振弦式傳感器用于動態測試的可行性分析＊

徐承軍 羅 東 常亞瓊

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 引 言

自振弦式傳感器發明以來，一直受到工程界的重視，由于其自身特殊的工作機理和優越性，目前已經在多個領域得到廣泛應用．振弦傳感器是基于鋼弦頻率隨張力的變化而變化的原理而工作的，與工程、科研中普遍應用的電阻應變計等其他傳感器相比，其優越性主要表現在［1］：（l）振弦傳感器以振弦頻率的變化量來表征受力的大小，因而具有良好的抗干擾能力和遠距離傳輸能力．相對于電阻應變計等傳感器的模擬量輸出來說，能更為簡單方便地進行數據采集、傳輸、處理和存儲，實現高精度的自動測試．（2）從目前工程現場的測試要求和惡劣環境來看，由于振弦傳感器自身獨特的結構形式、工作方式以及安裝方式等原因，相對于其他傳感器來說，具有優越的適應環境的能力和長期穩定性．有資料表明，目前振弦式傳感器的最長連續工作時間已經達到了27 a．

此外，振弦式傳感器還具有受電參數影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩定可靠、耐震動等優點．目前振弦式傳感器主要應用于巖土工程進行靜應力監測，并且取得了很好的結果．大量的國內外文獻查閱表明，尚未發現其在結構應力動態測試中的應用．

本文對振弦式傳感器的工作原理進行了研究，設計了基于振弦式傳感器的結構應力動態信號采集系統，并利用試制樣機與經計量的信號測試分析系統進行了對比分析驗證．實驗分析結果初步證實了振弦式傳感器應用于結構應力動態測試中的可行性，為其在結構應力動態監測的工程應用打下了基礎．

1 振弦式傳感器動態數據采集系統

1．1 硬件模塊

根據振弦式傳感器的工作原理，采用目前較為成熟的單片機89C51芯片［2］，利用該芯片的I／O口實現對附加電路的控制和信號的采集等功能．以該芯片內的計數器作為計數單元，對鋼弦傳感器頻率信號計數，并進行分析處理．利用單片機的I／O口對傳感器觸發電路進行控制，發高壓脈沖觸發傳感器，采集傳感器信號．由于試驗樣機利用的單線圈振弦式傳感器，在單片機的外圍電路中采用光耦電路來實現對激勵環節和采集環節的切換．

對于頻率測量模塊來說，傳感器每2 ms輸出一次測量結果，因而動態數據采集數據量很大，不適合使用ASCII碼通信，因而在此改用了二進制碼以減小數據量．系統設計的通信數據格式見表1．

表1 通信數據格式

系統的通信方式則使用目前比較成熟的串口通信，設置波特率為115 200 bit／s，這樣也便于和其他控制通信設備進行對接．

1．2 軟件模塊

上位機軟件和系統界面選用目前做常用的軟件編程工具VC6．0來完成．其架構見圖1．

圖1 軟件架構模塊圖

軟件模塊由通信模塊、數據顯示模塊、數據處理模塊和數據存儲模塊組成．具體工作過程為：上位機發送接收從機的地址，等待接收從機的應答信號，然后當下位機接到開始信號后，開始進行數據采集并通過串口向上位機傳輸數據．上位機收到數據后，立即處理數據并記錄目前系統時間，同時做出應力信號的時間歷程曲線圖，直到數據采集結束后，按停止按鈕結束采集．

2 對比驗證

為了驗證振弦式傳感器動態測試系統數據的準確性，本文使用經專業校驗單位進行過計量標準認定的“東華DHDA（5923＿1394）信號測試分析系統”（以下簡稱“比對系統”）來對其測試數據的準確性進行對比．東華DHDA信號測試分析系統可使用金屬應變片來進行金屬結構的應力測試，具有較長的工業應用背景．因此，使用該測試分析系統對振弦式傳感器動態測試數據進行驗證分析，具有代表性和科學性．

2．1 試驗方法與步驟

試驗采用了懸臂梁來模擬機械的金屬結構，傳感器的布置見圖2．

圖2 傳感器安裝示意圖

在懸臂梁根部同一截面的上、下表面分別安裝了振弦式傳感器與金屬應變片，并連接振弦式傳感器動態采集系統試驗樣機和比對系統．待兩系統均調試準備好后，同時開始進行數據采集．由于兩個測試系統分別位于同一截面的上下兩個表面，從理想狀況上來說，其采集的數據應該是大小相同，方向相反的，在應力數據曲線上應顯示為衰減幅度和速度相同，而且幅值上下對稱的波形．

2．2 實驗數據

如圖3是比對系統的數據采集曲線，圖4為振弦式傳感器數據采集信號系統的數據采集曲線，橫軸均為時間，縱軸為結構應變．以圖3為例，試驗開始較平穩的階段為無載荷狀態，曲線中A點時刻開始施加載荷，A點到B點之間通過手工隨意施加緩慢交變載荷，B點時刻在懸臂端給予初始位移后突然釋放，使得懸臂梁進行自由阻尼振蕩，由于阻尼使懸臂梁振幅逐漸減小，C點時刻重復施加緩慢交變載荷，然后再次自由振蕩，依次循環若干次．

圖3 比對系統時間應變圖

圖4 振弦式傳感器數據采集信號系統時間應變圖

2．3 振弦式傳感器采集系統準確性分析

從肉眼直觀看來，上述2套系統采集的數據曲線具有很高的相似性，將其中一組數據進行反相，并將兩曲線的橫軸變成相同的時間刻度，放到一個坐標系下繪制出來，兩者的吻合性也明顯．為了從科學的角度驗證兩者的相似性，本文采用Matlab的互相關分析方法來進行驗證［3］，從而確定振弦式傳感器采集系統的準確性．

由于2個系統的采樣方式不同，因此兩組數據的采集點不是一一對應的，所以在進行相關性分析之前，首先要進行數據插值，使兩數據具有相同的步長和取值范圍，然后才能夠進行相關性分析．

2．3．1 數據插值處理

數據插值是在離散數據的基礎上補插連續函數，構成連續曲線，而這條連續曲線就可以通過全部要求的離散數據點［4］．它的原理是根據在有限離散點處的取值情況，估算出函數在其他點處的近似值．Matlab自帶數據插值處理的函數，進行數據插值計算的Matlab命令如下．

該命令用多項式技術計算實現一維插值．

式中：Y為函數值矢量；X為自變量取值范圍；xi為插值點的自變量矢量；method為插值方法選項．

Matlab實現一維插值共有4種方法：

臨近點插值：method＝＇nearest＇

線性插值：method＝＇linear＇

三次樣條插值：method＝＇spline＇

立方插值：method＝＇pchip＇or＇cubic＇

對于［min｛xi｝，max｛xi｝］外的值，Matlab使用外推的方法計算數值．

本文試驗中2種系統采集到的數據都是離散值，用Matlab完成兩者數據插值的代碼如下：

A＝load（＇D：＼AA．txt＇）：%A 是振弦傳感器系統測得的值B＝load（＇D：＼BB．txt＇）：%B 是東華測試儀測得的值

ax＝ A（：，2）：

ay＝A（：，3）：

bx＝（0．000：0．005：162．79）＋0．15：

by＝－B（：，2）＊0．21：

plot（ax，ay，bx，by）：

xlabel（＇時間（s）＇），

ylabel（＇應力（MP）＇）

： title（＇振弦式傳感器數據跟東華金屬應變片數據原始數據＇）：

legend（＇振弦式應變計數據＇，＇金屬應變片數據＇）：

ha＝1：0．001：19：

hb＝ha：

ta＝interp1（ax，ay，ha，＇linear＇）：

figure（2）：

subplot（3，1，1）：

plot（ha，ta）：

xlabel（＇時間（s）＇），ylabel（＇）：

title（＇插值后的振弦式傳感器數據＇）：

tb＝interp1（bx，by，hb，＇linear＇）：subplot（3，1，2）：

plot（hb，tb，＇g＇）：

xlabel（＇時間（s）＇），

ylabel（＇應力（MP）＇）

：title（＇插值后的金屬應變片數據＇）：

subplot（3，1，3）：

plot（ha，ta，hb，tb）：

xlabel（＇時間（s）＇），ylabel（＇應力（MP）＇）：

title（＇插值后振弦式傳感器數據跟東華金屬應變片數據＇）：

legend（＇振弦式應變計數據＇，＇金屬應變片數據＇）：

圖5a）是應用Matlab繪制的振弦式傳感器采集系統與比對系統獲得的原始數據曲線．為了便于進行相關性分析，對利用振弦式傳感器獲得的數據進行了幅值反向．圖5b）從上至下分別是用Matlab插值后繪制的振弦式傳感器數據曲線、比對系統數據曲線以及兩者在同一坐標下的曲線合并．

圖5 兩采集系統的數據曲線

2．3．2 數據相關性分析

在信號分析里，互相關分析主要分析的是兩個時間序列之間的相關程度．在進行互相關分析時，兩種數據的相關程度可以用他們的相關系數來表示．相關函數的相關系數只是一個比率，無單位量綱，一般取小數點后兩位來表示．相關系數的絕對值表示相關的程度，正負號表示相關的方向［5］．相關系數跟相關程度的關系見表2．

表2 相關系數與相關程度對照關系表

下面是進行互相關性分析的Matlab代碼：

［C，lags］＝ xcorr（ta，tb，＇coeff＇）；figure（3）；

plot（lags，C）；

xlabel（＇偏移個數＇），ylabel（＇互相關系數＇）；%x軸y 軸標簽

title（＇A 和B 的互相關圖形＇，＇Color＇，＇r＇）；

2．4 結論

根據圖6所示結果，振弦式傳感器采集系統獲得的曲線與比對系統采集的數據曲線的相關系數達到了0．952 7，超過了0．95，屬于高度相關，即振弦式傳感器所采集到的數據與比對系統所采集的數據非常相似．

圖6 2組數據的互相關曲線

3 結束語

本文通過Matlab對測試數據的相關性分析，表明所研制的振弦式傳感器數據采集系統可行，如實反映了結構的真實應力．此外據資料統計，港口機械鋼結構的振動頻率一般在10 Hz左右［6］，而本文設計的振弦式傳感器數據采集系統的采樣頻率可達到200 Hz以上，因此，本振弦式傳感器動態數據采集系統可以滿足港口機械結構的動態應力檢測的要求．

［1］鄧鐵六，趙勝利，趙振遠，等．高準確度振弦式傳感器研究［J］．山東科技大學學報：自然科學版，2010，29（1）：52－57

［2］遲欽河，趙仲生，喬桂芳，等．89C51單片機在多通道數據采集系統中的應用［J］．自動化儀表，2000，21（6）：33－39．

［3］劉文白，徐海俠．砂土宏觀力學特性與細觀結構的相關性試驗研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011，35（4）：683－686．

［4］陳海龍，李 宏．基于 MATLAB的偽隨機序列的產生和分析［J］．計算機仿真，2005（5）：98－100．

［5］莊楚強 吳亞森，應用數理統計基礎［M］．3版．廣州：華南理工大學出版社，2006．

［6］徐承軍．基于無線局域網的集裝箱碼頭機械調度系統的仿真、優化與監控［D］．武漢：武漢理工大學物流工程學院，2007．