振弦式傳感器智能調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(cè)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(yīng)用。振弦式傳感器因制造工藝所致，其產(chǎn)品性能參數(shù)離散性很大，難以按一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化流程生產(chǎn)出性能參數(shù)統(tǒng)一的批量產(chǎn)品。在生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中。傳統(tǒng)的調(diào)試方法多是用一臺(tái)測(cè)頻儀接在傳感器上(有條件的廠家還接一臺(tái)李沙育圖形顯示器)，一邊調(diào)整鋼弦，一邊觀察測(cè)頻儀的讀數(shù)(和李沙育圖形)，調(diào)試人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)試質(zhì)量。為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，需要一種具有一定智能的調(diào)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(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
振弦式傳感器的調(diào)試過(guò)程：將一臺(tái)測(cè)頻儀接在傳感器上，為傳感器提供激勵(lì)信號(hào)并檢測(cè)其輸出頻率，同時(shí)，可將一臺(tái)李沙育圖形顯示器也

接在傳感器上用以觀察輸出波形；接通儀器電源，傳感器開(kāi)始工作，調(diào)試人員根據(jù)測(cè)頻儀測(cè)得的頻率用鉗子拉著鋼弦調(diào)整其松緊度以改變傳感

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

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

員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度決定，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和參數(shù)的一致性。為減少調(diào)試過(guò)程中的主觀因素，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和參數(shù)的一致性，設(shè)計(jì)一個(gè)智能調(diào)試系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程：(1)將傳感器同定在調(diào)試臺(tái)上，用機(jī)械手(夾具)將鋼弦拉直繃緊；(2)將調(diào)試系統(tǒng)兩根測(cè)試線與傳感器的輸出線相連，將示波器與調(diào)試系統(tǒng)相連；(3)通過(guò)控制鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入標(biāo)定頻率值和誤差允許范同值、標(biāo)定波形持續(xù)時(shí)間(以毫秒計(jì))及其誤差允許范圍；(4)按下“調(diào)試”鍵開(kāi)始調(diào)試。
系統(tǒng)不停地(或間歇地)激勵(lì)傳感器，使傳感器輸出頻率信號(hào)，檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形等調(diào)理，然后送單片機(jī)算出頻率值并與設(shè)定值比較，若在誤差范圍之外，則單片機(jī)輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)A帶動(dòng)機(jī)械手沿鋼弦拉直方向移動(dòng)，以調(diào)整鋼弦的松緊度，直到頻率值落在誤差范圍內(nèi)。
頻率調(diào)好后，看鋼弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間是否達(dá)標(biāo)。在檢測(cè)電路中，有一個(gè)信號(hào)幅度檢測(cè)電路，當(dāng)信號(hào)幅度低于設(shè)定值時(shí)，它會(huì)輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)通知單片機(jī)．單片機(jī)據(jù)此可算出波形的持續(xù)時(shí)間，也就是鋼弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間，如果該時(shí)間小于設(shè)定值，則將結(jié)果顯示在顯示屏上，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)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(biāo)較困難，需將模擬波形進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，然后對(duì)樣值進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)樣值點(diǎn)的誤差和個(gè)數(shù)得出最后結(jié)論；也可用肉眼觀察判斷。
如波形不圓滑，則單片機(jī)自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)B使機(jī)械手做一定度數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)(一般±51°即可)或按控制鍵控制，直到滿(mǎn)意為止。上述調(diào)試步驟一般需重復(fù)1～2次，完成后就可固定鋼弦，結(jié)束傳感器的調(diào)試工作。整個(gè)調(diào)試流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
圖中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生電路實(shí)際上是一個(gè)頻率可變的正弦信號(hào)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(hào)，用以顯示李沙育圖形，一般可用函數(shù)器件構(gòu)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(tǒng)選用ICL8038輸出變化范圍500 Hz～6 kHz的正弦波，實(shí)際應(yīng)用證明性能良好。圖3為ICL8038的典型應(yīng)用電路。若采用普通51系列單片機(jī)(MCU)，如AT89C52、AT89C51 等，則需外加A／D轉(zhuǎn)換器才能進(jìn)行圓滑程度的自動(dòng)檢測(cè)。

顯示屏用LED或LCD均可。系統(tǒng)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(jié)省MCU的端口線，使用效果良好。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)除了上述的波形自動(dòng)判別外，還有對(duì)測(cè)試臺(tái)上兩個(gè)電機(jī)的控制。為了提高測(cè)量精度，要求機(jī)械手的移動(dòng)精度小于0．1mm、轉(zhuǎn)動(dòng)精度小于0． 1°這就必須在步進(jìn)電機(jī)與機(jī)械手之間加裝減速機(jī)構(gòu)；另外要注意調(diào)整測(cè)量的時(shí)序配合，一次調(diào)整測(cè)量后至少要延遲3 s再進(jìn)行下次的測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)
振弦式傳感器是土木工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接影響監(jiān)測(cè)精度。為了克服因制造工藝導(dǎo)致的產(chǎn)品性能參數(shù)離散性大，每個(gè)傳感器都需要單獨(dú)調(diào)試和標(biāo)定的缺點(diǎn)，改善靠人工調(diào)整鋼弦，憑調(diào)試人員經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)試質(zhì)量的傳統(tǒng)調(diào)試方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能調(diào)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要南帶機(jī)械手的調(diào)試臺(tái)、示波器、激勵(lì)電路、檢測(cè)電路、控制電路、顯示電路和MCU等要素組成。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行正確，縮短了調(diào)試時(shí)間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的實(shí)用價(jià)值。