一种振弦式传感器测读仪

摘要

一种振弦式传感器测读仪，包括以单片机为控制中心的数据采集终端和上位机；数据采集终端，包括激振电路、信号放大整形电路、温度采集电路、单片机和信号传输电路；激振电路，采用高压的方法使振弦式传感器产生谐振；信号放大整形电路，将振弦式传感器输出的频率信号放大并整形；温度采集电路，测量带有温度修正的振弦式传感器的负特性热敏电阻的阻值；单片机内置有频率测量模块和温度测量模块，用于控制激振电路、采集信号放大整形电路输出的信号和温度采集电路输出的信号，计算得到所测温度和频率值；信号传输电路，将所述单片机计算得到所测温度和频率值数据传给上位机；上位机内置工程管理模块。本发明可用于大规模工程中对振弦式传感器的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种振弦式传感器测读仪，属于工程测量的技术领域。

背景技术

振弦式传感器是一种将其它物理量，比如压强、扭矩等，转化为频率的传感 器。振弦式传感器直接输出的是振弦的振荡频率信号，因此具有抗干扰能力强、 受电参数影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点，从而在工程上得到了 广泛的应用。振弦式传感器的工作过程是：先使其激振，再接收其返回的频率信 号，测取谐振频率，最后经由标定公式运算以获取要测量的对应物理量。

目前用于测量振弦式传感器的测读仪只能简单地测量频率，或者辅以测量温 度来进行校正，比如申请公布号为CN102426052A的发明专利。然而测量者真 正关心的并不是直接测量所得的频率值以及温度值，而是以此推算出的物理量 值。因而，测量人员往往还需要纸笔记录下测量值，查参数表获取相应参数，再 利用标定公式运算，最终获得所需物理量值。然而，在一项工程中，往往有上百 个传感器，并且几乎每天都需要一到二次测量，因而这种测量方式会消耗大量的 时间和精力。

此外，现有的工具不能有效管理设有大量测量点的大规模工程的测量。公告 号为CN102401692A的发明专利在多测量点的工程上为每一测量点设置了单独 通道，但是通道数目有上限。而且，测量上所用到的振弦式传感器组成的参数表 和测量记录，往往存储在纸质表格或者计算机电子表格上，与测读仪分离，无法 在测量时查阅分析。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种振弦式传感器测读仪，目的在于利用 振弦式传感器实时直接测取物理量值，并可用于大型工程测量中对传感器和测量 记录进行管理。

本发明的技术方案如下：

一种振弦式传感器测读仪,包括以单片机为控制中心的数据采集终端和上位 机；

所述数据采集终端，包括激振电路、信号放大整形电路、温度采集电路、单 片机和信号传输电路；

所述激振电路，采用高压的方法使振弦式传感器产生谐振，优选的高压为 120V；

所述信号放大整形电路，将振弦式传感器输出的频率信号放大并整形；

所述温度采集电路，测量带有温度修正的振弦式传感器的负特性热敏电阻的 阻值，并向单片机输出A/D采样后的阻值数据；

所述单片机内置有频率测量模块和温度测量模块，用于控制激振电路、采集 信号放大整形电路输出的信号和温度采集电路输出的信号，并计算得到所测温度 和频率值；

所述信号传输电路，将所述单片机计算得到的所测温度和频率值数据传给上 位机；

所述上位机内置工程管理模块。

根据本发明优选的，所述的单片机内置的频率测量模块，工作步骤如下：

(1)单片机初始化，包括外部中断的初始化、定时器的初始化和外设接 口的初始化；

(2)设定自动调档共M个档位，从小到大依次为N₁,N₂,...,N_M；设定最 小计数阈值为n_r，设定计时器的计时时间间隔T_c；

(3)初始化当前档位序号i＝1，档位值为N_i；

(4)单片机控制高压发生电路产生高压，激振振弦式传感器；

(5)信号放大整形电路，将振弦式传感器输出的频率信号放大并整形， 获得被测方波信号；

(6)打开单片机外部中断和计时器，中断采用边缘触发方式，方波信号 上升沿或下降沿触发中断，中断计数器开始对被测方波信号周期进 行计数，值为N；计时器开始对时间间隔T_c计数，值为n；

(7)计数器计数到N＝N_i+1，即第N_i+1次外部中断时，关闭计时器和计 数器；此时计时器的计数值为n，即总计时时长为nT_c；

(8)判断计时器的计数值n和最小计数阈值n_r的大小，若n小于n_r，则 进入步骤(9)，否则进入步骤(10)；

(9)调大档位序号，即i＝i+1，改变相应档位值为N_i，转步骤(6)；

(10)计算被测频率其中N为被测方波信号周期的计数值，T_c为 设定的单片机计时器的计时时间间隔，n为单片机计时器计数值。

所述的单片机内置的温度测量模块，工作步骤如下：

(1)负特性热敏电阻的电阻值经A/D转换电路输入到单片机；

(2)由拟合公式获得温度值其中R为实 测热敏电阻阻值，参数A、B、C依靠温度阻值对照表拟合获得。

根据本发明优选的，所述的上位机内置的工程管理模块，其工作步骤如下：

(1)创建工程；

(2)创建参数表数据库和实测值数据库；所述参数表数据库，用于存储已 知参数，每条记录包含传感器编号、传感器标定频率系数K、传感器 标定频率模数初值F₀、传感器标定温度修正系数b、传感器标定温度 初值T₀、振弦式传感器的振弦数目、热敏电阻标称阻值；所述实测值 数据库，用于保存和查看测量所获数据，每条记录包括传感器编号、 实测频率、实测频率模数值、实测温度值、实测物理量值、测量时间、 附注信息；

(3)打开工程，选择所需功能：若选择“测量”功能，则进入步骤(4)- (8)；若选择“查看历史记录”功能，则进入步骤(9)-(10)；若 选择“参数表维护”功能，则进入步骤(11)-(12)；

(4)进入测量界面，选取所测振弦式传感器的编号；

(5)读取单片机数据，获得实测频率值f和实测温度值T，并计算频率模 数值F＝f²/1000；

(6)根据传感器编号查找参数表数据库，获取振弦式传感器参数，包括： 传感器标定频率系数K、传感器标定频率模数初值F₀、传感器标定温 度修正系数b、传感器标定温度初值T₀；

(7)由振弦式传感器的标定公式P＝K(F-F₀)+b(T-T₀)计算相应物理量的 值，其中，K是传感器标定频率系数、F₀是传感器标定频率模数初值、 b是传感器标定温度修正系数、T₀是传感器标定温度初值、F为实测 频率模数值和T代表实测温度；

(8)测量记录保存到实测值数据库中；

(9)选择记录文件；

(10)显示记录文件；

(11)打开参数表数据库；

(12)添加或修改参数表。

与现有技术方案相比较，本发明有以下的优点：

1、测量结果准确稳定，测频范围宽。采用新的测频方案，按信号频率自适 应调整测频档位，可获得更高的测频分辨。

2、测量物理量的自动运算显示。在建立工程时可同时创建参数表，从而在 测量过程中，显示频率、频率模数以及温度值的同时，在上位机上实时运算并显 示所测的相应物理量值。

3、完整的数据信息。每一条数据都含有点号、传感器类型、测量参数、测 量时间、测量值与运算所得物理量值等信息，数据全面，并能有效地体现物理量 的变化过程。

4、高效的数据管理。依靠数据库技术，可以高效统一地管理大规模工程上 各测量点的传感器参数，精准地查询测量数据，并可对数据条目删除及修改校正。

附图说明

图1、本发明所述一种振弦式传感器测读仪的结构图；

图2、本发明所述单片机内置的频率测量模块流程图；

图3、本发明所述上位机内置的工程管理模块的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示，本发明所述一种振弦式传感器测读仪，包括以单片机为控制中 心的数据采集终端A和控制测量及处理数据的上位机B，数据采集终端与上位 机通过串口通信协议进行通信。

所述的以单片机为控制中心的采集终端包括单片机1、激振电路2、信号放 大整形电路4、温度采集电路5和信号传输电路6；

所述单片机1选用MSP430F148芯片，可有效地降低功耗。

所述激振电路2含有高压发生电路和由可控硅组成的放电网络，采用高压激 振的方式激振工程现场安装的振弦式传感器3。优选的测量周期为1.5s：其中1s 提供给高压发生电路，使其有足够时间产生高压，优选高压为120V；余下的0.5s 控制放电电路放电产生高压脉冲使振弦式传感器起振。

所述信号放大电路4是由集成运算放大器组成的滤波放大网络，用于实现对 振弦式传感器的激振反馈信号进行超高倍放大，输出方波信号。

所述温度采集电路5采集负温度系数热敏电阻的A/D采样值。

所述信号传输电路6是上位机和单片机的通信接口，由PL2303HXD芯片将 串行信号从TTL形式转换为USB信号，采用串口协议传输采集的数据，包括所 测频率值和温度值。

所述的单片机内置频率测量模块和温度测量模块。

所述的单片机内置的频率测量模块，如图2所示，工作步骤如下：

(1)单片机初始化，包括外部中断的初始化、定时器的初始化和外设接 口的初始化；

(2)设定自动调档5个档位，分别为：档N₁＝120、档N₂＝240、档N₃＝480、 档N₄＝975和档N₅＝1980，对应的测频范围分别为：350～610.3Hz、 610～1220.7Hz、1220～2441.4Hz、2440～4959.1Hz和4959～8000 Hz。设定计时器的计时时间间隔T_c，优选1us，设定最小计数阈值 为n_r，参考计数值为0x30000(十六进制数)；

(3)初始化当前档位号i＝1，相应的档位值为120；

(4)单片机控制高压发生电路产生高压，激振振弦式传感器；

(5)信号放大整形电路，将振弦式传感器输出的频率信号放大并整形， 获得被测方波信号；

(6)打开单片机外部中断和计时器，中断采用边缘触发方式，方波信号 上升沿或下降沿触发中断，中断计数器开始对被测方波信号周期进 行计数，值为N；计时器开始对时间间隔T_c计数，值为n；

(7)计数器计数到N＝N_i+1，即第N_i+1次外部中断时，关闭计时器和计 数器。此时计时器的计数值为n，即总计时时长为nT_c；

(8)比较计时器的计数值n和最小计数阈值n_r＝0x30000(十六进制数) 的大小，若n小于n_r，则进入步骤(9)，否则进入步骤(10)；

(9)调大档位序号,即i＝i+1，改变相应档位值为N_i，转步骤(6)；

(10)计算被测频率其中N为被测方波信号周期的计数值，T_c为 设定的单片机计时器的计时时间间隔，n为单片机计时器计数值。

所述的单片机内置的温度测量模块，工作步骤如下：

(1)负特性热敏电阻的电阻值经A/D转换电路输入到单片机；

(2)由拟合公式获得温度值其中R为实 测热敏电阻阻值，参数A、B、C依靠温度阻值对照表拟合获得。

所述上位机B是带有OTG功能的Android平板电脑。上位机内置的工程管 理模块，是基于Android智能系统的应用程序。数据库管理采用的是Android系 统中嵌入的SQLite核心模块。

所述的上位机内置的工程管理模块，如附图3所示，其工作步骤如下：

(1)创建工程；

(2)创建参数表数据库和实测值数据库；所述参数表数据库，用于存储已 知参数，每条记录包含传感器编号、传感器标定频率系数K、传感器 标定频率模数初值F₀、传感器标定温度修正系数b、传感器标定温度 初值T₀、振弦式传感器的振弦数目、热敏电阻标称阻值；所述实测值 数据库，用于保存和查看测量所获数据，每条记录包括传感器编号、 实测频率、实测频率模数值、实测温度值、实测物理量值、测量时间、 附注信息；

(3)打开工程，选择所需功能：若选择“测量”功能，则进入步骤(4)- (8)；若选择“查看历史记录”功能，则进入步骤(9)-(10)；若 选择“参数表维护”功能，则进入步骤(11)-(12)；

(4)进入测量界面，选取所测振弦式传感器的编号；

(5)读取单片机数据，获得实测频率值f和实测温度值T，并计算频率模 数值F＝f²/1000；

(6)根据传感器编号查找参数表数据库，获取振弦式传感器参数，包括： 传感器标定频率系数K、传感器标定频率模数初值F₀、传感器标定温 度修正系数b、传感器标定温度初值T₀；

(7)由振弦式传感器的标定公式P＝K(F-F₀)+b(T-T₀)计算相应物理量的 值，其中，K是传感器标定频率系数、F₀是传感器标定频率模数初值、 b是传感器标定温度修正系数、T₀是传感器标定温度初值、F为实测 频率模数值和T代表实测温度；

(8)测量记录保存到实测值数据库中；

(9)选择记录文件；

(10)显示记录文件；

(11)打开参数表数据库；

(12)添加或修改参数表。

实施例2、

如实施例1所述的一种振弦式传感器测读仪，其区别在于，所述的上位机B 选用有蓝牙通讯方式的Android智能手机，所述的测量终端A设有蓝牙通信模块， 由电池方式供电。