CN202119529U - 一种振弦式仪器的激振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种振弦式仪器的激振装置，该装置包括依次连接的SPWM波发生器、滤波电路和激振信号开关电路，SPWM波发生器生成SPWM波并将其输入至滤波电路，滤波电路进行滤波得到正弦波形信号，滤波电路的输出连接至振弦式仪器中的频率测量线圈两端，从而将正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，所述激振信号开关电路实现正弦波形信号的开关。该装置产生的脉冲宽度按正弦波形规律变化的SPWM波形激振信号，提高了激振信号的精确控制能力，解决了传统激振装置采用脉冲方波所产生的各种局限性。

Description

一种振弦式仪器的激振装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是应用于岩土工程的安全监测仪器中的振弦式仪器的激振装置。

背景技术

在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的安全。

振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成。钢弦长度为L，在感知外界作用力F(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等)的时候，钢弦会产生ΔL的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度T的影响，

其中ΔT＝T-T₀，α为线膨胀系数，T₀、α、K均为已知定常数。钢弦的机械振动固有频率f可以按如下公式获得： $f=\sqrt{\frac{\mathrm{E\ΔL}}{{\mathrm{\ρ}}_{v}L}(1-2\mathrm{\λ}\×\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}+{\left(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\right)}^2)(1+\frac{\mathrm{\ΔL}}{L})},$ 其中E是钢弦的弹性模量，ρ_v是钢弦的密度，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均为定常数。将上述两个公式进行整理，消除

这一共同变量，得出F是f和T的确定函数，通过测量f和T就能实现F的测量。可见，钢弦的振动固有频率参量f是最为关键的测量因子。

目前测量钢弦的频率参量f通常采用激振拾振的方法，将钢弦设置在频率测量线圈和永磁体构成的磁场中，通过激振方法使钢弦振起来，共振的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，并通过拾振方法拾取频率测量线圈中由于钢弦的机械振动而产生的微弱电动势的频率，进而得到钢弦的固有频率。其中，采用何种激振方法使钢弦振起来是测量钢弦的频率参量f所要解决的重要问题。

传统的激振钢弦的装置，由图1所示，微机系统中的单片机I/O口按照一定的频率(这个频率可以是传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值)产生脉冲方波的激振信号，该脉冲方波的激振信号波形如图2所示，该激振信号通过光电隔离电路和基本功放电路放大后，激振电流流过频率测量线圈，激振电流产生的交变磁场激励钢弦1振动。激振线圈通过的脉动电流频率通过微机系统调节。由图2可知，传统的激振装置产生的激振波形由数字系统产生，是幅度一定、频率可调的方波，方波宽度随着频率的变化而线性变化。这种方波的激振有如下不足：(1)由于方波谐波成分比较复杂，导致激振时引入谐波，如产生影响比较大的三倍频，对钢弦的激振不利，造成钢弦1不能可靠起振，迅速达到谐振状态；(2)对于一种仪器，产生脉冲方波的幅度是一定的，导致该装置对某些激振比较困难的仪器或比较容易起振的仪器存在不能使之可靠起振或过度激振的问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有的振弦式仪器的激振装置产生的激振方波引入谐波造成钢弦不能可靠起振的问题，提出了一种新型的振弦式仪器的激振装置，该装置输出波形的谐波少，具有良好的起振效果。

本实用新型的技术方案如下：

一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的SPWM波发生器、滤波电路和激振信号开关电路，所述SPWM波发生器生成SPWM波并将其输入至滤波电路，所述滤波电路进行滤波得到正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器中的频率测量线圈两端，从而将所述正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，所述激振信号开关电路实现正弦波形信号的开关。

所述SPWM波发生器为DSP或CPLD或FPGA或单片机。

所述SPWM波发生器为DSP，所述DSP通过光电隔离电路连接至滤波电路，SPWM波发生器生成的SPWM波输入至光电隔离电路以将干扰信号进行光电隔离，光电隔离电路输出的SPWM波输入至滤波电路进行滤波以得到正弦波形信号。

还包括幅度控制电路，所述幅度控制电路的输入端与滤波电路的输出端相连，所述滤波电路输出的正弦波形信号输入至幅度控制电路进行波形幅度调节，所述幅度控制电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将幅度调节后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。

还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与幅度控制电路的输出端相连，所述功率放大电路将幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，所述功率放大电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。

所述幅度控制电路包括串行DA转换器、运算放大器和乘法器，所述串行DA转换器产生的参考电压经运算放大器后作为乘法器的一路输入信号，所述乘法器的另一路输入信号为正弦波形信号，所述乘法器输出幅度调节后的正弦波形信号。

所述滤波电路为三阶巴特沃斯低通滤波器。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型提供的振弦式仪器的激振装置，包括依次连接的SPWM波发生器、滤波电路和激振信号开关电路，通过SPWM波发生器生成SPWM波并将其输入至滤波电路，滤波电路进行滤波得到正弦波形信号，滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。本实用新型的该装置改变了传统的数字系统产生脉冲宽度线性变化的方波激振钢弦的构造，把SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制)技术应用于产生钢弦的激振，实现SPWM波的激振波形的在线调节，SPWM波具有脉冲宽度按照正弦规律变化的特性，其输出波形的谐波少，经滤波电路后能够消除谐波干扰，形成频谱单一的正弦波，解决了现有的振弦式仪器的激振装置产生的脉冲方波的频谱中含有谐波，导致钢弦不能可靠起振和含有杂波的问题，将本实用新型得到的正弦波形信号，将其施加在振弦式仪器的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，使得钢弦能够可靠起振，提高了激振信号的精确控制能力。

本实用新型的激振装置中的SPWM波发生器生成SPWM波，可以通过DSP或CPLD或FPGA或单片机实现，采用高性能DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)，充分应用其内嵌的PWM模块和其高速的处理能力，由DSP产生SPWM波，经滤波电路进行滤波得到正弦波形信号，施加在单线圈振弦式仪器的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。利用CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)以及FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)均可产生数字式SPWM波，基于单片机生成SPWM波，其控制电路简单可靠且成本低，受到外界干扰小。上述各器件生成的SPWM波脉冲宽度按照正弦规律变化，具有输出波形谐波少的特性，具有良好的起振效果，解决了传统激振装置直接采用脉冲方波所带来的局限性。

在本实用新型的激振装置中增设光电隔离电路进行光电隔离，能够将SPWM波中引进的干扰通道切断，从电路上把干扰源以及易受干扰的部分隔离起来；将光电隔离后的SPWM波通过滤波电路进行滤波，SPWM波在滤波后得到的正弦波形信号通过幅度控制电路进行幅度调节，对某些激振比较困难的仪器，在DSP的控制下，可以自适应地提高SPWM波形转化的激振正弦波形幅度，避免仪器欠激振的情况；反之，对比较容易激振的仪器激振，可以自适应的降低激振正弦波形幅度，避免过度激振的问题，实现了SPWM波幅度的在线调节，提高了振弦式仪器激振的可靠性和稳定性。

功率放大电路将幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大，使之具有适当的驱动能力，能够更好地驱动正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，提高了起振性能。

附图说明

图1为传统的激振钢弦的实现装置示意图。

图2为传统的扫频激振信号波形图。

图3为本实用新型振弦式仪器的激振装置优选结构示意图。

图4为本实用新型振弦式仪器的激振装置优选工作流程图。

图5为DSP产生SPWM波的主程序流程图。

图6为DSP产生SPWM波的中断程序流程图。

图7a、7b和7c为生成SPWM波激振信号的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种新型的振弦式仪器的激振装置，其优选结构示意图如图3所示，包括依次连接的数字信号处理器(以下称DSP)、光电隔离电路、三阶巴特沃斯低通滤波器、幅度控制电路和功率放大电路，还包括激振信号开关电路。通过DSP生成SPWM波，该SPWM波的波形数据输入至光电隔离电路，将干扰信号进行光电隔离，再将光电隔离后的SPWM波输出，光电隔离后的SPWM波输入至三阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波，滤除掉SPWM波的高次谐波，并得到正弦波形信号输出，三阶巴特沃斯低通滤波器的输出连接至幅度控制电路的输入端，幅度控制电路进行正弦波形信号幅度调节，具体为：幅度控制电路包括串行DA转换器、运算放大器和乘法器，所述串行DA转换器产生的参考电压经运算放大器后作为乘法器的一路输入信号，所述乘法器的另一路输入信号为正弦波形信号，所述乘法器将两路输入模拟信号相乘后输出幅度调节后的正弦波形信号，可按照需要产生相应幅度的激励波形；幅度控制电路的输出端连接至功率放大电路的输入端，功率放大电路对幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大，以提供适当的驱动能力；功率放大电路的输出端与振弦式仪器中的频率测量线圈两端相连，从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈2的A、B两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。该激振装置能够获得频谱更单一、幅度可以在线调节的正弦波激振信号(即正弦波形信号)，激振后进行后续的放大整形以及完成频率的测量。

本实用新型的该装置的振信号开关电路可以设置在功率放大电路与频率测量线圈之间，或设置在幅度控制电路与功率放大电路之间，激振信号开关电路用以实现激振信号的开关。

图4为本实用新型振弦式仪器的激振装置优选工作流程图，包括下述步骤：

A、采用高性能DSP，充分应用DSP内嵌的PWM模块和其高速的处理能力，由DSP产生SPWM波；SPWM的载波频率由DSP按照激振频率产生，正弦规律变化的脉冲宽度由DSP实时计算产生；其中，DSP产生SPWM波的主程序流程图如图5所示，中断程序流程图如图6所示，在主程序流程图中，DSP需要初始化其内包括的PWM模块中的PWM引脚、系统控制寄存器、设置定时器中断、事件管理器(包括周期寄存器、比较寄存器、计数寄存器、控制寄存器等)，设置需要产生的正弦表，并全局中断使能；在中断程序流程图中，包括定时器下溢中断标志置位，更新比较寄存器，清除中断屏蔽标志，清除中断使能标志，设置响应同组中断，开全局中断步骤；此外，DSP是激振部分的主控制器，同时也是拾振部分的主控制器，在激振部分主要是SPWM波的产生以及激振和拾振过程的协调与控制；

产生SPWM波的原理可基于等效面积法、对称规则采样法、不对称规则采样法和自然采样法。其中，自然采样法原理简单而且直观，并具备十分确切的数理依据，通用性及可操作性也很强。图7a、7b和7c为基于自然采样法生成SPWM波激振信号的波形图：当正弦调制波与若干个等幅的三角载波在时间轴上相遇时，三角载波对正弦调制波进行采样，并令正弦调制波的零点与三角载波的峰点处于同相位，如图7a所示；所得的交点p₁...p₁₀表达为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值，交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲群，即为生成的SPWM波如图7b所示；该SPWM波的脉冲宽度按照正弦规律变化，SPWM波及其按正弦规律变化的波形如图7c所示。当然，也可以依据对称规则采样法等其它原理产生SPWM波。如图5和图6所示的DSP产生SPWM波的主程序流程图和中断程序流程图中，可以理解为是基于对称规则采样法实现的SPWM波。

B、DSP生成的SPWM波经光电隔离电路将干扰信号进行光电隔离，即光耦隔离电路实现DSP数字部分和模拟部分的电气隔离；

C、通过三阶巴特沃斯低通滤波器滤掉SPWM波的高次谐波，得到正弦波形信号；

D、通过幅度控制电路实现正弦波形信号的幅度调节，该幅度控制电路包括串行DA转换器、运算放大器和乘法器，串行DA转换器产生的参考电压经运算放大器后作为乘法器的一路输入信号，所述乘法器的另一路输入信号为正弦波形信号，所述乘法器对两路输入模拟信号相乘后输出正弦波形信号，从而实现了输出正弦波形的幅度调节；

E、功率放大电路将幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大，使其具有适当的驱动能力，将功率放大后的正弦波形信号送入激振线圈，即将其施加在振弦式仪器的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。

本实用新型所述的振弦式仪器的激振装置，适用于激振各种振弦式仪器，如激振单线圈振弦式仪器，以及激振双线圈振弦式仪器等。需要补充说明的是，对于双线圈振弦式仪器，由于其频率测量线圈包括激振线圈和拾振线圈，说明书所述频率测量线圈实为激振线圈，即将最终的正弦波形信号施加在激振线圈两端。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的SPWM波发生器、滤波电路和激振信号开关电路，所述SPWM波发生器生成SPWM波并将其输入至滤波电路，所述滤波电路进行滤波得到正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器中的频率测量线圈两端。

2.根据权利要求1所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述SPWM波发生器为DSP或CPLD或FPGA或单片机。

3.根据权利要求2所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述SPWM波发生器为DSP，所述DSP通过光电隔离电路连接至滤波电路，SPWM波发生器生成的SPWM波输入至光电隔离电路以将干扰信号进行光电隔离，光电隔离电路输出的SPWM波输入至滤波电路进行滤波以得到正弦波形信号。

4.根据权利要求3所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，还包括幅度控制电路，所述幅度控制电路的输入端与滤波电路的输出端相连，所述滤波电路输出的正弦波形信号输入至幅度控制电路进行波形幅度调节，所述幅度控制电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将幅度调节后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。

5.根据权利要求4所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与幅度控制电路的输出端相连，所述功率放大电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。

6.根据权利要求4所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述幅度控制电路包括串行DA转换器、运算放大器和乘法器，所述串行DA转换器产生的参考电压经运算放大器后作为乘法器的一路输入信号。

7.根据权利要求1所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述滤波电路为三阶巴特沃斯低通滤波器。 

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