振弦式傳感器智能調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
1 引言
振弦式傳感器是一種基于鋼弦振動原理的力學(xué)傳感器，可測量壓力、拉力和位移等物理參量。在土木工程和建筑領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。振弦式傳感器因制造工藝所致，其產(chǎn)品性能參數(shù)離散性很大，難以按一個標(biāo)準(zhǔn)化流程生產(chǎn)出性能參數(shù)統(tǒng)一的批量產(chǎn)品。在生產(chǎn)調(diào)試過程中。傳統(tǒng)的調(diào)試方法多是用一臺測頻儀接在傳感器上(有條件的廠家還接一臺李沙育圖形顯示器)，一邊調(diào)整鋼弦，一邊觀察測頻儀的讀數(shù)(和李沙育圖形)，調(diào)試人員憑經(jīng)驗判斷調(diào)試質(zhì)量。為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，需要一種具有一定智能的調(diào)試儀器代替目前的人工方法。這里給出一個具有一定智能功能的調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。
2 系統(tǒng)設(shè)計
振弦式傳感器的調(diào)試過程：將一臺測頻儀接在傳感器上，為傳感器提供激勵信號并檢測其輸出頻率，同時，可將一臺李沙育圖形顯示器也
接在傳感器上用以觀察輸出波形；接通儀器電源，傳感器開始工作，調(diào)試人員根據(jù)測頻儀測得的頻率用鉗子拉著鋼弦調(diào)整其松緊度以改變傳感
器輸出頻率；根據(jù)波形的持續(xù)時間判斷是否有“碰弦”現(xiàn)象，通過拉緊鋼弦或改變鋼弦的高度排除“碰弦”；根據(jù)波形的圓滑和干凈程度判斷
鋼弦是否有“擰麻花”現(xiàn)象，然后重新繃弦或用鉗子將鋼弦擰順?？梢姡@種人工調(diào)試法基本上沒有可操作的量化指標(biāo)，調(diào)試質(zhì)量全由調(diào)試人
員的經(jīng)驗和熟練程度決定，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和參數(shù)的一致性。為減少調(diào)試過程中的主觀因素，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和參數(shù)的一致性，設(shè)計一個智能調(diào)試系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的工作流程：(1)將傳感器同定在調(diào)試臺上，用機械手(夾具)將鋼弦拉直繃緊；(2)將調(diào)試系統(tǒng)兩根測試線與傳感器的輸出線相連，將示波器與調(diào)試系統(tǒng)相連；(3)通過控制鍵盤向單片機輸入標(biāo)定頻率值和誤差允許范同值、標(biāo)定波形持續(xù)時間(以毫秒計)及其誤差允許范圍；(4)按下“調(diào)試”鍵開始調(diào)試。
系統(tǒng)不停地(或間歇地)激勵傳感器，使傳感器輸出頻率信號，檢測電路對信號進行放大、整形等調(diào)理，然后送單片機算出頻率值并與設(shè)定值比較，若在誤差范圍之外，則單片機輸出控制信號驅(qū)動步進電機A帶動機械手沿鋼弦拉直方向移動，以調(diào)整鋼弦的松緊度，直到頻率值落在誤差范圍內(nèi)。
頻率調(diào)好后，看鋼弦振動持續(xù)時間是否達標(biāo)。在檢測電路中，有一個信號幅度檢測電路，當(dāng)信號幅度低于設(shè)定值時，它會輸出一個觸發(fā)信號通知單片機．單片機據(jù)此可算出波形的持續(xù)時間，也就是鋼弦振動持續(xù)時間，如果該時間小于設(shè)定值，則將結(jié)果顯示在顯示屏上，并驅(qū)動蜂鳴器報警，直到找出問題。
波形毛刺的多少和大小反映波形的圓滑程度。自動判斷該指標(biāo)較困難，需將模擬波形進行A／D轉(zhuǎn)換，然后對樣值進行曲線擬合，根據(jù)樣值點的誤差和個數(shù)得出最后結(jié)論；也可用肉眼觀察判斷。
如波形不圓滑，則單片機自動控制步進電機B使機械手做一定度數(shù)的轉(zhuǎn)動(一般±51°即可)或按控制鍵控制，直到滿意為止。上述調(diào)試步驟一般需重復(fù)1～2次，完成后就可固定鋼弦，結(jié)束傳感器的調(diào)試工作。整個調(diào)試流程如圖2所示。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
圖中的標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路實際上是一個頻率可變的正弦信號發(fā)生器，用來產(chǎn)生與傳感器頻率相同(或成一定比例)的正弦信號，用以顯示李沙育圖形，一般可用函數(shù)器件構(gòu)成，如ICL8038、XR2206和MAX038等。
其中ICL8038器件可輸出方波、正弦波和三角波，具有精度高，頻率范圍大等特點。系統(tǒng)選用ICL8038輸出變化范圍500 Hz～6 kHz的正弦波，實際應(yīng)用證明性能良好。圖3為ICL8038的典型應(yīng)用電路。若采用普通51系列單片機(MCU)，如AT89C52、AT89C51 等，則需外加A／D轉(zhuǎn)換器才能進行圓滑程度的自動檢測。
顯示屏用LED或LCD均可。系統(tǒng)采用串行控制帶背光的14位LCD顯示模塊(LCM141)，不僅簡化電路，還節(jié)省MCU的端口線，使用效果良好。該系統(tǒng)在實現(xiàn)上的難點除了上述的波形自動判別外，還有對測試臺上兩個電機的控制。為了提高測量精度，要求機械手的移動精度小于0．1mm、轉(zhuǎn)動精度小于0． 1°這就必須在步進電機與機械手之間加裝減速機構(gòu)；另外要注意調(diào)整測量的時序配合，一次調(diào)整測量后至少要延遲3 s再進行下次的測量。
4 結(jié)束語
振弦式傳感器是土木工程質(zhì)量監(jiān)測中的一個關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接影響監(jiān)測精度。為了克服因制造工藝導(dǎo)致的產(chǎn)品性能參數(shù)離散性大，每個傳感器都需要單獨調(diào)試和標(biāo)定的缺點，改善靠人工調(diào)整鋼弦，憑調(diào)試人員經(jīng)驗判斷調(diào)試質(zhì)量的傳統(tǒng)調(diào)試方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計了一個智能調(diào)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要南帶機械手的調(diào)試臺、示波器、激勵電路、檢測電路、控制電路、顯示電路和MCU等要素組成。試驗表明，系統(tǒng)運行正確，縮短了調(diào)試時間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的實用價值。