振弦式传感器是现在应力、应变丈量中较为先进的传感器之一。振弦式传感器的输出是频率信号，信号处理过程中无须进行A/D及D/A转化，因此，抗搅扰能力强，信号传输间隔远，并且对传输电缆要求低。别的，振弦式传感器还具有结构简略、精度高、寿命长等特色， 因此一向遭到工程界的重视。在工程运用中，振弦式传感器能够埋入或焊接在被测验件上，根本不存在张贴剂老化和掉落问题，具有很好的安稳性和重复性。关于细小的被测力改变可发生较大的频率改变，具有很高的灵敏度。
跟着现代电子读数仪技能、资料及生产工艺的开展，振弦式仪器技能也不断得以完善，成为新一代工程仪器的潮流，被广泛运用在修建物根底、大坝、桥梁、公路、核电站的水泥外壳等需求对受力、位移、微裂缝的丈量中，还能够作为电子秤、皮带秤、轿车秤等的要害传感器。为了精确丈量应力、应变的改变，除了要研讨振弦式传感器的资料特性外，还有必要处理振弦传感器的激振和测频读数技能。为此，本文对振弦式传感器的激振技能和测频读数技能展开了研讨，介绍了根据PIC16F873单片机内比较输出形式的多路振弦传感器的扫频激振技能。
1 传统的间歇激振办法
为了丈量出振弦的固有频率，有必要设法激起弦振荡。激起弦振荡的办法一般有2种：（1）接连激振办法。这种办法又分为电流法和电磁法，在电流法中，振弦作为振荡器的一部分，振弦中经过电流，所以有必要考虑振弦与外壳的绝缘问题。若绝缘资料与振弦热膨胀系数不同大，则易发生温差，影响丈量精度，接连激振简单使振弦疲惫。（2）间歇激振办法。如图1所示，振弦上装有一块小纯铁片，周围放置电磁铁，当电磁铁线圈通入脉动电流i后，电磁铁的磁性大大增强，然后吸住小铁片（振弦）；当线圈中无电流流过，电磁铁就开释振弦。如此循环激振，弦就发生振荡。要保持弦持续振荡，就应不断地激起振弦。即电磁铁每隔必守时刻经过一次脉冲电流，使电磁铁守时地招引振弦，故须在电磁铁的线圈通以必定周期的脉冲电流。当中止激振时，因为惯性的作用，振弦持续做阻尼振荡，电磁铁线圈中发生感应电动势，感应电动势的频率与弦的阻尼振荡频率持平。这样可由输出电势的频率测得振弦的固有振荡频率。
这种间歇式激振电路杂乱，一般由张驰振荡器、电磁继电器、电源等部分组成。电磁继电器的体积大、功耗大、机械触点作业牢靠性欠佳，振荡器的振荡频率调理规模不大，并且调理不能在线主动完结，然后使振弦起振有时较困难［2］。当要一起监测多路振弦传感器时，电路变得愈加杂乱。更为严重的是继电器驱动的激振线圈是理性负载，在间歇激振时发生较大的电磁搅扰，影响了监测精度，对其他电路的正常作业形成搅扰。为处理这些问题，关于多路振弦传感器的扫频激振选用时分复用办法。即多路传感器共用一个扫频信号源，当要巡检某路传感器时，由挑选开关将扫频信号源与此路传感器接通；用MOS FET继电器代替电磁继电器。这样，不光简化了电路，并且很好地处理了电磁搅扰问题。
2 扫频激振原理及电路规划
2.1 扫频激振原理
扫频激振技能是用一串接连改变的频率信号扫频输出去激振振弦传感器的激振线圈。当信号的频率和振弦的固有频率邻近时，振弦能敏捷到达共振状况，然后牢靠起振。振弦起振后，其在线圈中发生的感应电势的频率便是振弦的固有频率。因为激振信号的频率用软件操控便利，所以只需知道振弦固有频率的大致规模（一般对一种已知传感器固有频率的大致规模是确认的），就可用这个频率邻近的激振信号去激起它，使振弦很快起振。
2.2 扫频激振电路的规划
比较其他系列单片机，PIC系列单片机开发环境优胜，精简的指令集和单字节指令使其履行效率高［3］。芯片内部自带看门狗守时器、A/D转化器、比较模块、USART异步串口通讯模块、EEPROM存储器，然后精简了电路规划，降低了本钱。因为能够设置睡觉和低功耗形式，削减了电路的功耗，进步了电路的牢靠性。根据PIC16F873A的多路振弦传感器的扫频激振的硬件电路如图2所示。整个硬件电路分为中心操控器、扫频激振电路、显现模块、参数输入模块、等精度测频模块、RS485通讯模块等部分。
一般的单线圈振弦式传感器的固有频率规模是400 Hz～4 500 Hz之间，其输出频率随所受压力的改变而改变。若扫频信号的频率规模是400 Hz～4 500 Hz，需求扫频的时刻长、激振作用差、可控性差。为了削减扫频时刻，进步丈量速度，根据振弦传感器的输出频率规模设置不同的扫频频段。其办法是：由参数输入电路输入扫频信号频率的上限值fmax和下限值fmin，以及相邻2个扫频信号频率的差值Δf，这些参数存储在单片机的片内EEPROM中。这样，输出的扫频信号很有针对性，输出的激振频率可控性好。这些正是该扫频激振技能的杰出长处。
关于多通道振弦传感器的挑选和阻隔是经过金属化场效应管（MOSFET）固态继电器完结的。当挑选某一路传感器时，其对应的MOSFET固态继电器导通，而其他路的MOSFET固态继电器截止。尽管其他路传感器的激振线圈经过MOSFET接在恒流激振电路的输出端，可是MOSFET截止时的漏电流极小，处于高阻态，因此不会对所选通路形成影响。别的，选通电路和恒流驱动电路是光阻隔的，然后避免了选通电路和恒流驱动电路相互影响，进一步进步了扫频激振电路的牢靠性。
根据振弦式传感器的特性，当激振信号太强时，振弦会发生倍频振荡，因为倍频成分的不同，使得同一传感器取得的频率不同［4］。选用了恒流弱激振的办法，调整激振电流的巨细，使其能牢靠激振振弦传感器的基频，而又远离倍频。恒流激振的另一个长处是能够疏忽传感器引线电阻的影响。
3 扫频激振的软件规划
单片机PIC16F873A内带有捕捉/比较模块，用比较形式发生扫频信号十分便利。当要输出扫频激振信号时，首要使挑选的通道号对应的MOSFET固态继电器导通，而使其他通道的MOSFET固态继电器截止处于高阻状况；其次，将捕捉/比较模块设置在比较形式下，把扫频信号频率的下限值fmin送到16 bit的比较数据寄存器中，清零守时器1的数据寄存器并发动守时器1开端守时计数。这时，比较数据寄存器中的值不断与守时器1数据寄存器的值比较，当两者持平时发生一个比较中止。在比较中止子程序中首要完结以下使命：（1）扫频信号输出口电平回转；（2）输出扫频信号的频率添加一个步距Δf；（3）将输出信号频率与扫频的上限频率值fmax比较，当扫频的频率值高于上限频率fmax时，中止扫频输出。用比较形式发生扫频信号的比较中止子程序框图如图3所示。
4 仿真成果
为了验证扫频激振电路的作用，选用美国基康公司的VK4100、VK4150型振弦传感器，在WE-30全能资料实验机上对振弦传感器进行模仿加载实验，其测验数据如表1所示。表中“核算应变”、“核算频率”是根据VK4100、VK4150的数学模型核算的值。经过对表1 数据的进一步剖析能够看出，用该扫频激振办法不光对同一振弦传感器在不同受力状况时测频的相对误差小，并且对不同振弦传感器测频的相对误差也很小，完结了安稳的扫频和牢靠的激振。从表中还能够看出，实践丈量的频率值与理论值十分挨近。
用单片机的比较输出形式发生扫频信号，省去了专用的扫频信号发生器芯片，简化了电路规划，进步了丈量电路的牢靠性，突破了传统的外表丈量体系的规划办法。恒电流弱激振电路的运用，进步了振弦传感器扫频激振的牢靠性和安稳性，避免了倍频信号的发生。此种扫频激振办法已成功地运用于某船只应力监测体系中，使长时间实时监测船只的受力状况成为实际。不光为船只的运用、保护和保养供给了充沛的根据，也为船只的规划、改善、制作供给了实在牢靠的数据及较高的运用价值。这种测频办法也可推行到其他范畴，如核电站外壳、修建大坝等需求长时间应力监测的场合，具有宽广的运用远景。
