地災預警系統中的多通道振弦讀數儀的設計

羅 群，曾國強，黃 銳，譚承君，劉璽堯

（成都理工大學 核技術與自動化工程學院，成都 610059）

在野外地質災害監測中，監測傳感器的位置通常比較分散，傳統電流型或者電壓型輸出信號易受電纜長度的影響，導致信號被衰減。振弦式傳感器輸出的是頻率信號，抗干擾能力強，適用于遠距離傳輸測量信號，因而振弦傳感器被廣泛采用，常見的有土壓力計、孔隙水壓力與應變計等。振弦傳感器基本原理[1]是繃緊的鋼弦被放置在磁場中由信號激勵后產生自由振蕩（即共振），共振的鋼弦同時切割磁力線在拾振線圈中感應出電動勢，測得感應電動勢的頻率即可測得鋼弦的共振頻率。鋼弦的共振頻率與其長度、材料、直徑以及內部應力具有確定的函數關系，當傳感器被制成后，長度、材料、直徑都被固定，測得電動勢的頻率便可知鋼弦受力變化。本文依托于某野外地質災害監測項目設計的振弦讀數儀，現在已投入使用，效果良好。

1 系統結構及工作原理

振弦讀數儀的設計主要涉及三個模塊，即振弦傳感器的激勵模塊、共振信號的拾取與頻率測量模塊、野外環境溫度的測量模塊。振弦傳感器的激勵方式[2]主要分為連續激振與間歇激振兩種。本文選擇的是間歇激勵方式，系統產生激振高壓脈沖施加到激振線圈，內部鋼弦產生振動，高壓脈沖過后，自由振動的鋼弦切割磁力線從激振線圈中輸出微弱（uV）的衰減正弦波，持續時間1 s左右，經后級濾波、放大后整形成同頻方波，再利用ARM處理器脈沖邊沿捕捉技術測量信號頻率，本文選擇這種方式。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 多通道振弦讀數儀結構框圖Fig.1 Structure diagram of multi-channel vibrating wire readout

從圖1中看出，該振弦讀數儀主要構成部分有激振電路、信號調理電路、溫度測量、高速ARM控制器以及一些外部接口。激振電路產生激勵電壓，ARM控制器來控制整個激勵、測量的過程。ARM控制器通過控制耐高壓PMOS管來加載激勵電壓到傳感器，大約10 ms后關閉激勵電源，傳感器內部鋼弦自由振蕩切割磁力線在激勵線圈中耦合出微弱衰減正弦波，該信號再經過信號處理電路濾波、放大、整形成同頻方波，供ARM控制器測頻。多數振弦傳感器內部都封裝有熱敏電阻，該振弦讀數儀設置有高精度四線制電阻測量電路，測量出電阻值后，再利用線性插值法擬合出環境溫度。ARM控制器連接SPI接口或者UART接口將測量結果發送至PC機或者其他設備。

2 激振電路

激振電路產生激勵高壓電源，并結合多路耐高壓激振切換開關在ARM控制器的作用下完成多路傳感器的輪流激振。

2.1 高壓電源變換電路

高壓電源變換電路的作用是為振弦傳感器提供起振電源，其電路圖如圖2所示。

圖2 高壓電源變換電路Fig.2 High-voltage power conversion circuit

該振弦讀數儀傳感器起振電壓為+32 V，采用集成升壓芯片LT1930完成[3]。LT1930是工業級高效率SOT-23封裝開關電源調節芯片，具有輸出電流1 A和工作頻率1.2 MHz的特性，輸出級設計了由C42、C43、L7、Q4、C40 構成的電子濾波器，大大降低了激勵電源的紋波。同時，利用該芯片自帶的電源關斷功能，在成功激勵振弦傳感器后，迅速關斷該芯片，從而減小該DC-DC芯片工作給地線帶來的噪聲干擾，提高振弦讀數的精度。

2.2 多路振弦激振切換開關

圖3所示為耐高壓多路振弦激振切換開關，圖中給出了通道1的詳細原理圖，其余通道與通道1相同。本文采用對每個振弦傳感器輪流激振的方式[4]實現多路振弦信號的激勵，采用的是耐高壓的PMOS管實現高壓的輪流切換起到對振弦傳感器激振的效果。VIB_PWR為激振電壓輸入，經耐高壓PMOS管Q9給傳感器提供激振電源。R23、Q35、R29、Q5組成Q9開關驅動電路，減少開關損耗。具體起振過程為，端口V_S1輸出高電位，Q5飽和導通，PMOS管Q9導通，通道1傳感器被激勵起振，其余通道激振方法相同。為節約端口，V_S1～V_S8采用74HC164串并轉換芯片輸出。

圖3 多路振弦激勵切換開關電路Fig.3 Vibrating multi-channel excitation switch circuit

3 信號調理電路

3.1 多通道前置信號處理保護電路

圖4為多路前置信號處理保護電路圖。由于激勵電源為高壓信號，因此為了保證后級放大器的安全，需要有合適的前置信號處理及保護電路。電容C27耦合出拾振信號，并與R12、R15、C25組成帶通濾波電路，帶寬約為 338 Hz～10 kHz，對拾振信號進行初級濾波。D1為低泄露雙二極管，將輸出信號限幅在±5 V以內。

3.2 多級信號處理電路

多級信號處理電路的作用即是對拾振信號濾波放大，并整形成便于ARM測頻模塊處理的脈沖信號。其主要由多路模擬開關、差分儀表放大電路、高級有源帶通濾波電路以及高速比較器構成。其中模擬開關電路配合多路振弦激振切換開關使用，模擬開關選擇的通道與振弦切換開關激振通道相同，用以實現多通道測量功能。差分儀表放大器實現振弦拾振信號一級放大，采用差分放大的優勢是可以盡可能地提高信噪比，抑制工模噪聲與地線噪聲。經過儀表放大器后的振弦激勵信號中包含有環境中的工頻噪聲，電路板自身噪聲，而且振弦激勵信號本身非常微弱，因此必須設計性能優異的有源帶通濾波器，濾除干擾噪聲，只保留有用信號。高速比較器將經過帶通濾波后的振弦激勵信號變換為方波信號，便于頻率的測量。有源帶通濾波電路如圖5所示，其它信號處理電路此處省略。

濾波電路由一級開關電容濾波器和四級二階壓控電壓源高通[5]濾波電路構成。開關電容濾波器LTC1569完成，濾除高頻噪聲。LTC1569是截止頻率可調的10階低通濾波器[6]，具有線性相位、高DC準確度的特性，最大截止頻率可達300 kHz（5 V供電）。它有很低的失調電流、漂移電流和偏置電流，并具有很快的動態范圍。截止頻率為

圖4 多路前置信號處理保護電路圖Fig.4 Multi-channel pre-signal processing circuit protection

圖5 多級有源帶通濾波放大電路Fig.5 Multi-stage active bandpass filter amplifier circuit

其中：REXT=13.3 kΩ，故 Fp=6 kHz；

以第一級二階壓控電壓源高通濾波電路[5]為例，其歸一化后的傳遞函數為

4 四線制電阻測量電路

該振弦讀數儀通常跟隨地質災害監測預警系統安裝在野外，野外工作環境惡劣，晝夜溫差大。不管哪種振弦式傳感器其內部鋼弦固有頻率都會受到溫度的影響而發生變化，因此大多數振弦式傳感器內部都封裝有熱敏電阻，可以精確測量該熱敏電阻的阻值換算為溫度，再通過溫度補償公式消除溫度的影響，從而提高振弦傳感器的測量精度。本文設計的高精度熱敏電阻測量電路[7]如圖6所示。

圖6 高精度熱敏電阻測量電路Fig.6 Precision thermal resistance measurement circuit

電路工作原理，電流由Cur+經過熱敏電阻流向Cur-，在電阻上形成的壓降經Vol+、Vol-輸入至減法器轉換成單端對地信號送入ADC采集。連接熱敏電阻四根導線從傳感器內部引出，當導線較長，由于Vol+、Vol-是電壓信號，只取恒流源在熱敏電阻兩端的壓降，相比于傳統的兩線制可以剔除長導線的影響。運放U23A工作在線性放大狀態，根據虛短虛斷分析原理，U23A反向端電壓等于同相端[8]，UN=UP=2.5 V，故恒流源的值：

ADC采用測頻模塊中ARM單片機自帶分辨率12 bit、轉換速率達1 MHz的模數轉換器，再由過采樣技術使分辨率達到16bit。避免了單獨使用ADC芯片，既保證了轉換精度，又簡化電路結構，節約成本。

5 實測結果

本文選擇四川省南部縣某滑坡地質災害監測點作為實驗點，將該振弦讀數儀與基康公司的讀數儀BGK-408對振弦傳感器測量結果作對比，監測點環境溫度26.5℃，濕度49.5%。測量時間1 h，每10 min測量一次，被測傳感器有土壓力計、孔隙水壓力計。測量結果如表1、2所示。

表1 土壓力與孔隙水壓力計測量結果對比Tab.1 Earth pressure and pore water pressure measurement results contrast

表2 熱敏電阻測量結果對比Tab.2 Comparison thermistor measurements

上表中A列為本文設計的振弦讀數儀測量結果，B列為基康公司的讀數儀測量結果。分析測量結果，頻率測量的分辨率達到0.1 Hz，測量精度為0.2 Hz，電阻測量誤差小于0.1%，達到了設計目標。

6 結語

本文設計的多通道振弦讀數儀使用高速ARM處理器作為測頻模塊，頻率測量分辨率達到了0.1 Hz。同時還設計了高精度的熱敏電阻測量電路，可實時測量出環境溫度，通過溫度補償公式消除溫度的影響，從而提高振弦傳感器的測量穩定度。可在

野外環境溫度惡劣的情況下使用，各項指標符合野外監測設備的要求。該振弦讀數儀現已投入使用，運行效果良好，為地質災害監測提供準確數據。

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