扫频激振原理及电路设计详解

振弦式传感器是目前应力、应变测量中较为先进的传感器之一。振弦式传感器的输出是频率信号，信号处理过程中无须进行A/D及D/A转换，因此，抗干扰能力强，信号传输距离远，而且对传输电缆要求低。另外，振弦式传感器还具有结构简单、精度高、寿命长等特点, 因而一直受到工程界的关注。在工程应用中，振弦式传感器可以埋入或焊接在被测试件上，基本不存在粘贴剂老化和脱落问题，具有很好的稳定性和重复性。对于微小的被测力变化可产生较大的频率变化，具有很高的灵敏度。

随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术也不断得以完善，成为新一代工程仪器的潮流，被广泛应用在建筑物基础、大坝、桥梁、公路、核电站的水泥外壳等需要对受力、位移、微裂缝的测量中，还可以作为电子秤、皮带秤、汽车秤等的关键传感器。为了准确测量应力、应变的变化，除了要研究振弦式传感器的材料特性外，还必须解决振弦传感器的激振和测频读数技术。为此，本文对振弦式传感器的激振技术和测频读数技术展开了研究，介绍了基于PIC16F873单片机内比较输出模式的多路振弦传感器的扫频激振技术。

1 传统的间歇激振方法

为了测量出振弦的固有频率，必须设法激发弦振动。激发弦振动的方式一般有2种：(1)连续激振方式。这种方式又分为电流法和电磁法，在电流法中，振弦作为振荡器的一部分，振弦中通过电流，所以必须考虑振弦与外壳的绝缘问题。若绝缘材料与振弦热膨胀系数差别大，则易产生温差，影响测量精度，连续激振容易使振弦疲劳。(2)间歇激振方式。如图1所示，振弦上装有一块小纯铁片，旁边放置电磁铁，当电磁铁线圈通入脉动电流i后，电磁铁的磁性大大增强，从而吸住小铁片(振弦)；当线圈中无电流流过，电磁铁就释放振弦。如此循环激振，弦就产生振动。要维持弦持续振动，就应不断地激发振弦。即电磁铁每隔一定时间通过一次脉冲电流，使电磁铁定时地吸引振弦，故须在电磁铁的线圈通以一定周期的脉冲电流。当停止激振时，由于惯性的作用，振弦继续做阻尼振动，电磁铁线圈中产生感应电动势，感应电动势的频率与弦的阻尼振动频率相等。这样可由输出电势的频率测得振弦的固有振动频率。

这种间歇式激振电路复杂，通常由张驰振荡器、电磁继电器、电源等部分组成。电磁继电器的体积大、功耗大、机械触点工作可靠性欠佳，振荡器的振荡频率调节范围不大，并且调节不能在线自动实现，从而使振弦起振有时较困难[2]。当要同时监测多路振弦传感器时，电路变得更加复杂。更为严重的是继电器驱动的激振线圈是感性负载，在间歇激振时产生较大的电磁干扰，影响了监测精度，对其他电路的正常工作造成干扰。为解决这些问题，对于多路振弦传感器的扫频激振采用时分复用方法。即多路传感器共用一个扫频信号源，当要巡检某路传感器时，由选择开关将扫频信号源与此路传感器接通；用MOS FET继电器替代电磁继电器。这样，不但简化了电路，而且很好地解决了电磁干扰问题。