脈沖高壓式振弦儀校準連接器的設計*

肖娜麗 / 福建省計量科學研究院

0 引言

振弦式頻率讀數儀（以下簡稱振弦儀）為振弦式傳感器的測量儀表，根據激勵方式分為脈沖高壓式振弦儀、脈沖低壓式振弦儀和掃頻式振弦儀三類，其中，脈沖高壓式振弦儀市場占有率最高。脈沖高壓式振弦儀通過主動發(fā)出激勵信號，測量工程用金屬弦的自振頻率，從而獲取弦所受的拉力、應力、滲壓、沉降等。該類儀器被廣泛應用于水壩、隧道、公路、橋梁、礦井等建筑工程的安全監(jiān)測及診斷，是促進工程建設安全生產的有力保障[1-3]。反之，若振弦儀計量不準確，將影響工程結構的安全性能評估，增加安全事故風險，故使用單位迫切需要對其進行有效溯源。

目前，國內外主要研究振弦應變傳感器的校準方法[4-7]，關于脈沖高壓式振弦儀校準方法的文獻較少，且多采用低頻信號發(fā)生器或函數信號發(fā)生器直接連接振弦儀的方式校準頻率測量誤差[8]。試驗發(fā)現，脈沖高壓式振弦儀向外界發(fā)送的激勵信號幅值普遍超過40 V，有些甚至高達200 V，且激勵信號往往高于低頻信號發(fā)生器或函數信號發(fā)生器輸出端的反向擊穿電壓。若將信號發(fā)生器與振弦儀的端子直接連接，校準頻率測量誤差，將影響信號發(fā)生器的正常工作，甚至損壞信號發(fā)生器。

為降低脈沖高壓式激勵信號的不良影響，目前，國內實驗室在進行頻率校準時主要采用兩種儀器連接方式：一、關閉激勵信號，信號發(fā)生器與振弦儀間串聯50 μF/200 V無極性電容；二、若激勵信號無法關閉，且激勵信號幅值小于衰減器最大允許電壓，信號發(fā)生器與振弦儀間串聯隔直電容和可變衰減器[9]。然而，隨著科技進步和儀器更新，上述兩種連接方式不能完全適用于脈沖高壓式振弦儀頻率校準，因此，亟需一種更為有效的解決方案。

本文設計了一種校準連接器，接入信號發(fā)生器與脈沖高壓式振弦儀之間，可有效保護信號發(fā)生器，保證校準工作的順利進行。

1 脈沖高壓式振弦儀激勵信號的分析

首先，需對脈沖高壓式振弦儀的激勵信號進行分析。采用JJF 1401-2013《振弦式頻率讀數儀校準規(guī)范》的激勵信號分析方法，對不同廠家不同型號的脈沖高壓式振弦儀進行實驗分析，連接圖見圖1。根據激勵信號特性對電壓幅值、上升/下降時間、脈沖間隔時間、脈沖類型等參數進行分析，結果見表1。由此可知，脈沖高壓式振弦儀激勵信號為正脈沖或負脈沖，且多為單脈沖和雙脈沖，上升時間最長不超過5 μs，周期一般為1～4 s，可視為直流信號。因此，若采用簡單串聯隔直電容的校準連接器設計方案，雖然對信號發(fā)生器起到一定的保護作用，但同時也使脈沖高壓式振弦儀進入斷路狀態(tài)，導致其無法啟動儀器的頻率讀取功能。

表1 常見脈沖高壓式振弦儀的激勵信號參數

通過長期實踐和原理分析可得，脈沖高壓式振弦儀校準需要滿足以下三個條件：1）不可將激勵信號完全濾除，否則將導致脈沖高壓式振弦儀無法啟動頻率讀取功能；2）低頻信號發(fā)生器（或函數信號發(fā)生器）一般能承受2 V以下的反向輸入電壓，故需將激勵信號衰減至2 V以下，確保信號發(fā)生器的正常工作；3）確保脈沖高壓式振弦儀接收的標準信號不失真。

2 基于瞬態(tài)抑制的校準連接器

基于以上分析，提出了一種解決方案，即在信號發(fā)生器和脈沖高壓式振弦儀之間接入基于瞬態(tài)抑制的校準連接器，該校準連接器需具備以下功能：1）為確保信號發(fā)生器正常工作，脈沖高壓式振弦儀的激勵信號通過校準連接器后幅值有效降低到合理范圍；2）從信號發(fā)生器發(fā)出的標準信號經過校準連接器后頻率準確度無明顯變化，校準框圖見圖2。

圖2 校準框圖

為達到以上設計目標，校準連接器采用瞬態(tài)抑制電路加衰減器的設計思路，利用雙向瞬態(tài)抑制電路將激勵信號限位在7 V左右，配合后級的可變衰減電路，將激勵信號衰減至1 V以下，從而達到有效保護信號發(fā)生器的目的。同時，電路采用全電阻設計，確保信號發(fā)生器輸出至脈沖高壓式振弦儀端的信號不失真，頻率準確度不降低。

2.1 瞬態(tài)抑制電路

瞬態(tài)抑制二極管是一種高效率保障器件，兩極受反向瞬態(tài)高能量影響時，能以極快的速度將兩極間的高阻抗轉變?yōu)榈妥杩梗箖蓸O間的電壓限位處于一個預定值，具有響應時間極快、瞬態(tài)功率大、漏電流小、無損壞極限等優(yōu)點[10]。瞬態(tài)抑制二極管分為單向二極管和雙向二極管[11]，通過表1可知，脈沖高壓式振弦儀的激勵信號為正脈沖或負脈沖，故瞬態(tài)抑制電路選用雙向瞬態(tài)抑制二極管。SMBJ5.0CA雙向瞬態(tài)抑制二極管可承受200 V以上的反向電壓，響應速率小于1 ps，限位電壓7 V左右[12]，適用于本文提出的瞬態(tài)抑制電路設計。基于激勵信號的特點，在選擇負載電阻時需要考慮大功率電阻，且阻值相對大，限位后的波形突變小、峰頂更為平滑、幅值也更為穩(wěn)定，故擬采用50 W、2 kΩ的負載電阻。

2.2 可變衰減電路

本文擬設計可變衰減電路，為避免換擋時由于旋鈕觸點接觸不良引起電路中斷，故采用可變橋T形衰減器電路原理進行設計，其結構見圖3。電路中Rc為固定電阻，確保電路不中斷，設置兩個可變化部分，用于調節(jié)衰減量。本文設計的衰減電路各檔衰減量分別為10 dB、20 dB、30 dB，特性阻抗Rc為50 Ω，便于試驗人員根據實際需求調整衰減比例。當衰減量為10 dB時，根據公式計算電壓比 。同理可得，當衰減量為20 dB時，N2為10；當衰減量為30 dB時，N3為31.62。特性阻抗Rc為50 Ω，計算各檔電阻值：

圖3 可變橋T形衰減器電路結構

2.3 基于Multism的電路仿真與驗證

根據以上計算所得數據，利用Multism軟件對電路進行優(yōu)化仿真[13]，確認最終電阻值，其電路設計圖見圖4。當R11、R21、R22、R23接入電路，衰減量為10 dB；當R11、R12、R22、R23接入電路，衰減量為20 dB；當R11、R12、R13、R23接入電路，衰減量為30 dB。

圖4 基于瞬態(tài)抑制的校準連接器電路

對仿真的校準連接器電路進行驗證，確認其是否有效降低激勵信號幅值。用200 V、0.5 Hz、占空比為1%的矩形波模擬脈沖高壓式振弦儀的激勵信號，校準連接器電路衰減量設為20 dB，激勵信號經過校準連接器后，仿真結果如圖5所示。由圖5可知，信號發(fā)生器通過校準連接器連接脈沖高壓式振弦儀，信號發(fā)生器端接收到激勵信號的脈沖峰值降至500 mV左右，不會對信號發(fā)生器產生損壞，達到保護信號發(fā)生器的預期效果。

圖5 Multism仿真結果

3 校準連接器的驗證

為確認校準連接器的有效性、穩(wěn)定性及適用范圍，需對激勵信號衰減效果和標準信號頻率準確度開展試驗驗證。

3.1 激勵信號衰減的驗證

為驗證校準連接器對激勵信號的衰減效果，選用一臺典型的脈沖高壓式振弦儀，分析其激勵信號經過校準連接器前后的幅值變化情況。采用DPO7254C型數字示波器監(jiān)測一臺609型脈沖高壓式振弦儀，其未接校準連接器時的激勵信號見圖6，由圖6可知該激勵信號為雙脈沖信號，幅值Vmax為167 V，周期T為3.4 s。經校準連接器接入后，示波器顯示該激勵信號衰減為512 mV，達到信號發(fā)生器輸出端接收到的反向輸入電壓不高于2 V的設計目標，如圖7所示。

圖6 未接校準連接器的激勵信號

圖7 經校準連接器后的激勵信號

為驗證校準連接器的適用范圍和穩(wěn)定性，在3 a內在不同時間對不同型號的脈沖高壓式振弦儀開展試驗，激勵信號均能衰減至500 mV左右，部分分析數據如表2所示。由此可見，基于瞬態(tài)抑制的校準連接器適用于不同型號的脈沖高壓式振弦儀。

表2 校準連接器接入前后激勵信號幅值比較

3.2 標準信號頻率準確度的驗證

對由不同測量裝置得到的測量結果進行比對，可以判斷不同裝置測量結果的一致性，并據此評判各裝置的有效性。本文通過比對信號發(fā)生器與頻率分析儀之間校準連接器接入前后頻率相對偏差情況，進而驗證校準連接器的有效性。本文選用TFG6940A型函數信號發(fā)生器（頻率準確度為5×10-8）輸出1 000 Hz、1 V的正弦信號，采用外接銣原子頻率標準的CNT-91型頻率分析儀（頻率準確度為5×10-11）分析校準連接器接入前后的頻率相對偏差，結果見表3。

表3 校準連接器接入前后頻率相對偏差

以校準連接器接入前的測量結果為參考值，由表4計算En值，結果如下：

表4 校準連接器接入前后頻率相對偏差值結果比對

由此可見，En值小于1，校準連接器接入前后的比對結果為滿意，驗證了校準連接器的接入能滿足不降低標準信號頻率準確度的要求。

4 結語

本文提出的一種基于瞬態(tài)抑制的校準連接器，用于脈沖高壓式振弦頻率讀數儀的校準連接。該校準連接器主要由雙向瞬態(tài)抑制電路和衰減電路組成，利用Multism軟件進行電路設計與仿真，并通過試驗驗證其有效性、穩(wěn)定性及適用范圍。基于瞬態(tài)抑制的校準連接器具有易實現、操作簡單、頻率高保真、適用范圍廣等優(yōu)點，不僅解決脈沖高壓式振弦儀的溯源問題，也為其他類型的振弦儀的校準工作提供有利保障。