CN105424168A - 一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置及控制方法，所述关于振弦传感器的多通道同步测量装置包括CPU控制单元以及与其相连的多个传感器单元，所述传感器单元包括升压电路、激励电路和信号调理电路；每一路传感器单元接收到CPU控制单元的控制信号后，同时开始升压，升压到一定电压值后，再同时放电激励振弦传感器使传感器做自由振荡，然后信号调理电路对传感器的振荡信号进行信号调理。本发明测量出的多通道振弦传感器的频率是同一时刻的频率值，即实现了多通道同步测量，得到的频率值能够准确科学地反应出大型建筑结构在某一时刻的内在特征，同时也大大缩短了多通道测量所花费的时间。

Description

一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置及控制方法

技术领域

本发明专利涉及一种关于振弦传感器的多通道测量装置、方法，尤其涉及一种能够同步测量多通道振弦传感器频率的装置和控制方法。

背景技术

振弦传感器基于钢弦自振频率随张力变化而变化的工作原理，具有结构简单、精度高、长期稳定性好等特点。其输出为频率信号，具有抗干扰能力强，适合远距离传输的优点，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中有着广泛的应用。

在大坝、桥梁等安全监测中，需要对多个传感器进行测量，而目前的多通道振弦传感器测量系统采用的是多个传感器分时异步测量方式，并不能客观地反应建筑结构整体状况，无法满足实际应用需求。

目前使用的振弦传感器多通道分时异步测量方式的工作原理如下：CPU控制单元首先发出通道选择信号到通道选择单元，选中对应的传感器单元后，传感器单元完成升压、放电激励和信号调理的过程；经过调理的信号再送到CPU控制单元，由CPU控制单元通过软件计算出传感器的频率。然后CPU控制单元再选择下一个通道，完成对下一个通道的测量，如此经过n次循环，完成n路振弦传感器频率的测量。

由此可见，此测量方法由于属于分时异步测量，一方面不能够准确地反应出大型建筑结构在某一时刻的整体动态响应，不能科学客观地反应桥梁等建筑的内在特征。另一方面，完成n路测量所花费的时间也较长。

发明内容

为了克服多通道分时异步测量系统的不同步问题，本发明的目的是提供一种能够同步测量多通道振弦传感器频率的装置。

本发明的装置技术方案如下：一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置，包括CPU控制单元以及与其相连的多个传感器单元；所述传感器单元包括升压电路、激励电路和信号调理电路；CPU控制单元发出控制信号，多路传感器单元在同步控制信号的作用下，用于实现获取激振电压、放电激励和信号滤波、放大和整形的功能；多路传感器单元将整形后的频率信号分别输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口；CPU控制单元再一次发出控制信号，同时对n路频率信号进行捕获和计数，获得所有传感器单元的同步实时频率值，实现多通道同步测量。

进一步，所述CPU控制单元采用STC12C5410AD单片机芯片或者ARM控制芯片。

进一步，所述升压电路中，电容C1一端接地，另一端分别连接电阻R2和电感L1的一端，电阻R2和电感L1的另一端分别和晶体管Q1的基极和集电极相连，晶体管Q1的发射极接地，二极管D1从晶体管Q1的集电极一端引出，二极管D2连接在晶体管Q1的集电极和发射极之间，电容C2的正端和二极管D1的负端相连，电容C2的负端接地。

进一步，所述激励电路中，电阻R1和晶体管Q3的发射极相连，电阻R3的两端分别和晶体管Q3的发射极和基极相连，电阻R4和晶体管Q2的基极相连，晶体管Q2的发射极接地，晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q3的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R5、电阻R6的一端，电阻R5的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R6的另一端和电容C3的一端相连，电容C3的另一端接地。

进一步，所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R8、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R7相连。

本发明的控制方法的技术方案为：

一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置控制方法，具体控制步骤为：

步骤1，CPU控制单元发出同步升压控制信号给传感器单元，每一路传感器单元接收到CPU控制单元的同步升压控制信号后，同时开始升压，电压达到一定值时停止升压，此时的同步升压控制信号就是使振弦传感器起振的激振信号；

步骤2，升压电路升压完成后，CPU控制单元再向各传感器单元发出放电激励控制信号，各传感器单元接收到这个信号后，激振信号同时放电对相应的振弦传感器进行激励，使振弦传感器作自由振动；

步骤3，各路传感器单元的信号调理电路对振弦传感器输出的自由振动信号进行滤波、放大、整形，将振弦信号变换为脉冲信号；

步骤4，各路传感器单元将整形后的频率脉冲信号分别同时输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口；

步骤5，在CPU控制单元的端口捕获频率脉冲信号的同时，利用其中的一个定时器定时，观察该段时间内每个输入端口共捕获多少个脉冲；进而获得所测对应通道传感器的频率，由此，系统达到了同步测量多路振弦传感器频率的目的，即实现了多通道同步测量。

进一步，所述步骤5中，定时器定时0.25ms，0.25ms时间内每个捕获端口捕获脉冲的个数乘以4，即为1秒钟的脉冲数，也就是即为所测对应通道传感器的频率。

本发明的有益效果是：本发明能够克服多通道分时异步测量系统的不同步问题，测量出的多通道振弦传感器的频率是同一时刻的频率值，即实现了多通道同步测量，得到的频率值能够准确科学地反应出大型建筑结构在某一时刻的内在特征，同时也大大缩短了多通道测量所花费的时间。

附图说明

图1是传统多通道振弦传感器频率测量分时异步框图；

图2为本发明的多通道振弦传感器同步测量框图；

图3为传感器单元结构框图；

图4为CPU控制单元原理图；

图5为升压电路原理图；

图6为激励电路原理图；

图7信号调理电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

目前使用的振弦传感器多通道分时异步测量方式如附图1所示，工作原理如下：CPU控制单元首先发出通道选择信号到通道选择单元，选中对应的传感器单元后，传感器单元完成升压、放电激励和信号调理的过程；经过调理的信号再送到CPU控制单元，由CPU控制单元通过软件计算出传感器的频率。然后CPU控制单元再选择下一个通道，完成对下一个通道的测量，如此经过n次循环，完成n路振弦传感器频率的测量。

由此可见，此测量方法由于属于分时异步测量，一方面不能够准确地反应出大型建筑结构在某一时刻的整体动态响应，不能科学客观地反应桥梁等建筑的内在特征。另一方面，完成n路测量所花费的时间也较长。

作为上述装置和方法的改进，本发明的控制过程为：

步骤1，CPU控制单元发出同步升压控制信号给传感器单元，每一路传感器单元接收到CPU控制单元的同步升压控制信号后，同时开始升压，电压达到一定值时停止升压，此时的同步升压控制信号就是使振弦传感器起振的激振信号；

步骤2，升压电路升压完成后，CPU控制单元再向各传感器单元发出放电激励控制信号，各传感器单元接收到这个信号后，激振信号同时放电对相应的振弦传感器进行激励，使振弦传感器作自由振动；

步骤3，各路传感器单元的信号调理电路对振弦传感器输出的自由振动信号进行滤波、放大、整形，将振弦信号变换为脉冲信号；

步骤4，各路传感器单元将整形后的频率脉冲信号分别同时输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口；

步骤5，在CPU控制单元的端口捕获频率脉冲信号的同时，利用其中的一个定时器定时，观察该段时间内每个输入端口共捕获多少个脉冲；进而获得所测对应通道传感器的频率，由此，系统达到了同步测量多路振弦传感器频率的目的，即实现了多通道同步测量。

下面将结合本发明具体实施例中的附图对本发明方法作进一步描述。

如图2所示，本发明提出了一种能够同步测量多通道振弦传感器频率的方法和装置，系统主要由CPU控制单元和传感器单元组成。

CPU控制单元发出控制信号，n路传感器单元在同步控制信号的作用下，同时开始工作，完成获取激振电压、放电激励和信号调理(滤波、放大和整形)的功能。具体为：CPU控制单元发出同步升压控制信号，传感器单元接收到这个信号后，开始升压，电压达到一定值时停止升压。延时一定时间后，CPU控制单元向各传感器单元发出放电激励控制信号，传感器单元接收到这个信号后，开始放电激励振弦传感器，并对振弦传感器输出的自由振动信号进行滤波、放大、整形，输出方波频率信号。n路传感器单元将整形后的频率信号分别输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口(可用的端口数量与所选的CPU型号有关)。CPU控制单元再一次发出控制信号，同时对n路频率信号进行捕获和计数，再由软件计算出所有传感器单元的同步实时频率值。由此，系统达到了同步测量多路振弦传感器频率的目的，即实现了多通道同步测量。

在本发明的实施案例中，CPU控制单元的控制芯片采用宏晶公司的STC12C5410AD单片机芯片。STC12C5410AD单片机控制芯片包含2个外部中断端口，2个定时器端口和4个PWM端口，因定时器1和PWM1共用一个端口，定时器2用来定时一段时间，所以系统可以同步测量6路振弦传感器。如图3所示，传感器单元包括升压电路、激励电路和信号调理电路；图4所示是CPU控制单元的部分原理图。

系统的工作和控制过程为：

1)激振信号获取：

系统开始工作时，首先，CPU控制单元发出同步升压控制信号PWM_100给6路传感器单元，6路传感器单元在升压控制信号的作用下，同时开始升压，电压达到一定值时停止升压。这个高电压信号就是使振弦传感器起振的激振信号。升压电路原理图如图5所示。

所述升压电路中，电容C1一端接地，另一端分别连接电阻R2和电感L1的一端，电阻R2和电感L1的另一端分别和晶体管Q1的基极和集电极相连，晶体管Q1的发射极接地，二极管D1从晶体管Q1的集电极一端引出，二极管D2连接在晶体管Q1的集电极和发射极之间，电容C2的正端和二极管D1的负端相连，电容C2的负端接地。

2)对传感器放电激励

6路升压电路升压完成后，CPU控制单元再向各传感器单元发出放电激励控制信号VP_OUT，各传感器单元接收到这个信号后，6路激振信号同时放电对相应的振弦传感器进行激励，使振弦传感器作自由振动。激励电路原理图如图6所示。

所述激励电路中，电阻R1和晶体管Q3的发射极相连，电阻R3的两端分别和晶体管Q3的发射极和基极相连，电阻R4和晶体管Q2的基极相连，晶体管Q2的发射极接地，晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q3的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R5、电阻R6的一端，电阻R5的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R6的另一端和电容C3的一端相连，电容C3的另一端接地。

3)信号调理

各路传感器单元的信号调理电路对振弦传感器输出的自由振动信号进行滤波、放大、整形，将振弦信号变换为脉冲信号。滤波放大和信号整形主要由运放LM324及相关电路实现。信号调理电路的原理图如图7所示。

所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R8、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R7相连。

4)信号捕获

6路传感器单元将整形后的频率脉冲信号分别同时输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口(可用的端口数量与所选的CPU型号有关)。图4中的F_INPUT0～F_INPUT5为6路传感器振荡信号经过调理电路整形后输入到单片机的频率脉冲信号。

5)定时器定时

经过大量的实验验证表明，在单片机的6个端口捕获频率脉冲信号的同时，利用其中的一个定时器定时250ms，看250ms的时间内，每个输入端口共捕获脉冲多少个。(假如这个传感器振荡1秒钟的话，后面的信号是很微弱了，所以不能定时1s，250ms的定时时间为本发明最佳的设定时间。)

6)频率计算

在250ms的定时时间内，每个捕获端口捕获脉冲的个数乘以4，即为所测对应通道传感器的频率，此步骤由软件实现。由此，系统达到了同步测量多路振弦传感器频率的目的，即实现了多通道同步测量。

总之，CPU控制单元对每一路振弦传感器单元统一控制；每一路传感器单元接收到CPU控制单元的控制信号后，同时开始升压，升压到一定电压值后，再同时放电激励振弦传感器使传感器做自由振荡，然后信号调理电路对传感器的振荡信号进行信号调理。此外，利用CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口对多路振弦传感器单元调理后的频率信号同时进行捕获并计数。中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口对多路频率信号开始计数的同时，CPU控制单元的一个通用定时器进行定时。根据定时器的定时时间和端口所捕获的脉冲数量，利用软件计算出多路传感器信号的频率。在需要同时测几十路信号时，可以选用中断输入端口和捕获输入端口较多的ARM芯片做CPU控制单元。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置，其特征在于，包括CPU控制单元以及与其相连的多个传感器单元；

所述传感器单元包括升压电路、激励电路和信号调理电路；CPU控制单元发出控制信号，多路传感器单元在同步控制信号的作用下，用于实现获取激振电压、放电激励和信号滤波、放大和整形的功能；多路传感器单元将整形后的频率信号分别输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口；CPU控制单元再一次发出控制信号，同时对n路频率信号进行捕获和计数，获得所有传感器单元的同步实时频率值，实现多通道同步测量。

2.根据权利要求1所述的关于振弦传感器的多通道同步测量装置，其特征在于，所述CPU控制单元采用STC12C5410AD单片机芯片或者ARM控制芯片。

3.根据权利要求2所述的关于振弦传感器的多通道同步测量装置，其特征在于，所述升压电路中，电容C1一端接地，另一端分别连接电阻R2和电感L1的一端，电阻R2和电感L1的另一端分别和晶体管Q1的基极和集电极相连，晶体管Q1的发射极接地，二极管D1从晶体管Q1的集电极一端引出，二极管D2连接在晶体管Q1的集电极和发射极之间，电容C2的正端和二极管D1的负端相连，电容C2的负端接地。

4.根据权利要求2所述的关于振弦传感器的多通道同步测量装置，其特征在于，所述激励电路中，电阻R1和晶体管Q3的发射极相连，电阻R3的两端分别和晶体管Q3的发射极和基极相连，电阻R4和晶体管Q2的基极相连，晶体管Q2的发射极接地，晶体管Q2的集电极和晶体管Q3的基极之间连接有电阻R10，晶体管Q3的集电极依次连接有二极管D3的负端，以及电阻R5、电阻R6的一端，电阻R5的另一端分别连接3.3V电源和开关二极管BAV99的第二端，开关二极管BAV99的第一端接地，开关二极管BAV99的信号端分别和电阻R6的另一端和电容C3的一端相连，电容C3的另一端接地。

5.根据权利要求2所述的关于振弦传感器的多通道同步测量装置，其特征在于，所述信号调理电路中包含四个运算放大器，均为LM324的四运算放大器，运算放大器U2A的信号输入负端和输出端相连，U2A的输出端依次连接有电阻R8、电容C7、运算放大器U2C的信号输入负端，电阻R12和电容C9并联在运算放大器U2C的信号输入负端和输出端之间，U2C的输出端依次连接有电阻R9、电容C8的一端，电容C8的另一端分别连接电容C10和电阻R13，此外，电容C10和电阻R13并联在运算放大器U2D的信号输入负端和输出端之间，运算放大器U2D的输出端和运算放大器U2B的信号输入负端相连，运算放大器U2B的输出端和电阻R7相连。

6.一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置控制方法，其特征在于，具体控制步骤为：

步骤1，CPU控制单元发出同步升压控制信号给传感器单元，每一路传感器单元接收到CPU控制单元的同步升压控制信号后，同时开始升压，电压达到一定值时停止升压，此时的同步升压控制信号就是使振弦传感器起振的激振信号；

步骤2，升压电路升压完成后，CPU控制单元再向各传感器单元发出放电激励控制信号，各传感器单元接收到这个信号后，激振信号同时放电对相应的振弦传感器进行激励，使振弦传感器作自由振动；

步骤3，各路传感器单元的信号调理电路对振弦传感器输出的自由振动信号进行滤波、放大、整形，将振弦信号变换为脉冲信号；

步骤4，各路传感器单元将整形后的频率脉冲信号分别同时输入到CPU控制单元的中断输入端口、计数输入端口和捕获输入端口；

步骤5，在CPU控制单元的端口捕获频率脉冲信号的同时，利用其中的一个定时器定时，观察该段时间内每个输入端口共捕获多少个脉冲；进而获得所测对应通道传感器的频率，由此，系统达到了同步测量多路振弦传感器频率的目的，即实现了多通道同步测量。

7.根据权利要求6所述的一种关于振弦传感器的多通道同步测量装置控制方法，其特征在于，所述步骤5中，定时器定时0.25ms，0.25ms时间内每个捕获端口捕获脉冲的个数乘以4，即为1秒钟的脉冲数，也就是即为所测对应通道传感器的频率。