例通过激励线圈l的两端分别设置激励输入端a和振弦信号输出端b，保护了毫伏级交流电压信号202的信号处理系统。避免了激励输入端a和振弦信号输出端b在同一端口时，由于激励输入端a的方波激励电压信号一般高于电源vcc而损坏放大电路、微处理器等信号处理电路的风险的发生。

本发明实施例提供的振弦采集装置100及方法，将传感器端口电路110的激励输入端a的激励信号采用激励信号产生电路120输出的方波激励电压信号，并且将方波激励电压信号由低到高逐级加载到激励输入端a，保证激励线圈l获得磁场对振弦完成激励的同时，不必输入过高的激励电压信号给激励输入端a，电源模块160的能量损耗较少，避免了能量的浪费，降低了功耗。微处理器140中设置记忆机制，能够记住触发振弦发生振动的方波激励电压信号的数值范围，从而在后续振弦信号采集过程中使用该方波激励电压信号的数值范围，以降低能量的损失，降低功耗。本发明实施例采用窄带物联网传输模块150进行数据的传输，相比于其它无线传输模块具有聚焦小数据量、小速率的优点，因此可以降低功耗，提高电源模块160的续航能力。特别适用于一些不能经常更换电池的设备和场景。窄带物联网传输模块150聚焦小数据量、小速率应用，窄带物联网传输模块150因此设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。因此，本发明实施例适应于长期监测的需求。

为了进一步降低功耗，本发明实施例提供的振弦采集方法，所述微处理器140嵌入有实时操作系统，在所述实时操作系统中设置功耗监控单元，负责统计微处理器140的任务执行情况，当功耗监控单元监测到实时操作系统的任务不需要执行时，断开该任务与微处理器140的连接，和/或断开该任务对应的电路的电源的连接。实时操作系统能够实现多线程，在振弦信号采集过程中任何空闲的时间内，完成其他任务的处理，效率高，缩短采集过程的时间，降低功耗。

为了进一步降低功耗，本发明实施例提供的振弦采集方法，所述实时操作系统中设置休眠唤醒单元，初始时，所述微处理器140为工作模式，所述振弦采集装置100执行振弦信号采集任务和/或传送任务；当休眠唤醒单元被触发后，所述微处理器140进入休眠模式，所述振弦采集装置100不执行振弦信号和/或传送任务；当休眠唤醒单元被再次触发后，所述微处理器140唤醒为工作模式，所述振弦采集装置100恢复执行振弦信号和/或传送任务。其中所述休眠唤醒单元可以为通过所述微处理器140内部的定时器形成的自动休眠唤醒单元。所述休眠唤醒单元也可以为由外部触发电路连接所述微处理器140的io端口形成的手动休眠唤醒单元。本发明实施例采用休眠唤醒机制，休眠状态下电流7微安,唤醒作用几十毫安，而该装置只有在通讯状态下各模块才处于唤醒状态，功耗进一步降低。

本发明实施例提供的振弦采集装置及方法具有超低功耗的特点，只需配备普通干电池就可实现长期监测，低功耗保证了整个装置的长期高效稳定运行。从而该装置具有良好的应用前景，适应推广应用。

本发明不限于上述具体实施方式，凡在本发明的精神和范围内所作出的各种变化，均在本发明的保护范围之内。