振弦式錨索計(jì)檢測(cè)儀的開發(fā)與研制

摘要：針對(duì)采用描索計(jì)測(cè)量加載液壓千斤頂上的變力開發(fā)出了一套用于錨索、拱型支架及其它重型荷載的全過(guò)程計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)和一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可完成對(duì)錨索計(jì)的讀數(shù)。文中介紹了它的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特性和軟件編程。

關(guān)鍵詞：錨索針 諧振頻率 通信 檢測(cè)

弦式錨索計(jì)主要用于錨索、巖石錨桿、錨栓或拱形支架的荷載以及其它重型荷載的測(cè)量。在一般情況下，用于測(cè)量加載液壓千斤頂上的變力、荷載以及錨索桿的長(zhǎng)期應(yīng)力變化。

本文所介紹的錨索計(jì)檢測(cè)儀（簡(jiǎn)稱錨索儀）采集處理系統(tǒng)采用8032單片機(jī)并配以必要的外圍電路來(lái)完成對(duì)錨索計(jì)的讀數(shù)，它可通過(guò)計(jì)算直接將頻率值、溫度值、受力值以及工程值顯示在20×4液晶顯示器上，另外還有抑制溫漂、數(shù)字濾波、故障報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、掉電記憶、64kB數(shù)據(jù)保存和通訊等功能。本系統(tǒng)作為一種便攜式儀表，具有省電、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)?？梢詮V泛應(yīng)用于建筑工程、橋梁建筑、海洋碼頭、水庫(kù)工程等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1 工作原理

1.1 傳感器諧振頻率的測(cè)量

本儀器采用美國(guó)基康公司生產(chǎn)的鋼弦式壓力、拉力傳感器，它優(yōu)于傳統(tǒng)的壓力、拉力傳感器的主要原因在于這種傳感器使用頻率作為輸出信號(hào)，所以其抗干擾能力強(qiáng)、誤差小，可在較惡劣的環(huán)境下工作。

鋼弦式傳感的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)園柱形金屬筒內(nèi)的兩端接兩個(gè)連接塊，其中一個(gè)連接塊是固定位置的，另一個(gè)連接塊的位置是隨著受力的大小而可動(dòng)的。在兩個(gè)連接之間接有一條鋼弦（振弦），當(dāng)外力不同時(shí)，其鋼弦的松緊不同，因而其共振頻率會(huì)發(fā)生變化。我們可以施加脈沖信號(hào)到傳感器內(nèi)的激勵(lì)線圈，以引起鋼弦的共振，當(dāng)測(cè)出其共振頻率后，再結(jié)合相應(yīng)的有關(guān)系數(shù)應(yīng)可計(jì)算出傳感器受力的大小。

這種傳感器精度較高，環(huán)境溫度對(duì)傳感器有一定的影響，故在其內(nèi)還封裝了一個(gè)熱敏電阻以檢測(cè)和控制溫度。

工作時(shí)，錨索儀先向描索計(jì)中傳感器的激勵(lì)線圈發(fā)送一串覆蓋了一定頻率段的不同頻率的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)傳感器中的振弦被激勵(lì)并檢測(cè)線圈在激勵(lì)脈沖控制下隨外界壓力的變化，這些變化會(huì)在內(nèi)部振弦上產(chǎn)生相應(yīng)的諧振頻率，對(duì)其進(jìn)行放大整形所即可對(duì)頻率進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，以計(jì)算出反饋頻率的值。

1.2 錨索計(jì)讀數(shù)

本錨索儀最多可對(duì)四支錨索計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，每支一般由3～4個(gè)GeoKon弦式傳感器組成，測(cè)量時(shí)取其讀數(shù)平均值，溫度則取其中一點(diǎn)的溫度，然后根據(jù)下式計(jì)算出錨索計(jì)的受力情況：

P=K(f20-f2+Y0)+Kt(T-T0)+P0

f=S(G21+G22+G23+G24)/4

式中，P的單位為Kn(1噸=9.8Kn)，f的單位為Hz；

G為以上各個(gè)傳感器的讀數(shù)（頻率），f0為初頻，卻受力前的頻率；f當(dāng)當(dāng)前頻率；

Y0為截距，K為率定系數(shù)；T為當(dāng)前溫度；T0為初始溫度；P0為偏置量；（通常限0.0）；Kt是溫度系數(shù)；

本錨索儀可以兼容1～4支錨索計(jì)，每支錨索計(jì)可兼容3～4個(gè)傳感器，并具有智能化頻率、溫度巡檢及故障顯示功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1所示是本錨索儀的硬件電路設(shè)計(jì)框圖。它的整個(gè)硬件電路可以分為前向通道模塊、微處理機(jī)模塊、用戶接口界面模塊及其它一些輔助電路。整個(gè)儀表共包括兩塊電路印刷板，一塊是主板，包括微處理機(jī)、多路開關(guān)、V/F轉(zhuǎn)換、前置隔離、差模運(yùn)算、看門狗、電源監(jiān)視、日歷片、RAM寫保護(hù)、通訊模塊、EEPROM存儲(chǔ)電路、激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)、反饋頻率信號(hào)的放大、儀表的開關(guān)控制、報(bào)警驅(qū)動(dòng)等主要電路；另一塊包含有電源、16路電流源、16路頻率收發(fā)、溫度檢測(cè)電路、16路轉(zhuǎn)換開關(guān)等外圍電路。圖中的通訊采用的是MAXIM公司的MAX1480B，它是一個(gè)完整的輸入輸出電氣隔離的RS-485/RS-422數(shù)據(jù)接口芯片，其驅(qū)動(dòng)器具有限斜率（slowrate Limited）或降低轉(zhuǎn)換速率（reduced slowrate）的特性，這可使輸出波形中的高頻諧波成分減少，從而使這種芯片的電磁干擾（EMI）達(dá)到最小，同時(shí)還能減小由于電纜終端不匹配而引起的反射。另外，它還具有無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳送的轉(zhuǎn)換速率、電流限制以及熱關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)器過(guò)載保護(hù)功能。另外，本儀器還采用了DS12887芯片，它是一個(gè)CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片。該芯片可產(chǎn)生秒、分、時(shí)、星期、日、月、年等七個(gè)時(shí)標(biāo)，可通過(guò)程序?qū)@些時(shí)標(biāo)進(jìn)行讀寫和修改，并能任意編程設(shè)定產(chǎn)生時(shí)隔為30.517μs至一天的中斷申請(qǐng)。該芯片可提供100年日歷，可在需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷的測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)中為各種微處理器提供精確的時(shí)鐘和日厲。

另外，該芯片內(nèi)部還有專門的接口電路，這可使的它與各種微處理器的接口大為簡(jiǎn)化。

運(yùn)行程序可以通過(guò)日歷芯片判斷當(dāng)前時(shí)間和報(bào)警位，由此可以達(dá)到記憶日期、時(shí)間、定時(shí)報(bào)警、測(cè)量各路數(shù)據(jù)的目的，從而為應(yīng)用提供時(shí)間和數(shù)據(jù)上的依據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)應(yīng)用軟件具有溫度標(biāo)定、參數(shù)設(shè)定、溫度采集、傳感器反饋頻率采集及計(jì)算功能。該軟件分為用戶片、標(biāo)定片兩塊程序片。本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分之間功能明晰、接口簡(jiǎn)單，由于采用了可靠性設(shè)計(jì)方法及抗干擾措施，因而整個(gè)系統(tǒng)具有可靠性高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。程序流程圖如圖2所示。

該錨索儀的整個(gè)用戶程序分為主程序、鍵盤處理、采樣計(jì)算、菜單處理、中斷服務(wù)子程序、LCD顯示控制、日歷片讀寫控制、64k EEPROM存儲(chǔ)控制、系統(tǒng)通訊控制等幾個(gè)大部分。下面介紹一些重要模塊。

主程序模塊的主要任務(wù)是將各子模塊組織起來(lái)以成為一個(gè)有機(jī)的整個(gè)，它主要用于周期的檢測(cè)以及接受鍵盤輸入和通訊請(qǐng)求，并根據(jù)輸入鍵的真決定進(jìn)入菜單處理或做切換顯示操作，或者根據(jù)不同的通訊請(qǐng)求進(jìn)行不同的傳輸。

采樣計(jì)算子程序通過(guò)向4052模擬量開關(guān)發(fā)出地址信號(hào)來(lái)選擇送入8032的頻率信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)用get-f（）函數(shù)來(lái)獲得信號(hào)的脈寬，再經(jīng)過(guò)計(jì)算、處理后求出溫度值、數(shù)字值、受力值、頻率值，調(diào)用LCD顯示函數(shù)并將結(jié)果顯示在顯示屏上可以讓用戶隨時(shí)觀測(cè)到系統(tǒng)所環(huán)境的變化，以便及時(shí)作出相應(yīng)的反應(yīng)和處理。達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的。

菜單處理子程序選用20字×4行字符點(diǎn)陣的LCD顯示器作為顯示輸出器件，與通常采用的LED顯示器件相比，該顯示器不僅個(gè)有體積小、耗電小的優(yōu)點(diǎn)，而且有豐富的顯示輸出字符，可在便攜式儀表上顯示直觀的菜單，并接受菜單處理。

現(xiàn)將該程序軟件中用到的主要函數(shù)介紹如下：

void read-rl(void);/*讀日歷片，并根據(jù)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和日期*/

void sent(void);/*隨機(jī)通訊，將隨時(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)*/

void send(unsigned int ptr);/*發(fā)送脈沖400～4500Hz*/

void init(void);/*初始化8155、6264、8031、LCD、27C128*/

void set-para(void);/*設(shè)定錨索計(jì)的參數(shù)*/

void get-f(char n);/*取頻率*/

void compute(void);/*計(jì)算*/

void comm(unsigned char order);/*發(fā)LCD操作命令函數(shù)*/

void disp(char*mes,Unsigned char POS);/*顯示一字符串*/

void d-setmenu(void);/*顯示設(shè)定菜單*/

4 結(jié)束語(yǔ)

本產(chǎn)品已應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)要求，具有良好的界面和人機(jī)交互功能，實(shí)用性強(qiáng)，準(zhǔn)確率高。