肖娜麗 / 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

振弦式頻率讀數(shù)儀（以下簡稱振弦儀）為振弦式傳感器的測量儀表，根據(jù)激勵(lì)方式分為脈沖高壓式振弦儀、脈沖低壓式振弦儀和掃頻式振弦儀三類，其中，脈沖高壓式振弦儀市場占有率最高。脈沖高壓式振弦儀通過主動(dòng)發(fā)出激勵(lì)信號，測量工程用金屬弦的自振頻率，從而獲取弦所受的拉力、應(yīng)力、滲壓、沉降等。該類儀器被廣泛應(yīng)用于水壩、隧道、公路、橋梁、礦井等建筑工程的安全監(jiān)測及診斷，是促進(jìn)工程建設(shè)安全生產(chǎn)的有力保障[1-3]。反之，若振弦儀計(jì)量不準(zhǔn)確，將影響工程結(jié)構(gòu)的安全性能評估，增加安全事故風(fēng)險(xiǎn)，故使用單位迫切需要對其進(jìn)行有效溯源。

目前，國內(nèi)外主要研究振弦應(yīng)變傳感器的校準(zhǔn)方法[4-7]，關(guān)于脈沖高壓式振弦儀校準(zhǔn)方法的文獻(xiàn)較少，且多采用低頻信號發(fā)生器或函數(shù)信號發(fā)生器直接連接振弦儀的方式校準(zhǔn)頻率測量誤差[8]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖高壓式振弦儀向外界發(fā)送的激勵(lì)信號幅值普遍超過40 V，有些甚至高達(dá)200 V，且激勵(lì)信號往往高于低頻信號發(fā)生器或函數(shù)信號發(fā)生器輸出端的反向擊穿電壓。若將信號發(fā)生器與振弦儀的端子直接連接，校準(zhǔn)頻率測量誤差，將影響信號發(fā)生器的正常工作，甚至損壞信號發(fā)生器。

為降低脈沖高壓式激勵(lì)信號的不良影響，目前，國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行頻率校準(zhǔn)時(shí)主要采用兩種儀器連接方式：一、關(guān)閉激勵(lì)信號，信號發(fā)生器與振弦儀間串聯(lián)50 μF/200 V無極性電容；二、若激勵(lì)信號無法關(guān)閉，且激勵(lì)信號幅值小于衰減器最大允許電壓，信號發(fā)生器與振弦儀間串聯(lián)隔直電容和可變衰減器[9]。然而，隨著科技進(jìn)步和儀器更新，上述兩種連接方式不能完全適用于脈沖高壓式振弦儀頻率校準(zhǔn)，因此，亟需一種更為有效的解決方案。

本文設(shè)計(jì)了一種校準(zhǔn)連接器，接入信號發(fā)生器與脈沖高壓式振弦儀之間，可有效保護(hù)信號發(fā)生器，保證校準(zhǔn)工作的順利進(jìn)行。

1 脈沖高壓式振弦儀激勵(lì)信號的分析

首先，需對脈沖高壓式振弦儀的激勵(lì)信號進(jìn)行分析。采用JJF 1401-2013《振弦式頻率讀數(shù)儀校準(zhǔn)規(guī)范》的激勵(lì)信號分析方法，對不同廠家不同型號的脈沖高壓式振弦儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，連接圖見圖1。根據(jù)激勵(lì)信號特性對電壓幅值、上升/下降時(shí)間、脈沖間隔時(shí)間、脈沖類型等參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。由此可知，脈沖高壓式振弦儀激勵(lì)信號為正脈沖或負(fù)脈沖，且多為單脈沖和雙脈沖，上升時(shí)間最長不超過5 μs，周期一般為1～4 s，可視為直流信號。因此，若采用簡單串聯(lián)隔直電容的校準(zhǔn)連接器設(shè)計(jì)方案，雖然對信號發(fā)生器起到一定的保護(hù)作用，但同時(shí)也使脈沖高壓式振弦儀進(jìn)入斷路狀態(tài)，導(dǎo)致其無法啟動(dòng)儀器的頻率讀取功能。

表1 常見脈沖高壓式振弦儀的激勵(lì)信號參數(shù)

通過長期實(shí)踐和原理分析可得，脈沖高壓式振弦儀校準(zhǔn)需要滿足以下三個(gè)條件：1）不可將激勵(lì)信號完全濾除，否則將導(dǎo)致脈沖高壓式振弦儀無法啟動(dòng)頻率讀取功能；2）低頻信號發(fā)生器（或函數(shù)信號發(fā)生器）一般能承受2 V以下的反向輸入電壓，故需將激勵(lì)信號衰減至2 V以下，確保信號發(fā)生器的正常工作；3）確保脈沖高壓式振弦儀接收的標(biāo)準(zhǔn)信號不失真。

2 基于瞬態(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器

基于以上分析，提出了一種解決方案，即在信號發(fā)生器和脈沖高壓式振弦儀之間接入基于瞬態(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器，該校準(zhǔn)連接器需具備以下功能：1）為確保信號發(fā)生器正常工作，脈沖高壓式振弦儀的激勵(lì)信號通過校準(zhǔn)連接器后幅值有效降低到合理范圍；2）從信號發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)過校準(zhǔn)連接器后頻率準(zhǔn)確度無明顯變化，校準(zhǔn)框圖見圖2。

圖2 校準(zhǔn)框圖

為達(dá)到以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，校準(zhǔn)連接器采用瞬態(tài)抑制電路加衰減器的設(shè)計(jì)思路，利用雙向瞬態(tài)抑制電路將激勵(lì)信號限位在7 V左右，配合后級的可變衰減電路，將激勵(lì)信號衰減至1 V以下，從而達(dá)到有效保護(hù)信號發(fā)生器的目的。同時(shí)，電路采用全電阻設(shè)計(jì)，確保信號發(fā)生器輸出至脈沖高壓式振弦儀端的信號不失真，頻率準(zhǔn)確度不降低。

2.1 瞬態(tài)抑制電路

瞬態(tài)抑制二極管是一種高效率保障器件，兩極受反向瞬態(tài)高能量影響時(shí)，能以極快的速度將兩極間的高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，使兩極間的電壓限位處于一個(gè)預(yù)定值，具有響應(yīng)時(shí)間極快、瞬態(tài)功率大、漏電流小、無損壞極限等優(yōu)點(diǎn)[10]。瞬態(tài)抑制二極管分為單向二極管和雙向二極管[11]，通過表1可知，脈沖高壓式振弦儀的激勵(lì)信號為正脈沖或負(fù)脈沖，故瞬態(tài)抑制電路選用雙向瞬態(tài)抑制二極管。SMBJ5.0CA雙向瞬態(tài)抑制二極管可承受200 V以上的反向電壓，響應(yīng)速率小于1 ps，限位電壓7 V左右[12]，適用于本文提出的瞬態(tài)抑制電路設(shè)計(jì)?；诩?lì)信號的特點(diǎn)，在選擇負(fù)載電阻時(shí)需要考慮大功率電阻，且阻值相對大，限位后的波形突變小、峰頂更為平滑、幅值也更為穩(wěn)定，故擬采用50 W、2 kΩ的負(fù)載電阻。

2.2 可變衰減電路

本文擬設(shè)計(jì)可變衰減電路，為避免換擋時(shí)由于旋鈕觸點(diǎn)接觸不良引起電路中斷，故采用可變橋T形衰減器電路原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)見圖3。電路中Rc為固定電阻，確保電路不中斷，設(shè)置兩個(gè)可變化部分，用于調(diào)節(jié)衰減量。本文設(shè)計(jì)的衰減電路各檔衰減量分別為10 dB、20 dB、30 dB，特性阻抗Rc為50 Ω，便于試驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整衰減比例。當(dāng)衰減量為10 dB時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算電壓比 。同理可得，當(dāng)衰減量為20 dB時(shí)，N2為10；當(dāng)衰減量為30 dB時(shí)，N3為31.62。特性阻抗Rc為50 Ω，計(jì)算各檔電阻值：

圖3 可變橋T形衰減器電路結(jié)構(gòu)

2.3 基于Multism的電路仿真與驗(yàn)證

根據(jù)以上計(jì)算所得數(shù)據(jù)，利用Multism軟件對電路進(jìn)行優(yōu)化仿真[13]，確認(rèn)最終電阻值，其電路設(shè)計(jì)圖見圖4。當(dāng)R11、R21、R22、R23接入電路，衰減量為10 dB；當(dāng)R11、R12、R22、R23接入電路，衰減量為20 dB；當(dāng)R11、R12、R13、R23接入電路，衰減量為30 dB。

圖4 基于瞬態(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器電路

對仿真的校準(zhǔn)連接器電路進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)其是否有效降低激勵(lì)信號幅值。用200 V、0.5 Hz、占空比為1%的矩形波模擬脈沖高壓式振弦儀的激勵(lì)信號，校準(zhǔn)連接器電路衰減量設(shè)為20 dB，激勵(lì)信號經(jīng)過校準(zhǔn)連接器后，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，信號發(fā)生器通過校準(zhǔn)連接器連接脈沖高壓式振弦儀，信號發(fā)生器端接收到激勵(lì)信號的脈沖峰值降至500 mV左右，不會(huì)對信號發(fā)生器產(chǎn)生損壞，達(dá)到保護(hù)信號發(fā)生器的預(yù)期效果。

圖5 Multism仿真結(jié)果

3 校準(zhǔn)連接器的驗(yàn)證

為確認(rèn)校準(zhǔn)連接器的有效性、穩(wěn)定性及適用范圍，需對激勵(lì)信號衰減效果和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率準(zhǔn)確度開展試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 激勵(lì)信號衰減的驗(yàn)證

為驗(yàn)證校準(zhǔn)連接器對激勵(lì)信號的衰減效果，選用一臺典型的脈沖高壓式振弦儀，分析其激勵(lì)信號經(jīng)過校準(zhǔn)連接器前后的幅值變化情況。采用DPO7254C型數(shù)字示波器監(jiān)測一臺609型脈沖高壓式振弦儀，其未接校準(zhǔn)連接器時(shí)的激勵(lì)信號見圖6，由圖6可知該激勵(lì)信號為雙脈沖信號，幅值Vmax為167 V，周期T為3.4 s。經(jīng)校準(zhǔn)連接器接入后，示波器顯示該激勵(lì)信號衰減為512 mV，達(dá)到信號發(fā)生器輸出端接收到的反向輸入電壓不高于2 V的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖7所示。

圖6 未接校準(zhǔn)連接器的激勵(lì)信號

圖7 經(jīng)校準(zhǔn)連接器后的激勵(lì)信號

為驗(yàn)證校準(zhǔn)連接器的適用范圍和穩(wěn)定性，在3 a內(nèi)在不同時(shí)間對不同型號的脈沖高壓式振弦儀開展試驗(yàn)，激勵(lì)信號均能衰減至500 mV左右，部分分析數(shù)據(jù)如表2所示。由此可見，基于瞬態(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器適用于不同型號的脈沖高壓式振弦儀。

表2 校準(zhǔn)連接器接入前后激勵(lì)信號幅值比較

3.2 標(biāo)準(zhǔn)信號頻率準(zhǔn)確度的驗(yàn)證

對由不同測量裝置得到的測量結(jié)果進(jìn)行比對，可以判斷不同裝置測量結(jié)果的一致性，并據(jù)此評判各裝置的有效性。本文通過比對信號發(fā)生器與頻率分析儀之間校準(zhǔn)連接器接入前后頻率相對偏差情況，進(jìn)而驗(yàn)證校準(zhǔn)連接器的有效性。本文選用TFG6940A型函數(shù)信號發(fā)生器（頻率準(zhǔn)確度為5×10-8）輸出1 000 Hz、1 V的正弦信號，采用外接銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的CNT-91型頻率分析儀（頻率準(zhǔn)確度為5×10-11）分析校準(zhǔn)連接器接入前后的頻率相對偏差，結(jié)果見表3。

表3 校準(zhǔn)連接器接入前后頻率相對偏差

以校準(zhǔn)連接器接入前的測量結(jié)果為參考值，由表4計(jì)算En值，結(jié)果如下：

表4 校準(zhǔn)連接器接入前后頻率相對偏差值結(jié)果比對

由此可見，En值小于1，校準(zhǔn)連接器接入前后的比對結(jié)果為滿意，驗(yàn)證了校準(zhǔn)連接器的接入能滿足不降低標(biāo)準(zhǔn)信號頻率準(zhǔn)確度的要求。

4 結(jié)語

本文提出的一種基于瞬態(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器，用于脈沖高壓式振弦頻率讀數(shù)儀的校準(zhǔn)連接。該校準(zhǔn)連接器主要由雙向瞬態(tài)抑制電路和衰減電路組成，利用Multism軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性、穩(wěn)定性及適用范圍?；谒矐B(tài)抑制的校準(zhǔn)連接器具有易實(shí)現(xiàn)、操作簡單、頻率高保真、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決脈沖高壓式振弦儀的溯源問題，也為其他類型的振弦儀的校準(zhǔn)工作提供有利保障。