羅 群，曾國強，黃 銳，譚承君，劉璽堯

（成都理工大學 核技術(shù)與自動化工程學院，成都 610059）

在野外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，監(jiān)測傳感器的位置通常比較分散，傳統(tǒng)電流型或者電壓型輸出信號易受電纜長度的影響，導(dǎo)致信號被衰減。振弦式傳感器輸出的是頻率信號，抗干擾能力強，適用于遠距離傳輸測量信號，因而振弦傳感器被廣泛采用，常見的有土壓力計、孔隙水壓力與應(yīng)變計等。振弦傳感器基本原理[1]是繃緊的鋼弦被放置在磁場中由信號激勵后產(chǎn)生自由振蕩（即共振），共振的鋼弦同時切割磁力線在拾振線圈中感應(yīng)出電動勢，測得感應(yīng)電動勢的頻率即可測得鋼弦的共振頻率。鋼弦的共振頻率與其長度、材料、直徑以及內(nèi)部應(yīng)力具有確定的函數(shù)關(guān)系，當傳感器被制成后，長度、材料、直徑都被固定，測得電動勢的頻率便可知鋼弦受力變化。本文依托于某野外地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測項目設(shè)計的振弦讀數(shù)儀，現(xiàn)在已投入使用，效果良好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

振弦讀數(shù)儀的設(shè)計主要涉及三個模塊，即振弦傳感器的激勵模塊、共振信號的拾取與頻率測量模塊、野外環(huán)境溫度的測量模塊。振弦傳感器的激勵方式[2]主要分為連續(xù)激振與間歇激振兩種。本文選擇的是間歇激勵方式，系統(tǒng)產(chǎn)生激振高壓脈沖施加到激振線圈，內(nèi)部鋼弦產(chǎn)生振動，高壓脈沖過后，自由振動的鋼弦切割磁力線從激振線圈中輸出微弱（uV）的衰減正弦波，持續(xù)時間1 s左右，經(jīng)后級濾波、放大后整形成同頻方波，再利用ARM處理器脈沖邊沿捕捉技術(shù)測量信號頻率，本文選擇這種方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 多通道振弦讀數(shù)儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of multi-channel vibrating wire readout

從圖1中看出，該振弦讀數(shù)儀主要構(gòu)成部分有激振電路、信號調(diào)理電路、溫度測量、高速ARM控制器以及一些外部接口。激振電路產(chǎn)生激勵電壓，ARM控制器來控制整個激勵、測量的過程。ARM控制器通過控制耐高壓PMOS管來加載激勵電壓到傳感器，大約10 ms后關(guān)閉激勵電源，傳感器內(nèi)部鋼弦自由振蕩切割磁力線在激勵線圈中耦合出微弱衰減正弦波，該信號再經(jīng)過信號處理電路濾波、放大、整形成同頻方波，供ARM控制器測頻。多數(shù)振弦傳感器內(nèi)部都封裝有熱敏電阻，該振弦讀數(shù)儀設(shè)置有高精度四線制電阻測量電路，測量出電阻值后，再利用線性插值法擬合出環(huán)境溫度。ARM控制器連接SPI接口或者UART接口將測量結(jié)果發(fā)送至PC機或者其他設(shè)備。

2 激振電路

激振電路產(chǎn)生激勵高壓電源，并結(jié)合多路耐高壓激振切換開關(guān)在ARM控制器的作用下完成多路傳感器的輪流激振。

2.1 高壓電源變換電路

高壓電源變換電路的作用是為振弦傳感器提供起振電源，其電路圖如圖2所示。

圖2 高壓電源變換電路Fig.2 High-voltage power conversion circuit

該振弦讀數(shù)儀傳感器起振電壓為+32 V，采用集成升壓芯片LT1930完成[3]。LT1930是工業(yè)級高效率SOT-23封裝開關(guān)電源調(diào)節(jié)芯片，具有輸出電流1 A和工作頻率1.2 MHz的特性，輸出級設(shè)計了由C42、C43、L7、Q4、C40 構(gòu)成的電子濾波器，大大降低了激勵電源的紋波。同時，利用該芯片自帶的電源關(guān)斷功能，在成功激勵振弦傳感器后，迅速關(guān)斷該芯片，從而減小該DC-DC芯片工作給地線帶來的噪聲干擾，提高振弦讀數(shù)的精度。

2.2 多路振弦激振切換開關(guān)

圖3所示為耐高壓多路振弦激振切換開關(guān)，圖中給出了通道1的詳細原理圖，其余通道與通道1相同。本文采用對每個振弦傳感器輪流激振的方式[4]實現(xiàn)多路振弦信號的激勵，采用的是耐高壓的PMOS管實現(xiàn)高壓的輪流切換起到對振弦傳感器激振的效果。VIB_PWR為激振電壓輸入，經(jīng)耐高壓PMOS管Q9給傳感器提供激振電源。R23、Q35、R29、Q5組成Q9開關(guān)驅(qū)動電路，減少開關(guān)損耗。具體起振過程為，端口V_S1輸出高電位，Q5飽和導(dǎo)通，PMOS管Q9導(dǎo)通，通道1傳感器被激勵起振，其余通道激振方法相同。為節(jié)約端口，V_S1～V_S8采用74HC164串并轉(zhuǎn)換芯片輸出。

圖3 多路振弦激勵切換開關(guān)電路Fig.3 Vibrating multi-channel excitation switch circuit

3 信號調(diào)理電路

3.1 多通道前置信號處理保護電路

圖4為多路前置信號處理保護電路圖。由于激勵電源為高壓信號，因此為了保證后級放大器的安全，需要有合適的前置信號處理及保護電路。電容C27耦合出拾振信號，并與R12、R15、C25組成帶通濾波電路，帶寬約為 338 Hz～10 kHz，對拾振信號進行初級濾波。D1為低泄露雙二極管，將輸出信號限幅在±5 V以內(nèi)。

3.2 多級信號處理電路

多級信號處理電路的作用即是對拾振信號濾波放大，并整形成便于ARM測頻模塊處理的脈沖信號。其主要由多路模擬開關(guān)、差分儀表放大電路、高級有源帶通濾波電路以及高速比較器構(gòu)成。其中模擬開關(guān)電路配合多路振弦激振切換開關(guān)使用，模擬開關(guān)選擇的通道與振弦切換開關(guān)激振通道相同，用以實現(xiàn)多通道測量功能。差分儀表放大器實現(xiàn)振弦拾振信號一級放大，采用差分放大的優(yōu)勢是可以盡可能地提高信噪比，抑制工模噪聲與地線噪聲。經(jīng)過儀表放大器后的振弦激勵信號中包含有環(huán)境中的工頻噪聲，電路板自身噪聲，而且振弦激勵信號本身非常微弱，因此必須設(shè)計性能優(yōu)異的有源帶通濾波器，濾除干擾噪聲，只保留有用信號。高速比較器將經(jīng)過帶通濾波后的振弦激勵信號變換為方波信號，便于頻率的測量。有源帶通濾波電路如圖5所示，其它信號處理電路此處省略。

濾波電路由一級開關(guān)電容濾波器和四級二階壓控電壓源高通[5]濾波電路構(gòu)成。開關(guān)電容濾波器LTC1569完成，濾除高頻噪聲。LTC1569是截止頻率可調(diào)的10階低通濾波器[6]，具有線性相位、高DC準確度的特性，最大截止頻率可達300 kHz（5 V供電）。它有很低的失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流，并具有很快的動態(tài)范圍。截止頻率為

圖4 多路前置信號處理保護電路圖Fig.4 Multi-channel pre-signal processing circuit protection

圖5 多級有源帶通濾波放大電路Fig.5 Multi-stage active bandpass filter amplifier circuit

其中：REXT=13.3 kΩ，故 Fp=6 kHz；

以第一級二階壓控電壓源高通濾波電路[5]為例，其歸一化后的傳遞函數(shù)為

4 四線制電阻測量電路

該振弦讀數(shù)儀通常跟隨地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)安裝在野外，野外工作環(huán)境惡劣，晝夜溫差大。不管哪種振弦式傳感器其內(nèi)部鋼弦固有頻率都會受到溫度的影響而發(fā)生變化，因此大多數(shù)振弦式傳感器內(nèi)部都封裝有熱敏電阻，可以精確測量該熱敏電阻的阻值換算為溫度，再通過溫度補償公式消除溫度的影響，從而提高振弦傳感器的測量精度。本文設(shè)計的高精度熱敏電阻測量電路[7]如圖6所示。

圖6 高精度熱敏電阻測量電路Fig.6 Precision thermal resistance measurement circuit

電路工作原理，電流由Cur+經(jīng)過熱敏電阻流向Cur-，在電阻上形成的壓降經(jīng)Vol+、Vol-輸入至減法器轉(zhuǎn)換成單端對地信號送入ADC采集。連接熱敏電阻四根導(dǎo)線從傳感器內(nèi)部引出，當導(dǎo)線較長，由于Vol+、Vol-是電壓信號，只取恒流源在熱敏電阻兩端的壓降，相比于傳統(tǒng)的兩線制可以剔除長導(dǎo)線的影響。運放U23A工作在線性放大狀態(tài)，根據(jù)虛短虛斷分析原理，U23A反向端電壓等于同相端[8]，UN=UP=2.5 V，故恒流源的值：

ADC采用測頻模塊中ARM單片機自帶分辨率12 bit、轉(zhuǎn)換速率達1 MHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再由過采樣技術(shù)使分辨率達到16bit。避免了單獨使用ADC芯片，既保證了轉(zhuǎn)換精度，又簡化電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

5 實測結(jié)果

本文選擇四川省南部縣某滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點作為實驗點，將該振弦讀數(shù)儀與基康公司的讀數(shù)儀BGK-408對振弦傳感器測量結(jié)果作對比，監(jiān)測點環(huán)境溫度26.5℃，濕度49.5%。測量時間1 h，每10 min測量一次，被測傳感器有土壓力計、孔隙水壓力計。測量結(jié)果如表1、2所示。

表1 土壓力與孔隙水壓力計測量結(jié)果對比Tab.1 Earth pressure and pore water pressure measurement results contrast

表2 熱敏電阻測量結(jié)果對比Tab.2 Comparison thermistor measurements

上表中A列為本文設(shè)計的振弦讀數(shù)儀測量結(jié)果，B列為基康公司的讀數(shù)儀測量結(jié)果。分析測量結(jié)果，頻率測量的分辨率達到0.1 Hz，測量精度為0.2 Hz，電阻測量誤差小于0.1%，達到了設(shè)計目標。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的多通道振弦讀數(shù)儀使用高速ARM處理器作為測頻模塊，頻率測量分辨率達到了0.1 Hz。同時還設(shè)計了高精度的熱敏電阻測量電路，可實時測量出環(huán)境溫度，通過溫度補償公式消除溫度的影響，從而提高振弦傳感器的測量穩(wěn)定度?？稍?/p>

野外環(huán)境溫度惡劣的情況下使用，各項指標符合野外監(jiān)測設(shè)備的要求。該振弦讀數(shù)儀現(xiàn)已投入使用，運行效果良好，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供準確數(shù)據(jù)。

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