杜 鋒，范英龍

（淮安信息職業技術學院 電子工程學院，江蘇 淮安 223003）

1 項目背景

振弦式傳感器是目前國內外普遍重視和廣泛應用的一種非電量電測的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩定可靠、耐震動、壽命長等特點。與工程、科研中普遍應用的電阻應變計相比，有著突出的優越性。振弦傳感器能直接以頻率信號輸出，因此，較電阻應變計模擬量輸出能更為簡單方便地進行數據采集、傳輸、處理和存儲，實現高精度的自動測試。為此，振弦傳感器得到了迅速的發展和應用。在國外，德國的MAlHAK、法國的TE蘊EMA蘊、美國的SINCO等多家公司，都有振弦傳感器的系列產品。廣泛應用于港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機械船舶、水庫大壩、地基基礎等測試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測試手段，顯示出了其廣闊應用和發展的前景。

2 改進方案

諧振式壓力傳感器被更多的應用在工程中。這種傳感器利用壓力的變化來改變諧振頻率，從而通過頻率的變化來間接的測量壓力。因為在工作時要產生振動，所以稱為振弦傳感器，現階段的振弦傳感器多以便攜式為主題，因此不便用于較大的工程進行實時的測量。

（1）所用振弦傳感器特點簡介。振弦傳感器輸出頻率信號，而頻率時能獲得很高測量精度的信號，并且適用于長距離傳輸也不會降低其精度。振子的阻尼小，諧振響應曲線十分窄，振子振動時，它的結構內部具有一定的阻尼，需要消耗能量，從而需要外部施加激勵。

（2）系統改進措施。振弦傳感器改進系統主要有以下4個方面：①振弦傳感器信號處理電路及數據采集電路。在惡劣的環境下工作，確保數據準確性；于軟、硬件補償外界對儀器的影響。主要是溫度的補償，振弦受溫度有一定的影響；③中央控制部分、人為調節部分和顯示部分；④GPRS通信模塊添加和開關電路的革新，GPRS模塊實現無線遠程的監控，開關電路實現低功耗。

3 硬件設計

監測儀器的硬件組成包括：模擬信號輸入部分、信號處理部分、通訊部分和人機交互部分。但每一部分的具體實現方法結合儀器所需完成的功能、成本及相關技術的發展與成熟程度等因素綜合考慮。此振弦傳感器讀數儀改進主要對所得數據進行在線監測，實時傳輸，對監測點進行全天候的監測。總體模塊有振弦傳感器的激勵設計、信號處理、溫度補償電路、按鍵模塊、顯示模塊以及通訊模塊。總體設計如圖1所示。

圖1 振弦傳感器硬件設計

（1）信號調理電路設計。信號采集分為兩路：一路是溫度，另一路是頻率信號的采集。主要采用圖像識別法：①溫度補償電路是在傳感器中封裝一個熱敏電阻，通過恒流源向熱敏電阻提供恒定電流，在電阻兩端產生電壓降，此電壓經過放大電路，緩沖電路進入A/D。經測量電阻電路，求出熱敏電阻的實際阻值，再由熱敏電阻的溫度特性完成阻值到溫度的轉換；于要使振弦傳感器輸出頻率信號，首先通過激振電路對弦進行激勵。由MCU發送PWM脈沖，進過DC/DC倍壓電路升壓，產生好壓脈沖使之振動，當激振電壓升至5伏時可控硅觸發，當脈沖信號加至線圈時產生磁場，使振弦振動，被激勵的振弦通過感應線圈振動轉換成衰減的正弦波信號輸出。檢測電路將振蕩信號進行放大、整形和濾波，得到標準的方波信號，將該信號送至MCU測取頻率。

（2）GPRS通信設計。首先編寫串行口驅動層。它實現打開串口、關閉串口、讀串口數據，寫串口數據等函數，然后在這些串口函數基礎上編寫GPRS模塊的驅動函數。單片機控制GPRS模塊進行撥號、設置等操作。打開GPRS的DTU模式，進行網絡數據傳輸，把所測數據傳輸到監測點，實現遠程監測，監測點給予命令開始儀器的開始或停止工作。

（3）軟、硬件協調工作的冷啟動控制電路。按鍵啟動，軟件實現開關自鎖，按鍵關機，軟件實現開關解鎖，實現系統電路完全斷電，降低系統功耗。

4 軟件設計

圖2 程序設計

系統程序設計采用結構化的設計方法，這種設計有利于軟件的調試和維護。根據設計要求對數據測量、數據無線傳輸、數據顯示和按鍵開關進行系統設計，下位機主要實現數據采集、傳輸和按鍵開關。上位機則負責處理數據、顯示數據和發送命令。使用STM32單片機作為MCU，對GPRS進行編寫通信協議，控制振弦傳感器的數據進行傳輸，因STM32單片機功耗低，處理速度快捷。主要的程序設計：首先對頻率信號進行讀取，經過A/D轉換讀取溫度值進行數據上的補償，通過PWM產生激勵脈沖。其次，開關按鍵的軟件設計，軟、硬件結合使用設置其為冷啟動。然后初始化GPRS模塊，打開通信協議，把監測數據實時傳輸到上位機。上位機進行監測數據和發送命令。具體步驟如圖2所示。

5 結語

應用單片機技術，設計的振弦傳感器的控制單元，實現脈沖觸發、數據采集、測量接收移動數據傳輸。根據振弦傳感器的工作原理，設計了信號調理電路，并利用了相關應用做了測試。由于振弦傳感器的精度受溫度的影響，故而設計了溫度補償電路，提高了系統測量精度。人機交互友好，使監測更具效率。GPRS數據通訊，實現了數據的遠距離測控，增強實時性。開關作冷啟動設計，降低了系統功耗。綜上所述，振弦傳感器具有良好的應用價值，便于多種情況下應用，可以適用于惡劣的環境中，提高監測的效率。

［1］ 張曉群，呂惠民.壓力傳感器的發展、現狀與未來［J］.半導體雜志，2000，（1）.

［2］ 錢占軍，李彤.振弦式壓力傳感器數據采集接口設計［J］.測井技術，1994，（6）.

［3］ 劉廣玉.傳感器的現狀和未來［J］.測控技術，1999，（3）.