振弦式錨索計檢測儀的開發與研制

摘要：針對采用描索計測量加載液壓千斤頂上的變力開發出了一套用于錨索、拱型支架及其它重型荷載的全過程計算機檢測系統。該系統采用單片機和一些簡單的外圍電路即可完成對錨索計的讀數。文中介紹了它的工作原理、系統結構、功能特性和軟件編程。

關鍵詞：錨索針 諧振頻率 通信 檢測

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

本文所介紹的錨索計檢測儀（簡稱錨索儀）采集處理系統采用8032單片機并配以必要的外圍電路來完成對錨索計的讀數，它可通過計算直接將頻率值、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、數字濾波、故障報警、參數設定、掉電記憶、64kB數據保存和通訊等功能。本系統作為一種便攜式儀表，具有省電、性能價格比高等優點。可以廣泛應用于建筑工程、橋梁建筑、海洋碼頭、水庫工程等領域，具有很好的應用價值和推廣價值。

1 工作原理

1.1 傳感器諧振頻率的測量

本儀器采用美國基康公司生產的鋼弦式壓力、拉力傳感器，它優于傳統的壓力、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，所以其抗干擾能力強、誤差小，可在較惡劣的環境下工作。

鋼弦式傳感的基本結構是在一個園柱形金屬筒內的兩端接兩個連接塊，其中一個連接塊是固定位置的，另一個連接塊的位置是隨著受力的大小而可動的。在兩個連接之間接有一條鋼弦（振弦），當外力不同時，其鋼弦的松緊不同，因而其共振頻率會發生變化。我們可以施加脈沖信號到傳感器內的激勵線圈，以引起鋼弦的共振，當測出其共振頻率后，再結合相應的有關系數應可計算出傳感器受力的大小。

這種傳感器精度較高，環境溫度對傳感器有一定的影響，故在其內還封裝了一個熱敏電阻以檢測和控制溫度。

工作時，錨索儀先向描索計中傳感器的激勵線圈發送一串覆蓋了一定頻率段的不同頻率的脈沖信號，這些脈沖信號傳感器中的振弦被激勵并檢測線圈在激勵脈沖控制下隨外界壓力的變化，這些變化會在內部振弦上產生相應的諧振頻率，對其進行放大整形所即可對頻率進行定時檢測，以計算出反饋頻率的值。

1.2 錨索計讀數

本錨索儀最多可對四支錨索計進行檢測，每支一般由3～4個GeoKon弦式傳感器組成，測量時取其讀數平均值，溫度則取其中一點的溫度，然后根據下式計算出錨索計的受力情況：

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為以上各個傳感器的讀數（頻率），f0為初頻，卻受力前的頻率；f當當前頻率；

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

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

2 硬件設計

圖1所示是本錨索儀的硬件電路設計框圖。它的整個硬件電路可以分為前向通道模塊、微處理機模塊、用戶接口界面模塊及其它一些輔助電路。整個儀表共包括兩塊電路印刷板，一塊是主板，包括微處理機、多路開關、V/F轉換、前置隔離、差模運算、看門狗、電源監視、日歷片、RAM寫保護、通訊模塊、EEPROM存儲電路、激勵脈沖驅動、反饋頻率信號的放大、儀表的開關控制、報警驅動等主要電路；另一塊包含有電源、16路電流源、16路頻率收發、溫度檢測電路、16路轉換開關等外圍電路。圖中的通訊采用的是MAXIM公司的MAX1480B，它是一個完整的輸入輸出電氣隔離的RS-485/RS-422數據接口芯片，其驅動器具有限斜率（slowrate Limited）或降低轉換速率（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）達到最小，同時還能減小由于電纜終端不匹配而引起的反射。另外，它還具有無差錯數據傳送的轉換速率、電流限制以及熱關斷的驅動器過載保護功能。另外，本儀器還采用了DS12887芯片，它是一個CMOS實時時鐘/日歷芯片。該芯片可產生秒、分、時、星期、日、月、年等七個時標，可通過程序對這些時標進行讀寫和修改，并能任意編程設定產生時隔為30.517μs至一天的中斷申請。該芯片可提供100年日歷，可在需要實時時鐘和日歷的測量儀器系統中為各種微處理器提供精確的時鐘和日厲。

另外，該芯片內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化。

運行程序可以通過日歷芯片判斷當前時間和報警位，由此可以達到記憶日期、時間、定時報警、測量各路數據的目的，從而為應用提供時間和數據上的依據。

3 軟件設計

整個應用軟件具有溫度標定、參數設定、溫度采集、傳感器反饋頻率采集及計算功能。該軟件分為用戶片、標定片兩塊程序片。本系統的應用軟件采用模塊化設計，各部分之間功能明晰、接口簡單，由于采用了可靠性設計方法及抗干擾措施，因而整個系統具有可靠性高、性能穩定等特點。程序流程圖如圖2所示。

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

主程序模塊的主要任務是將各子模塊組織起來以成為一個有機的整個，它主要用于周期的檢測以及接受鍵盤輸入和通訊請求，并根據輸入鍵的真決定進入菜單處理或做切換顯示操作，或者根據不同的通訊請求進行不同的傳輸。

采樣計算子程序通過向4052模擬量開關發出地址信號來選擇送入8032的頻率信號，然后通過調用get-f（）函數來獲得信號的脈寬，再經過計算、處理后求出溫度值、數字值、受力值、頻率值，調用LCD顯示函數并將結果顯示在顯示屏上可以讓用戶隨時觀測到系統所環境的變化，以便及時作出相應的反應和處理。達到實時處理的目的。

菜單處理子程序選用20字×4行字符點陣的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，該顯示器不僅個有體積小、耗電小的優點，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。

現將該程序軟件中用到的主要函數介紹如下：

void read-rl(void);/*讀日歷片，并根據時間存儲數據和日期*/

void sent(void);/*隨機通訊，將隨時測到的數據傳送到主機*/

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

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

void set-para(void);/*設定錨索計的參數*/

void get-f(char n);/*取頻率*/

void compute(void);/*計算*/

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

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

void d-setmenu(void);/*顯示設定菜單*/

4 結束語

本產品已應用于現場，實現運行結果表明，系統的各項性能均達到設計和實驗要求，具有良好的界面和人機交互功能，實用性強，準確率高。