二线智能振弦传感器设计及应用

0 引 言

振弦传感器由于结构差异、机加工艺等因素，致使被测物理量P与信号频率f之间的转换关系(数学模型)：和P=A(f-f0)2+B(f-f0)等式中的常数K、A和B值(标定系数)离散性很大，只能直接测量f，测量P则是抄写电缆端头上的编号，对应标定系数和频率录入电脑依数学模型计算。对于在岩土工程监测中使用几百只振弦传感器的测量来说，不仅要做大量的内外业工作，而且当唯一的编号、标定系数丢失或混淆，会不知埋设位置或计算不出被测物理量值而弃用或影响监测效果。

为此人们共识采用内储标定数据的方法研制智能振弦传感器[2,3]，以解决振弦传感器固有特性带来的间接测物理量不方便的缺陷。然而测量传感信号、存储、测温以及通信这些功能的实施至少需4根测量线，这使测量变得复杂、繁琐和可靠性下降，难以多点自动切换测量。故此至今，振弦传感器仍未摆脱传统的测量频率方式，不能像现代仪器那样直接测显物理量，也不方便应用高精度数学模型提高测量准确度，明显落后现代智能传感器的应用与发展。

针对上述问题，设计将所需电路的地线、电源线、信号线、通信线以及同步测温线整合为二线并加入了微控制器，从而简化结构、增强功能，实现智能振弦仪器的应用。在应用章节中还论述了标定的简单、规范和可普及高精度数学模型的应用，并给出分别使用和二种模型标定，直接测显物理量测量准确度对比。

1 二线智能振弦传感器原理

如图1所示，二线智能振弦传感器设有信号测量电路和数据存储电路，信号测量电路由信号单元L串联信号开关Kx组成。数据存储电路由供电单元DC并联存储单元M，再串联数据开关Ks组成。二电路的电压极性相反，并联在信号测量线WireX和数字通信线WireS之间。地线作用隐含在WireX和WireS二根线中，控制当一根线接地时，零电位关闭该线上连接的正向电路，另一根线传输的电信号作用该线上连接的正向电路工作，从而实现测量传感信号、存储标定数据的应用。

图1 二线智能振弦传感器原理框图

振弦仪表控制，当信号测量线WireX接地时，信号开关Kx断开信号测量电路，数据开关Ks导通数据存储电路工作；当数字通信线WireS接地时，数据开关Ks断开数据存储电路，信号开关Kx导通信号测量电路工作。

2 二线电路工作分析

2.1 信号测量电路

如图2(a)所示，信号测量电路由信号开关Kx和信号单元L串联组成。其中，信号开关Kx由二极管D3或单向可控硅等具有单向导通特性的器件构成，信号单元L由单线圈振弦传感器[4]的激振线圈构成。

图2 二线智能振弦传感器电路及信号测量等效电路

工作时，振弦仪表将数字通信线WireS置为地线，WireS线路上的零电压使二极管D1、D2反向截止均不导通，并且使供电单元DC中电容C上的电压Vc=0V，也不能触发可控硅SCR导通，因此，数据开关Ks断开数据存储电路，信号测量等效电路如图2(b)所示。振弦仪表通过信号测量线WireX以间歇激励法[5]，将激振脉冲电压施加到振弦传感器的激振线圈L上，使线圈L产生正弦波频率信号，由振弦仪表接收信号，进行放大、整形、计数、数据处理计算物理量及输出。

2.2 数据存储电路

2.2.1 数据开关双向导通原理

根据公式（2）对图2中两两充电站间的预期最短行驶时间均能得到，由此便能绘制出如图3所示的两两相连的线段（包括虚线和红色线）。假设布局中共有n个充电站，则从每个充电站点出发均有条线段，其权值便以预期行驶时间表示，由此构成的充电道路模型将包含条线段。这样的数量级其实已经可以接受，然而根据实际应用需要，可以对该模型进一步简化。记电动汽车正常使用时的最高连续行驶时间为，对模型可以继续进行以下两步的化简：

前述图2(a)中的数据开关Ks由二极管D2和单向可控硅SCR极性相反并联构成。当数据存储电路工作时，振弦仪表先将信号测量线WireX置为数据通信电路的地线，WireX线路上的零电压使二极管D3反向截止，信号开关Kx等断开信号测量电路。振弦仪表通过数字通信线WireS与数据存储电路进行通信。向存储单元M发送数据时，电流方向为二极管D1和D2的正向电流方向，使D1和D2导通；存储单元M向振弦仪表发送数据时，电流方向改变为可控硅SCR的正向电流方向，SCR受电压Vc的控制，高电平触发导通。可见数据开关Ks具有双向导通作用，导通时的数据存储等效电路如图3所示。

图3 数据存储等效电路

2.2.2 供电单元

图3中的供电单元DC由二极管D1和电容C串联构成。当振弦仪表通过线WireS向存储单元M通信时，WireS线路上的高电平导通D1对电容C充电并供电给存储单元M工作，低电平时则电容C放电，以寄生电源方式向存储单元M继续供电。线WireS持续施加高电平时，可使存储单元M能够完成测量温度、A/D转换等功能。输出电压Vc还作用可控硅触发电路，以控制SCR是否导通。

2.2.3 存储单元

图3中的存储单元M采用带有EEPROM的MCU(单片机)构成。以MCU芯片为核心构成的二线智能振弦传感器，功能丰富并简化电路：1)编程I/O接口通过数字通信线WireS，以一线制总线方式[6]与振弦仪表通信，实现信息交流、存储等目的;2)MCU连接测温芯片，无需另外增加传感器测温线，就可实现同步测温功能;3)MCU的I/O口灌/拉电流大(20mA)，驱动能力很强，可长距离通信。

农机现已成为农村发展经济的重要设备，农机安全建设要求以行政村为单位，不断完善农机安全制度，提高农村农机安全责任的执行力度，加强对农机使用者安全知识的宣传教育，提高农机使用者的法律意识。要保证农机使用者对农机安全知识有充分的了解和认知。

MCU以从机模式工作，接收振弦仪表指令和数据，完成主控设备所要求的各种任务。振弦仪表以主机模式控制MCU的工作，向其发送任务和读写数据等指令。

她是20年来如一日扎根中药检测一线的“老兵”，人称“拼命三娘”。炎炎夏日，她不畏辛劳坚守在服务保障G20峰会食品安全前线。凭借精密的数据和分析手段，她坚持与各种中药药品中“非法添加”的不法商贩较量。为保障百姓的用药安全，她为社会竖起了道道防线……她就是杭州市食品药品检验研究院食品检验中心主任殷红妹。

3 智能振弦模块

从图1～图2的电路中不难看出，将芯片电路部分与传统的二线振弦传感器信号单元L分离，芯片电路部分可成为一种具有存储、测温和传递振弦传感器频率信号功能的智能振弦模块，可制作不同尺寸以及不同形状的双面和单面智能振弦模块板，采用表贴器件使智能振弦模块有更小的安装面积和更低的安装位置，也可将裸芯片直接安装在PCB上以节省成本。

智能振弦模块不仅能嵌入振弦传感器内部，还可嵌入传感器外部的二线电缆中，这样可以解决传感器内部空间狭小的问题，根据振弦传感器能够远距离传输频率信号的特点，可使用电缆长度近千米。当不连接振弦传感器时，智能振弦模块还可以单独作为智能温度计直接测量温度。

4 二线智能振弦传感器应用

4.1 测 量

设计的二线智能振弦传感器包括智能钢筋计、智能压力盒、智能应变计、智能位移计等，不仅结构、作用和用途与传统二线电缆振弦传感器相同，而且具有存储信息和同步测温功能，连接仪表可实现自动监测和报警等智能应用。

测量时，只需将振弦仪表二根测量线任意连接智能振弦传感器的二线电缆即可，例如测量智能应变计，直接读出编号12350、应变491 με、同步温度20.8 ℃。由此可见，其操作简单方便、精度高、准确快捷，实时测显出应变值。

热电产业工会着眼于企业发展和职工成长协调一致，实施职工素质提升工程，搭建以“技能大赛和劳动竞赛”为主题的练兵平台。采取自下而上、层层选拔的方式，以“全员参与、常态开展”为特点，以“常规赛＋总决赛”形式，建立“班组、车间、分厂、产业”四个竞技层级，开展仿真机、车辆驾驶、电工、钳工、焊工、电气、变电运行、化水试验等多工种技能比武，做到人人练、岗岗比、层层赛。通过以赛促学、以赛促训，提升了职工技术水平，引导广大职工立足岗位，建功立业，夯实了职工精雕细琢、精益求精的工匠精神。为热电产业培养了一批批高技能人才，工种涉及钳工、焊工、电气、车辆驾驶、变电运行、化水试验等等，给产业带来了硬实力的不断提升。

ESP理论融入高职公共英语教学，是高职公共英语课程改革的必然趋势。这既能使课程符合学生需求，提高学生学习主动性，又能促进教师成长和学生的专业发展。

中国电力科研院将85只0.5 MPa智能压力盒，在北京房山岩土实验场用于测试砌块侧面土压力试验，610只Φ 25智能钢筋计试用于江西九江山地微型桩设计技术研究中；广州港湾工程质量检测有限公司将52只智能混凝土应变计，试用于目前施工的大连湾海底隧道大型混凝土应变及温控数据的网络远程自动监测中；中国建筑科研院也试用720只智能钢筋计，用于北京市通州区副中心综合交通枢纽工程桩基础钢筋应力监测。均采用多点数据自动采集，一致认为直接测物理量直观、简单、准确可靠。

4.2 标 定

图4是二线智能振弦传感器标定示意图，将智能振弦传感器放置标定设备中。

鱼类越冬密度主要根据越冬池冰下有效水量（指冰冻到最大厚度时冰下的实际水量）、有无补水条件、越冬池底质情况（淤泥、杂草多少）等来确定。在采取生物增氧措施和有机械增氧措施保证的前提下，越冬密度一般为：有补水条件的越冬池，按冰下有效水体，可放鱼0.4～0.5kg/m3水；无补水条件的越冬池，按冰下有效水体，可放鱼0.25kg/m3水。

图4 二线智能振弦传感器标定示意

图5是计算机标定程序界面，输入传感器的编号、量程、单位、标定点数等参数，选取数学模型，根据显示的各标定点值进给物理量逐点标定，计算机自动拟合曲线和计算误差值检验产品是否合格，然后将标定系数等参数固化在智能振弦传感器中。标定工作简单容易、准确和规范，方便数学模型的选择和应用，标定例中选择的是精确数学模型标定编号11112智能钢筋计，也可以选择其他的数学模型。

图5 计算机标定程序界面

4.3 数学模型

选择高精度数学模型标定、拟合曲线(求标定系数)，是提高振弦传感器测量准确度的有效方法，振弦传感器数学模型包括理论模型和在此基础上修正的几种数学模型[7]，其中高精度数学模型高次方、系数多，人工操作求解系数和计算物理量费时费力，所以应用不普遍，目前公认并在岩土工程界使用精度较低的理论模型也是岩土工程仪器振弦传感器国家标准(GB/T13606-2007)[8]推荐的工作特性方程。

二线智能振弦传感器的应用，可将几种数学模型的拟合程序固化到振弦仪表中，求解系数和计算物理量均由计算机在标定和测量中自动完成，标定时选其一就可应用高精度数学模型。表1是某智能钢筋计分别选用理论模型和精确模型标定，然后在材料试验机上通过进给物理量，由振弦仪表直接测显物理量测量准确度对比。

问：过去的半个世纪以来，数学教育作为一个独立的学科在国际上得到了很大的发展．1968年数学教育领域的第一本学术期刊Educational Studies in Mathematics（ESM），正式出版，1969年第一届国际数学教育会议（International Conference on Mathematics Education，ICME-1）召开，Journal for Research in Mathematics Education（JRME）也在1970年创刊．纵观过去五十多年国际上关于数学教育的研究，您认为现在国际数学教育研究的主要研究特点和趋势是什么？

表1 某智能钢筋计使用二种模型直接测显力测量准确度对比

试验机指针刻度/kN振弦仪表读数Pk/kN误差/%FSPa/kN误差/%FS00.0000.000.0000.0044.0500.134.0090.0288.0330.088.0160.041212.060.1512.010.021616.060.1516.000.002020.040.1020.000.002424.010.0323.99-0.032827.97-0.0828.030.083231.96-0.1032.000.003636.020.0535.99-0.024040.030.0840.030.08

注：Pk为模型时振弦仪表读数，Pa为精确模型时振弦仪表读数。

5 结 论

经现场实用验证了该设计的先进性和实用性。结果证明设计的传感器具有如下优势：1)改变了传统振弦传感器的测量频率为直接测显物理量方式；2)标定和测量人员无关数学模型的数据处理，大量减少了内外业工作量；3)易普及高精度数学模型应用，可普遍提高振弦传感器准确度；4)智能振弦模块可为智能温度传感器；5)二线电缆代替同步测温的四线电缆，显著提升了振弦传感器的成本效益；6)实现了振弦仪器的智能化应用，在振弦测试领域将发挥重要作用；7)生产企业只需在原振弦传感器内部或外部的二根信号线中嵌入智能振弦模块，无需添加新的生产资料。

本技术对单弦双线圈振弦传感器可利用其一线圈，对多弦振弦传感器实现二线技术应用，有待进一步研究。由于二线智能振弦传感器降低成本，简单化、智能化的应用；高精度、方便快捷、无需出文档的无纸化标定；能普及高精度数学模型的应用及精确测量，均可为统一规范制定标准提供参考。