振弦式傳感器智能調試系統的設計與實(shí)現

1 引言
振弦式傳感器是一種基于鋼弦振動(dòng)原理的力學(xué)傳感器，可測量壓力、拉力和位移等物理參量。在土木工程和建筑領(lǐng)域中獲得廣泛應用。振弦式傳感器因制造工藝所致，其產(chǎn)品性能參數離散性很大，難以按一個(gè)標準化流程生產(chǎn)出性能參數統一的批量產(chǎn)品。在生產(chǎn)調試過(guò)程中。傳統的調試方法多是用一臺測頻儀接在傳感器上(有條件的廠(chǎng)家還接一臺李沙育圖形顯示器)，一邊調整鋼弦，一邊觀(guān)察測頻儀的讀數(和李沙育圖形)，調試人員憑經(jīng)驗判斷調試質(zhì)量。為了穩定產(chǎn)品質(zhì)量，需要一種具有一定智能的調試儀器代替目前的人工方法。這里給出一個(gè)具有一定智能功能的調試系統的設計與實(shí)現方法。

2 系統設計
振弦式傳感器的調試過(guò)程：將一臺測頻儀接在傳感器上，為傳感器提供激勵信號并檢測其輸出頻率，同時(shí)，可將一臺李沙育圖形顯示器也

接在傳感器上用以觀(guān)察輸出波形；接通儀器電源，傳感器開(kāi)始工作，調試人員根據測頻儀測得的頻率用鉗子拉著(zhù)鋼弦調整其松緊度以改變傳感

器輸出頻率；根據波形的持續時(shí)間判斷是否有“碰弦”現象，通過(guò)拉緊鋼弦或改變鋼弦的高度排除“碰弦”；根據波形的圓滑和干凈程度判斷

鋼弦是否有“擰麻花”現象，然后重新繃弦或用鉗子將鋼弦擰順?？梢?jiàn)，這種人工調試法基本上沒(méi)有可操作的量化指標，調試質(zhì)量全由調試人

員的經(jīng)驗和熟練程度決定，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和參數的一致性。為減少調試過(guò)程中的主觀(guān)因素，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和參數的一致性，設計一個(gè)智能調試系統，系統框圖如圖1所示。

系統的工作流程：(1)將傳感器同定在調試臺上，用機械手(夾具)將鋼弦拉直繃緊；(2)將調試系統兩根測試線(xiàn)與傳感器的輸出線(xiàn)相連，將示波器與調試系統相連；(3)通過(guò)控制鍵盤(pán)向單片機輸入標定頻率值和誤差允許范同值、標定波形持續時(shí)間(以毫秒計)及其誤差允許范圍；(4)按下“調試”鍵開(kāi)始調試。
系統不停地(或間歇地)激勵傳感器，使傳感器輸出頻率信號，檢測電路對信號進(jìn)行放大、整形等調理，然后送單片機算出頻率值并與設定值比較，若在誤差范圍之外，則單片機輸出控制信號驅動(dòng)步進(jìn)電機A帶動(dòng)機械手沿鋼弦拉直方向移動(dòng)，以調整鋼弦的松緊度，直到頻率值落在誤差范圍內。
頻率調好后，看鋼弦振動(dòng)持續時(shí)間是否達標。在檢測電路中，有一個(gè)信號幅度檢測電路，當信號幅度低于設定值時(shí)，它會(huì )輸出一個(gè)觸發(fā)信號通知單片機．單片機據此可算出波形的持續時(shí)間，也就是鋼弦振動(dòng)持續時(shí)間，如果該時(shí)間小于設定值，則將結果顯示在顯示屏上，并驅動(dòng)蜂鳴器報警，直到找出問(wèn)題。
波形毛刺的多少和大小反映波形的圓滑程度。自動(dòng)判斷該指標較困難，需將模擬波形進(jìn)行A／D轉換，然后對樣值進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，根據樣值點(diǎn)的誤差和個(gè)數得出最后結論；也可用肉眼觀(guān)察判斷。
如波形不圓滑，則單片機自動(dòng)控制步進(jìn)電機B使機械手做一定度數的轉動(dòng)(一般±51°即可)或按控制鍵控制，直到滿(mǎn)意為止。上述調試步驟一般需重復1～2次，完成后就可固定鋼弦，結束傳感器的調試工作。整個(gè)調試流程如圖2所示。

3 系統實(shí)現
圖中的標準信號產(chǎn)生電路實(shí)際上是一個(gè)頻率可變的正弦信號發(fā)生器，用來(lái)產(chǎn)生與傳感器頻率相同(或成一定比例)的正弦信號，用以顯示李沙育圖形，一般可用函數器件構成，如ICL8038、XR2206和MAX038等。
其中ICL8038器件可輸出方波、正弦波和三角波，具有精度高，頻率范圍大等特點(diǎn)。系統選用ICL8038輸出變化范圍500 Hz～6 kHz的正弦波，實(shí)際應用證明性能良好。圖3為ICL8038的典型應用電路。若采用普通51系列單片機(MCU)，如AT89C52、AT89C51 等，則需外加A／D轉換器才能進(jìn)行圓滑程度的自動(dòng)檢測。

顯示屏用LED或LCD均可。系統采用串行控制帶背光的14位LCD顯示模塊(LCM141)，不僅簡(jiǎn)化電路，還節省MCU的端口線(xiàn)，使用效果良好。該系統在實(shí)現上的難點(diǎn)除了上述的波形自動(dòng)判別外，還有對測試臺上兩個(gè)電機的控制。為了提高測量精度，要求機械手的移動(dòng)精度小于0．1mm、轉動(dòng)精度小于0． 1°這就必須在步進(jìn)電機與機械手之間加裝減速機構；另外要注意調整測量的時(shí)序配合，一次調整測量后至少要延遲3 s再進(jìn)行下次的測量。

4 結束語(yǔ)
振弦式傳感器是土木工程質(zhì)量監測中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接影響監測精度。為了克服因制造工藝導致的產(chǎn)品性能參數離散性大，每個(gè)傳感器都需要單獨調試和標定的缺點(diǎn)，改善靠人工調整鋼弦，憑調試人員經(jīng)驗判斷調試質(zhì)量的傳統調試方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，設計了一個(gè)智能調試系統。該系統主要南帶機械手的調試臺、示波器、激勵電路、檢測電路、控制電路、顯示電路和MCU等要素組成。試驗表明，系統運行正確，縮短了調試時(shí)間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的實(shí)用價(jià)值。