一種關(guān)于振弦傳感器的多通道同步測量裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種關(guān)于振弦傳感器的多通道測量裝置、方法，尤其涉及一種能夠同步測量多通道振弦傳感器頻率的裝置和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]振弦傳感器基于鋼弦自振頻率隨張力變化而變化的工作原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、長期穩(wěn)定性好等特點。其輸出為頻率信號，具有抗干擾能力強，適合遠距離傳輸?shù)膬?yōu)點，在大壩、橋梁、地鐵、煤礦、基坑等工程安全監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]在大壩、橋梁等安全監(jiān)測中，需要對多個傳感器進行測量，而目前的多通道振弦傳感器測量系統(tǒng)采用的是多個傳感器分時異步測量方式，并不能客觀地反應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)整體狀況，無法滿足實際應(yīng)用需求。
[0004]目前使用的振弦傳感器多通道分時異步測量方式的工作原理如下:CPU控制單元首先發(fā)出通道選擇信號到通道選擇單元，選中對應(yīng)的傳感器單元后，傳感器單元完成升壓、放電激勵和信號調(diào)理的過程；經(jīng)過調(diào)理的信號再送到CPU控制單元，由CPU控制單元通過軟件計算出傳感器的頻率。然后CPU控制單元再選擇下一個通道，完成對下一個通道的測量，如此經(jīng)過η次循環(huán)，完成η路振弦傳感器頻率的測量。
[0005]由此可見，此測量方法由于屬于分時異步測量，一方面不能夠準確地反應(yīng)出大型建筑結(jié)構(gòu)在某一時刻的整體動態(tài)響應(yīng)，不能科學(xué)客觀地反應(yīng)橋梁等建筑的內(nèi)在特征。另一方面，完成η路測量所花費的時間也較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服多通道分時異步測量系統(tǒng)的不同步問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠同步測量多通道振弦傳感器頻率的裝置。
[0007]本發(fā)明的裝置技術(shù)方案如下:一種關(guān)于振弦傳感器的多通道同步測量裝置，包括CPU控制單元以及與其相連的多個傳感器單元；所述傳感器單元包括升壓電路、激勵電路和信號調(diào)理電路；CPU控制單元發(fā)出控制信號，多路傳感器單元在同步控制信號的作用下，用于實現(xiàn)獲取激振電壓、放電激勵和信號濾波、放大和整形的功能；多路傳感器單元將整形后的頻率信號分別輸入到CPU控制單元的中斷輸入端口、計數(shù)輸入端口和捕獲輸入端口 ；CPU控制單元再一次發(fā)出控制信號，同時對η路頻率信號進行捕獲和計數(shù)，獲得所有傳感器單元的同步實時頻率值，實現(xiàn)多通道同步測量。
[0008]進一步，所述CPU控制單元采用STC12C5410AD單片機芯片或者ARM控制芯片。
[0009]進一步，所述升壓電路中，電容C1 一端接地，另一端分別連接電阻R2和電感L1的一端，電阻R2和電感L1的另一端分別和晶體管Q1的基極和集電極相連，晶體管Q1的發(fā)射極接地，二極管D1從晶體管Q1的集電極一端引出，二極管D2連接在晶體管Q1的集電極和發(fā)射極之間，電容C2的正端和二極管D1的負端相連，電容C2的負端接地。
[0010]進一步，所述激勵電路中，電阻R1和晶體管Q3的發(fā)射極相連，電阻R3的兩端分別和晶體管Q3的發(fā)射極和基極相連，電阻R4和晶體管Q2的基極相連，晶體管Q2的發(fā)射極接地，晶體管Q2的集電極和晶體管Q3的基極之間連接有電阻R10，晶體管Q3的集電極依次連接有二極管D3的負端，以及電阻R5、電阻R6的一端，電阻R5的另一端分別連接3.3V電源和開關(guān)二極管BAV99的第二端，開關(guān)二極管BAV99的第一端接地，開關(guān)二極管BAV99的信號端分別和電阻R6的另一端和電容C3的一端相連，電容C3的另一端接地。
[0011]進一步，所述信號調(diào)理電路中包含四個運算放大器，均為LM324的四運算放大器，運算放大器U2A的信號輸入負端和輸出端相連，U2A的輸出端依次連接有電阻R8、電容C7、運算放大器U2C的信號輸入負端，電阻R12和電容C9并聯(lián)在運算放大器U2C的信號輸入負端和輸出端之間，U2C的輸出端依次連接有電阻R9、電容C8的一端，電容C8的另一端分別連接電容C10和電阻R13，此外，電容C10和電阻R13并聯(lián)在運算放大器U2D的信號輸入負端和輸出端之間，運算放大器U2D的輸出端和運算放大器U2B的信號輸入負端相連，運算放大器U2B的輸出端和電阻R7相連。
[0012]本發(fā)明的控制方法的技術(shù)方案為:
[0013]一種關(guān)于振弦傳感器的多通道同步測量裝置控制方法，具體控制步驟為:
[0014]步驟1，CPU控制單元發(fā)出同步升壓控制信號給傳感器單元，每一路傳感器單元接收到CPU控制單元的同步升壓控制信號后，同時開始升壓，電壓達到一定值時停止升壓，此時的同步升壓控制信號就是使振弦傳感器起振的激振信號；
[0015]步驟2，升壓電路升壓完成后，CPU控制單元再向各傳感器單元發(fā)出放電激勵控制信號，各傳感器單元接收到這個信號后，激振信號同時放電對相應(yīng)的振弦傳感器進行激勵，使振弦傳感器作自由振動；
[0016]步驟3，各路傳感器單元的信號調(diào)理電路對振弦傳感器輸出的自由振動信號進行濾波、放大、整形，將振弦信號變換為脈沖信號；
[0017]步驟4，各路傳感器單元將整形后的頻率脈沖信號分別同時輸入到CPU控制單元的中斷輸入端口、計數(shù)輸入端口和捕獲輸入端口 ；
[0018]步驟5，在CPU控制單元的端口捕獲頻率脈沖信號的同時，利用其中的一個定時器定時，觀察該段時間內(nèi)每個輸入端口共捕獲多少個脈沖；進而獲得所測對應(yīng)通道傳感器的頻率，由此，系統(tǒng)達到了同步測量多路振弦傳感器頻率的目的，即實現(xiàn)了多通道同步測量。
[0019]進一步，所述步驟5中，定時器定時0.25ms, 0.25ms時間內(nèi)每個捕獲端口捕獲脈沖的個數(shù)乘以4，即為1秒鐘的脈沖數(shù)，也就是即為所測對應(yīng)通道傳感器的頻率。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明能夠克服多通道分時異步測量系統(tǒng)的不同步問題，測量出的多通道振弦傳感器的頻率是同一時刻的頻率值，即實現(xiàn)了多通道同步測量，得到的頻率值能夠準確科學(xué)地反應(yīng)出大型建筑結(jié)構(gòu)在某一時刻的內(nèi)在特征，同時也大大縮短了多通道測量所花費的時間。
【附圖說明】
[0021]圖1是傳統(tǒng)多通道振弦傳感器頻率測量分時異步框圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的多通道振弦傳感器同步測量框圖；
[0023]圖3為傳感器單元結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]圖4為CPU控制單元原理圖；
[0025]圖5為升壓電路原理圖；
[0026]圖6為激勵電路原理圖；
[0027]圖7信號調(diào)理電路原理圖。
【具體實施方式】
[0028]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0029]目前使用的振弦傳感器多通道分時異步測量方式如附圖1所示，工作原理如下:CPU控制單元首先發(fā)出通道選擇信號到通道選擇單元，選中對應(yīng)的傳感器單元后，傳感器單元完成升壓、放電激勵和信號調(diào)理的過程；經(jīng)過調(diào)理的信號再送到CPU控制單元，由CPU控制單元通過軟件計算出傳感器的頻率。然后CPU控制單元再選擇下一個通道，完成對下一個通道的測量，如此經(jīng)過η次循環(huán)，完成η路振弦傳感器頻率的測量。
[0030]由此可見，此測量方法由于屬于分時異步測量，一方面不能夠準確地反應(yīng)出大型建筑結(jié)構(gòu)在某一時刻的整體動態(tài)響應(yīng)，不能科學(xué)客觀地反應(yīng)橋梁等建筑的內(nèi)在特征。另一方面，完成η路測量所花費的時間也較長。
[0031]作為上述裝置和方法的改進，本發(fā)明的控制過程為:
[0032]步驟1，CPU控制單元發(fā)出同步升壓控制信號給傳感器單元，每一路傳感器單元接收到CPU控制單元的同步升壓控制信號后，同時開始升壓，電壓達到一定值時停止升壓，此時的同步升壓控制信號就是使振弦傳感器起振的激振信號；
[0033]步驟2，升壓電路升壓完成后，CPU控制單元再向各傳感器單元發(fā)出放電激勵控制信號，各傳感器單元接收到這個信號后，激振信號同時放電對相應(yīng)的振弦傳感器進行激勵，使振弦傳感器作自由振動；
[0034]步驟3，各路傳感器單元的信號調(diào)理電路對振弦傳感器輸出的自由振動信號進行濾波、放大、整形，將振弦信號變換為脈沖信號；
[0035]步驟4，各路傳感器單元將整形后的頻率脈沖信號分別同時輸入到CPU控制單元的中斷輸入端口、計數(shù)輸入端口和捕獲輸入端口 ；
[0036]步驟5，在CPU控制單元的端口捕獲頻率脈沖信號的同時，利用其中的一個定時器定時，觀察該段時間內(nèi)每個輸入端口共捕獲多少個脈沖；進而獲得所測對應(yīng)通道傳感器的頻率，由此，系統(tǒng)達到了同步測量多路振弦傳感器頻率的目的，即實現(xiàn)了多通道同步測量。
[0037]下面將結(jié)合本發(fā)明具體實施例中的附圖對本發(fā)明方法作進一步描述。
[0038]如圖2所示，本發(fā)明提出了一種能夠同步測量多通道振弦傳感器頻率的方法和裝置，系統(tǒng)主要由CPU控制單元和傳感器單元組成。
[0039]CPU控制單元發(fā)出控制信號，η路傳感器單元在同步控制信號的作用下，同時開始工作，完成獲取激振電壓、放電激勵和信號調(diào)理(濾波、放大和整形)的功能。具體為:CPU控制單元發(fā)出同步升壓控制信號，傳感器單元接收到這個信號后，開始升壓，電壓達到一定值時停止升壓。延時一定時間后，CPU控制單元向各傳感器單元發(fā)出放電激勵控制信號，傳感器單元接收到這個信號后，開始放電激勵振弦傳感器，并對振弦傳感器輸出的自由振動信號進行濾波、放大、整形，輸出方波頻率信號。η路傳感器單元將整形后的頻率信號分別輸入到CPU控制單元的中斷輸入端口、計數(shù)輸入端口和捕獲輸入端口(可用的端口數(shù)量與所選的CPU型號有關(guān))。CPU控制單元再一次發(fā)出控制信號，同時對η路頻率信號進行捕獲和計數(shù)，再由軟件計算出所有傳感器單元的同步實時頻率值。由此，系統(tǒng)達到了同步測量多路振弦傳感器頻率的目的，即實現(xiàn)了多通道同步測量。
[0040]在本發(fā)明的實施案例中，CPU控制單元的控制芯片采用宏晶公司的STC12C5410AD單片機芯片。STC12C5410AD單片機控制芯片包含2個外部中斷端口，2個定時器端口和4個PWM端口，因定時器1和PWM1共用一個端口，定時器2用來定時一段時間，所以系統(tǒng)可以同步測量6路振弦傳感器。如圖3所示，傳感器單元包括升壓電路、激勵電路和信號調(diào)理電路；圖4所示是C