单线圈型振弦传感器数据采集系统设计与实现

摘要

在现代的工程领域中传感器监测系统代替人工监测已经被广泛的应用。振弦式传感器从20世纪初问世以来，以其结构简单、坚固耐用、输出频率信号抗干扰性强等优点被广泛的应用于水利、交通、矿山、石油、岩土等工程领域中。但振弦式传感器在实际工程使用的过程中存在着内部钢弦间歇性难以起振、测量精度不高等问题，使得振弦式传感器无法应用于一些高要求场合，因此对振弦式传感器数据采集系统的研究是提高其在使用过程中可靠性的方法之一。
　　本文以单线圈型振弦式传感器为研究对象，针对其偶尔难以起振的问题，在
　　硬件上设计了驱动能力强的激振电路，在软件上设计了一种改进型自适应扫频法，提高了系统的可靠性。
　　不同类型的振弦式传感器由于制造工艺有差异，导致其输出信号的幅值有差异以及对钢弦的激励有难易之分。本文在硬件上通过对振弦式传感器拾振电路的设计，软件上设计了改进型自适应扫频法使得本系统可以适用于不同类型的振弦式传感器，扩展了系统对于不同类型的振弦式传感器的兼容性。
　　本文在拾振电路中在对传感器输出信号放大之前使用了差分低通滤波器，抑制了系统中可能存在的射频干扰，在对传感器输出信号第一次放大后使用了带通滤波器消除信号中可能存再的高频或低频干扰，在同等精度传感器的条件下，提高了系统的测量精度。
　　对于传感器输出信号的频率测量，本文先使用拾振电路对该小信号相应的处理使其成为矩形波，然后使用STM32内部定时器的捕获功能对其测频，相对于外部计数器测频方法简化了系统的硬件电路。
　　最后本文应用Multisim等仿真软件对测量部分硬件电路进行仿真，确保系统电路设计的准确可靠性。同时，使用本文设计的数据采集系统对实验室现有设备进行测量实验，并分析结果，验证了系统的工作性能。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作

1.4 本文组织结构

2 相关技术分析

2.1 单线圈振弦传感器结构及其工作原理

2.2 振弦式传感器数学模型

2.3 单线圈振弦式传感器激振原理

2.4 振弦式传感器的激振方式

2.5 信号检测原理

2.6 本章小结

3 系统总体方案设计

3.1 功能需求分析

3.2 振弦式传感器数据采集系统整体框架

3.3 核心芯片选型

3.4 系统主控模块方案设计

3.5 系统测量模块方案设计

3.6 本章小结

4 系统硬件电路设计与仿真

4.1 电源模块电路设计

4.2 主控模块电路设计

4.3 测量模块电路设计

4.4 电路板制作

4.5 本章小结

5 系统软件设计

5.1 系统总体软件设计方案

5.2 主控模块软件设计

5.3 测量模块程序设计

5.4 本章小结

6 结果分析

6.1 各模块调试情况

6.2 结果分析

6.3 本章小结

7 总结

致谢

参考文献

附录

A. 系统电路原理图

B. 作者在攻读学位取得的科研成果目录

C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目