振動梁信號自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬 俊,董雪冬,柳 艷

(青海師范大學(xué) 物理系，青海 西寧810008）

隨著電子信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，信號檢測技術(shù)[1-5]已得到了廣泛的應(yīng)用，但同時對現(xiàn)場信號實時動態(tài)的檢測也提出了更高的要求，尤其在一些極端條件下信號的檢測已成為科學(xué)研究的重要手段，這就要求能設(shè)計更準確、更高效的實時測量系統(tǒng)來完成對被測對象物理量進行實時動態(tài)檢測[6-7]和測量。本文以ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實驗臺為平臺，以振動梁為測試對象，利用振動梁上的應(yīng)變傳感器實時檢測振動梁的振動過程。給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖和各模塊之間的接口連接，通過調(diào)節(jié)實驗臺上音頻振蕩器的頻率，達到調(diào)制和改變振動梁的振動頻率。該系統(tǒng)可實現(xiàn)振動梁以不同頻率和幅度振動,利用RIGOL系列示波器可實時觀察振動波形。

1 振動梁信號自動檢測系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

振動梁信號的自動檢測硬件平臺主要由ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實驗主控臺、振動梁、應(yīng)變傳感器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器[8-9]等6部分組成。振動梁在音頻信號的調(diào)制下在豎直方向不斷往返振蕩，導(dǎo)致振動梁應(yīng)變片發(fā)生形變，應(yīng)變傳感器將該變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過全橋轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓，該電壓經(jīng)放大電路進行放大后，通過反相比例電路輸出到RIGOL系列示波器。同時音頻振蕩信號經(jīng)移相器移相后，在相敏檢波器對放大電路放大后的信號進行檢波，再經(jīng)過低通濾波器將波形輸出顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.1 應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)換電路

在電阻應(yīng)變式傳感器中，應(yīng)變計是敏感元件，它將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的相應(yīng)變化，本系統(tǒng)中利用全電橋電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓后，再由測量電路進行測量，其基本形式如圖2、圖3所示。

在圖2電橋電路中，根據(jù)戴維南定理可算出輸出電壓 UO為在預(yù)平衡狀態(tài)下(即 UO=0)， 各臂電阻滿足 R1×R3=R2×R4。通常電阻應(yīng)變片的檢測電路采用非平衡電橋，如圖3所示。由非平衡電橋電路的特性可知，在采用全橋差動輸入的情況下，其輸出電壓最大，且與電阻的變化成正比，還可以起到溫度補償?shù)淖饔谩?/p>

1.2 儀表放大器電路設(shè)計

儀表放大器用于微弱信號的放大，在振動梁信號的自動檢測中，被測振動梁信號通過傳感器檢測后被轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電信號并輸入放大器進行放大，由于傳感器的等效電阻受振動梁振蕩幅度和頻率的影響，它們隨振動梁振蕩變化而變化，這對于放大信號而言信號源內(nèi)阻Rs是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達式放大器的放大能力隨信號大小而變。為了保證放大器對不同幅值信號具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，必須使放大器的輸入電阻 Ri＞＞RS，Ri愈大，因信號源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差愈小。此外，從傳感器所獲得的差模小信號，其中含有較大的共模信號，其數(shù)值有時遠大于差模信號。因此，設(shè)計時要求放大器具有較強的抑制共模信號的能力。如圖4所示為放大器電路原理圖。

1.3 相敏檢波電路

相敏檢波電路具有鑒別調(diào)制信號相位和頻率的能力，判別被測量變化的方向，從而提高測控系統(tǒng)抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個參考信號，有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率，參考信號應(yīng)與所需解調(diào)的調(diào)幅信號具有同樣的頻率，采用載波信號作參考信號就能滿足這一條件，相敏檢波器是用來將高幅波還原成原來的信號波形，即起解調(diào)的作用，本系統(tǒng)中相敏檢波器電路原理圖如圖5所示。

1.4 移相器

線性時不變網(wǎng)絡(luò)在正弦信號激勵下，其響應(yīng)電壓、電流是與激勵信號同頻率的正弦量，響應(yīng)與頻率的關(guān)系可用向量形式的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來表示。在具體測量中，往往需要在某確定頻率正弦激勵信號作用下，獲得具有一定幅值、輸出電壓相對于輸入電壓的相位差在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的響應(yīng)（輸出）信號。這可通過調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)來實現(xiàn)，通常采用RC移相網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)該功能。若希望得到輸出電壓的有效值與輸入電壓有效值相等，而相對輸入電壓又有一定相位差的輸出電壓時，通常采用圖6(a)所示X型RC移相電路，為了便于分析，將原電路改畫成圖6(b)所示等效電路。

2 測量結(jié)果與討論

表1是音頻振蕩器輸出頻率改變時振動梁振幅相應(yīng)的變化情況。從表1可看出，當音頻振蕩器輸出頻率從2 Hz增加到28 Hz的過程中，振動梁振幅先增大后減小，在音頻振蕩器輸出頻率f=8 Hz時，振動梁振幅達到最大值Vo(P-P)=0.86 V。

表1 測量結(jié)果記錄

圖7(a)、(b)、(c)分別為音頻振蕩器輸出頻率等于2 Hz、8 Hz、24 Hz時通過 RIGOL系列示波器觀察到振動梁振動波形。通過波形圖也可清楚看到，當音頻振蕩器輸出頻率f=8 Hz時，振動梁振幅最大，該頻率也是振動梁的自振頻率。這表明當音頻振蕩器輸出頻率接近（等于）振動梁的自振動頻率時，振動梁振動波形振幅最大；當音頻振蕩器輸出頻率遠離振動梁的自振動頻率時，振動梁相應(yīng)的振動波形振幅較小。

以ZY13Sens12SB傳感器技術(shù)實驗臺為平臺，設(shè)計了振動梁信號自動檢測系統(tǒng)。通過設(shè)計各模塊部分接口電路，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的輸出頻率，記錄了振動梁的振動規(guī)律，同時利用示波器觀察振動波形幅值的變化規(guī)律。結(jié)果表明，振動梁的振動直接依賴于音頻振蕩器的輸出頻率，通過改變音頻振蕩器的輸出頻率可實現(xiàn)振動梁以不同頻率和幅度振動，達到了檢測振動梁自振頻率測量的目的。對于檢測和處理過程中存在一些信號失真的問題，有待于進一步改進和優(yōu)化電路，克服噪聲干擾。該系統(tǒng)對橋梁等振動檢測具有借鑒作用。

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