振弦式传感器智能调试系统的设计与实现

1 引言
    振弦式传感器是一种基于钢弦振动原理的力学传感器，可测量压力、拉力和位移等物理参量。在土木工程和建筑领域中获得广泛应用。振弦式传感器因制造工艺所致，其产品性能参数离散性很大，难以按一个标准化流程生产出性能参数统一的批量产品。在生产调试过程中。传统的调试方法多是用一台测频仪接在传感器上(有条件的厂家还接一台李沙育图形显示器)，一边调整钢弦，一边观察测频仪的读数(和李沙育图形)，调试人员凭经验判断调试质量。为了稳定产品质量，需要一种具有一定智能的调试仪器代替目前的人工方法。这里给出一个具有一定智能功能的调试系统的设计与实现方法。

2 系统设计
    振弦式传感器的调试过程：将一台测频仪接在传感器上，为传感器提供激励信号并检测其输出频率，同时，可将一台李沙育图形显示器也

接在传感器上用以观察输出波形；接通仪器电源，传感器开始工作，调试人员根据测频仪测得的频率用钳子拉着钢弦调整其松紧度以改变传感

器输出频率；根据波形的持续时间判断是否有“碰弦”现象，通过拉紧钢弦或改变钢弦的高度排除“碰弦”；根据波形的圆滑和干净程度判断

钢弦是否有“拧麻花”现象，然后重新绷弦或用钳子将钢弦拧顺。可见，这种人工调试法基本上没有可操作的量化指标，调试质量全由调试人

员的经验和熟练程度决定，难以保证产品质量和参数的一致性。为减少调试过程中的主观因素，提高产品的质量和参数的一致性，设计一个智能调试系统，系统框图如图1所示。

    系统的工作流程：(1)将传感器同定在调试台上，用机械手(夹具)将钢弦拉直绷紧；(2)将调试系统两根测试线与传感器的输出线相连，将示波器与调试系统相连；(3)通过控制键盘向单片机输入标定频率值和误差允许范同值、标定波形持续时间(以毫秒计)及其误差允许范围；(4)按下“调试”键开始调试。
    系统不停地(或间歇地)激励传感器，使传感器输出频率信号，检测电路对信号进行放大、整形等调理，然后送单片机算出频率值并与设定值比较，若在误差范围之外，则单片机输出控制信号驱动步进电机A带动机械手沿钢弦拉直方向移动，以调整钢弦的松紧度，直到频率值落在误差范围内。
    频率调好后，看钢弦振动持续时间是否达标。在检测电路中，有一个信号幅度检测电路，当信号幅度低于设定值时，它会输出一个触发信号通知单片机．单片机据此可算出波形的持续时间，也就是钢弦振动持续时间，如果该时间小于设定值，则将结果显示在显示屏上，并驱动蜂鸣器报警，直到找出问题。
    波形毛刺的多少和大小反映波形的圆滑程度。自动判断该指标较困难，需将模拟波形进行A／D转换，然后对样值进行曲线拟合，根据样值点的误差和个数得出最后结论；也可用肉眼观察判断。
    如波形不圆滑，则单片机自动控制步进电机B使机械手做一定度数的转动(一般±51°即可)或按控制键控制，直到满意为止。上述调试步骤一般需重复1～2次，完成后就可固定钢弦，结束传感器的调试工作。整个调试流程如图2所示。

3 系统实现
    图中的标准信号产生电路实际上是一个频率可变的正弦信号发生器，用来产生与传感器频率相同(或成一定比例)的正弦信号，用以显示李沙育图形，一般可用函数器件构成，如ICL8038、XR2206和MAX038等。
    其中ICL8038器件可输出方波、正弦波和三角波，具有精度高，频率范围大等特点。系统选用ICL8038输出变化范围500 Hz～6 kHz的正弦波，实际应用证明性能良好。图3为ICL8038的典型应用电路。若采用普通51系列单片机(MCU)，如AT89C52、AT89C51 等，则需外加A／D转换器才能进行圆滑程度的自动检测。

    显示屏用LED或LCD均可。系统采用串行控制带背光的14位LCD显示模块(LCM141)，不仅简化电路，还节省MCU的端口线，使用效果良好。该系统在实现上的难点除了上述的波形自动判别外，还有对测试台上两个电机的控制。为了提高测量精度，要求机械手的移动精度小于0．1mm、转动精度小于0． 1°这就必须在步进电机与机械手之间加装减速机构；另外要注意调整测量的时序配合，一次调整测量后至少要延迟3 s再进行下次的测量。

4 结束语
    振弦式传感器是土木工程质量监测中的一个关键部件，其质量的好坏直接影响监测精度。为了克服因制造工艺导致的产品性能参数离散性大，每个传感器都需要单独调试和标定的缺点，改善靠人工调整钢弦，凭调试人员经验判断调试质量的传统调试方法，提高产品质量，设计了一个智能调试系统。该系统主要南带机械手的调试台、示波器、激励电路、检测电路、控制电路、显示电路和MCU等要素组成。试验表明，系统运行正确，缩短了调试时间，提高了产品质量，具有较高的实用价值。