振弦式傳感器用于動態(tài)測試的可行性分析＊

徐承軍 羅 東 常亞瓊

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

自振弦式傳感器發(fā)明以來，一直受到工程界的重視，由于其自身特殊的工作機理和優(yōu)越性，目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．振弦傳感器是基于鋼弦頻率隨張力的變化而變化的原理而工作的，與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計等其他傳感器相比，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在［1］：（l）振弦傳感器以振弦頻率的變化量來表征受力的大小，因而具有良好的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力．相對于電阻應(yīng)變計等傳感器的模擬量輸出來說，能更為簡單方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲，實現(xiàn)高精度的自動測試．（2）從目前工程現(xiàn)場的測試要求和惡劣環(huán)境來看，由于振弦傳感器自身獨特的結(jié)構(gòu)形式、工作方式以及安裝方式等原因，相對于其他傳感器來說，具有優(yōu)越的適應(yīng)環(huán)境的能力和長期穩(wěn)定性．有資料表明，目前振弦式傳感器的最長連續(xù)工作時間已經(jīng)達(dá)到了27 a．

此外，振弦式傳感器還具有受電參數(shù)影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動等優(yōu)點．目前振弦式傳感器主要應(yīng)用于巖土工程進(jìn)行靜應(yīng)力監(jiān)測，并且取得了很好的結(jié)果．大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)查閱表明，尚未發(fā)現(xiàn)其在結(jié)構(gòu)應(yīng)力動態(tài)測試中的應(yīng)用．

本文對振弦式傳感器的工作原理進(jìn)行了研究，設(shè)計了基于振弦式傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力動態(tài)信號采集系統(tǒng)，并利用試制樣機與經(jīng)計量的信號測試分析系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析驗證．實驗分析結(jié)果初步證實了振弦式傳感器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力動態(tài)測試中的可行性，為其在結(jié)構(gòu)應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測的工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)．

1 振弦式傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1．1 硬件模塊

根據(jù)振弦式傳感器的工作原理，采用目前較為成熟的單片機89C51芯片［2］，利用該芯片的I／O口實現(xiàn)對附加電路的控制和信號的采集等功能．以該芯片內(nèi)的計數(shù)器作為計數(shù)單元，對鋼弦傳感器頻率信號計數(shù)，并進(jìn)行分析處理．利用單片機的I／O口對傳感器觸發(fā)電路進(jìn)行控制，發(fā)高壓脈沖觸發(fā)傳感器，采集傳感器信號．由于試驗樣機利用的單線圈振弦式傳感器，在單片機的外圍電路中采用光耦電路來實現(xiàn)對激勵環(huán)節(jié)和采集環(huán)節(jié)的切換．

對于頻率測量模塊來說，傳感器每2 ms輸出一次測量結(jié)果，因而動態(tài)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)量很大，不適合使用ASCII碼通信，因而在此改用了二進(jìn)制碼以減小數(shù)據(jù)量．系統(tǒng)設(shè)計的通信數(shù)據(jù)格式見表1．

表1 通信數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)的通信方式則使用目前比較成熟的串口通信，設(shè)置波特率為115 200 bit／s，這樣也便于和其他控制通信設(shè)備進(jìn)行對接．

1．2 軟件模塊

上位機軟件和系統(tǒng)界面選用目前做常用的軟件編程工具VC6．0來完成．其架構(gòu)見圖1．

圖1 軟件架構(gòu)模塊圖

軟件模塊由通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成．具體工作過程為：上位機發(fā)送接收從機的地址，等待接收從機的應(yīng)答信號，然后當(dāng)下位機接到開始信號后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過串口向上位機傳輸數(shù)據(jù)．上位機收到數(shù)據(jù)后，立即處理數(shù)據(jù)并記錄目前系統(tǒng)時間，同時做出應(yīng)力信號的時間歷程曲線圖，直到數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，按停止按鈕結(jié)束采集．

2 對比驗證

為了驗證振弦式傳感器動態(tài)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文使用經(jīng)專業(yè)校驗單位進(jìn)行過計量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定的“東華DHDA（5923＿1394）信號測試分析系統(tǒng)”（以下簡稱“比對系統(tǒng)”）來對其測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行對比．東華DHDA信號測試分析系統(tǒng)可使用金屬應(yīng)變片來進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試，具有較長的工業(yè)應(yīng)用背景．因此，使用該測試分析系統(tǒng)對振弦式傳感器動態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證分析，具有代表性和科學(xué)性．

2．1 試驗方法與步驟

試驗采用了懸臂梁來模擬機械的金屬結(jié)構(gòu)，傳感器的布置見圖2．

圖2 傳感器安裝示意圖

在懸臂梁根部同一截面的上、下表面分別安裝了振弦式傳感器與金屬應(yīng)變片，并連接振弦式傳感器動態(tài)采集系統(tǒng)試驗樣機和比對系統(tǒng)．待兩系統(tǒng)均調(diào)試準(zhǔn)備好后，同時開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．由于兩個測試系統(tǒng)分別位于同一截面的上下兩個表面，從理想狀況上來說，其采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該是大小相同，方向相反的，在應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線上應(yīng)顯示為衰減幅度和速度相同，而且幅值上下對稱的波形．

2．2 實驗數(shù)據(jù)

如圖3是比對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集曲線，圖4為振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集曲線，橫軸均為時間，縱軸為結(jié)構(gòu)應(yīng)變．以圖3為例，試驗開始較平穩(wěn)的階段為無載荷狀態(tài)，曲線中A點時刻開始施加載荷，A點到B點之間通過手工隨意施加緩慢交變載荷，B點時刻在懸臂端給予初始位移后突然釋放，使得懸臂梁進(jìn)行自由阻尼振蕩，由于阻尼使懸臂梁振幅逐漸減小，C點時刻重復(fù)施加緩慢交變載荷，然后再次自由振蕩，依次循環(huán)若干次．

圖3 比對系統(tǒng)時間應(yīng)變圖

圖4 振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集信號系統(tǒng)時間應(yīng)變圖

2．3 振弦式傳感器采集系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析

從肉眼直觀看來，上述2套系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)曲線具有很高的相似性，將其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行反相，并將兩曲線的橫軸變成相同的時間刻度，放到一個坐標(biāo)系下繪制出來，兩者的吻合性也明顯．為了從科學(xué)的角度驗證兩者的相似性，本文采用Matlab的互相關(guān)分析方法來進(jìn)行驗證［3］，從而確定振弦式傳感器采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性．

由于2個系統(tǒng)的采樣方式不同，因此兩組數(shù)據(jù)的采集點不是一一對應(yīng)的，所以在進(jìn)行相關(guān)性分析之前，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，使兩數(shù)據(jù)具有相同的步長和取值范圍，然后才能夠進(jìn)行相關(guān)性分析．

2．3．1 數(shù)據(jù)插值處理

數(shù)據(jù)插值是在離散數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上補插連續(xù)函數(shù)，構(gòu)成連續(xù)曲線，而這條連續(xù)曲線就可以通過全部要求的離散數(shù)據(jù)點［4］．它的原理是根據(jù)在有限離散點處的取值情況，估算出函數(shù)在其他點處的近似值．Matlab自帶數(shù)據(jù)插值處理的函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)插值計算的Matlab命令如下．

該命令用多項式技術(shù)計算實現(xiàn)一維插值．

式中：Y為函數(shù)值矢量；X為自變量取值范圍；xi為插值點的自變量矢量；method為插值方法選項．

Matlab實現(xiàn)一維插值共有4種方法：

臨近點插值：method＝＇nearest＇

線性插值：method＝＇linear＇

三次樣條插值：method＝＇spline＇

立方插值：method＝＇pchip＇or＇cubic＇

對于［min｛xi｝，max｛xi｝］外的值，Matlab使用外推的方法計算數(shù)值．

本文試驗中2種系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)都是離散值，用Matlab完成兩者數(shù)據(jù)插值的代碼如下：

A＝load（＇D：＼AA．txt＇）：%A 是振弦傳感器系統(tǒng)測得的值B＝load（＇D：＼BB．txt＇）：%B 是東華測試儀測得的值

ax＝ A（：，2）：

ay＝A（：，3）：

bx＝（0．000：0．005：162．79）＋0．15：

by＝－B（：，2）＊0．21：

plot（ax，ay，bx，by）：

xlabel（＇時間（s）＇），

ylabel（＇應(yīng)力（MP）＇）

： title（＇振弦式傳感器數(shù)據(jù)跟東華金屬應(yīng)變片數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)＇）：

legend（＇振弦式應(yīng)變計數(shù)據(jù)＇，＇金屬應(yīng)變片數(shù)據(jù)＇）：

ha＝1：0．001：19：

hb＝ha：

ta＝interp1（ax，ay，ha，＇linear＇）：

figure（2）：

subplot（3，1，1）：

plot（ha，ta）：

xlabel（＇時間（s）＇），ylabel（＇）：

title（＇插值后的振弦式傳感器數(shù)據(jù)＇）：

tb＝interp1（bx，by，hb，＇linear＇）：subplot（3，1，2）：

plot（hb，tb，＇g＇）：

xlabel（＇時間（s）＇），

ylabel（＇應(yīng)力（MP）＇）

：title（＇插值后的金屬應(yīng)變片數(shù)據(jù)＇）：

subplot（3，1，3）：

plot（ha，ta，hb，tb）：

xlabel（＇時間（s）＇），ylabel（＇應(yīng)力（MP）＇）：

title（＇插值后振弦式傳感器數(shù)據(jù)跟東華金屬應(yīng)變片數(shù)據(jù)＇）：

legend（＇振弦式應(yīng)變計數(shù)據(jù)＇，＇金屬應(yīng)變片數(shù)據(jù)＇）：

圖5a）是應(yīng)用Matlab繪制的振弦式傳感器采集系統(tǒng)與比對系統(tǒng)獲得的原始數(shù)據(jù)曲線．為了便于進(jìn)行相關(guān)性分析，對利用振弦式傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了幅值反向．圖5b）從上至下分別是用Matlab插值后繪制的振弦式傳感器數(shù)據(jù)曲線、比對系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線以及兩者在同一坐標(biāo)下的曲線合并．

圖5 兩采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)曲線

2．3．2 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

在信號分析里，互相關(guān)分析主要分析的是兩個時間序列之間的相關(guān)程度．在進(jìn)行互相關(guān)分析時，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)程度可以用他們的相關(guān)系數(shù)來表示．相關(guān)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)只是一個比率，無單位量綱，一般取小數(shù)點后兩位來表示．相關(guān)系數(shù)的絕對值表示相關(guān)的程度，正負(fù)號表示相關(guān)的方向［5］．相關(guān)系數(shù)跟相關(guān)程度的關(guān)系見表2．

表2 相關(guān)系數(shù)與相關(guān)程度對照關(guān)系表

下面是進(jìn)行互相關(guān)性分析的Matlab代碼：

［C，lags］＝ xcorr（ta，tb，＇coeff＇）；figure（3）；

plot（lags，C）；

xlabel（＇偏移個數(shù)＇），ylabel（＇互相關(guān)系數(shù)＇）；%x軸y 軸標(biāo)簽

title（＇A 和B 的互相關(guān)圖形＇，＇Color＇，＇r＇）；

2．4 結(jié)論

根據(jù)圖6所示結(jié)果，振弦式傳感器采集系統(tǒng)獲得的曲線與比對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0．952 7，超過了0．95，屬于高度相關(guān)，即振弦式傳感器所采集到的數(shù)據(jù)與比對系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)非常相似．

圖6 2組數(shù)據(jù)的互相關(guān)曲線

3 結(jié)束語

本文通過Matlab對測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，表明所研制的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可行，如實反映了結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力．此外據(jù)資料統(tǒng)計，港口機械鋼結(jié)構(gòu)的振動頻率一般在10 Hz左右［6］，而本文設(shè)計的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率可達(dá)到200 Hz以上，因此，本振弦式傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足港口機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)力檢測的要求．

［1］鄧鐵六，趙勝利，趙振遠(yuǎn)，等．高準(zhǔn)確度振弦式傳感器研究［J］．山東科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（1）：52－57

［2］遲欽河，趙仲生，喬桂芳，等．89C51單片機在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．自動化儀表，2000，21（6）：33－39．

［3］劉文白，徐海俠．砂土宏觀力學(xué)特性與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性試驗研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011，35（4）：683－686．

［4］陳海龍，李 宏．基于 MATLAB的偽隨機序列的產(chǎn)生和分析［J］．計算機仿真，2005（5）：98－100．

［5］莊楚強 吳亞森，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)［M］．3版．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006．

［6］徐承軍．基于無線局域網(wǎng)的集裝箱碼頭機械調(diào)度系統(tǒng)的仿真、優(yōu)化與監(jiān)控［D］．武漢：武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，2007．