振弦式传感器用于动态测试的可行性分析＊

徐承军 罗 东 常亚琼

（武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063）

0 引 言

自振弦式传感器发明以来，一直受到工程界的重视，由于其自身特殊的工作机理和优越性，目前已经在多个领域得到广泛应用．振弦传感器是基于钢弦频率随张力的变化而变化的原理而工作的，与工程、科研中普遍应用的电阻应变计等其他传感器相比，其优越性主要表现在［1］：（l）振弦传感器以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因而具有良好的抗干扰能力和远距离传输能力．相对于电阻应变计等传感器的模拟量输出来说，能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试．（2）从目前工程现场的测试要求和恶劣环境来看，由于振弦传感器自身独特的结构形式、工作方式以及安装方式等原因，相对于其他传感器来说，具有优越的适应环境的能力和长期稳定性．有资料表明，目前振弦式传感器的最长连续工作时间已经达到了27 a．

此外，振弦式传感器还具有受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动等优点．目前振弦式传感器主要应用于岩土工程进行静应力监测，并且取得了很好的结果．大量的国内外文献查阅表明，尚未发现其在结构应力动态测试中的应用．

本文对振弦式传感器的工作原理进行了研究，设计了基于振弦式传感器的结构应力动态信号采集系统，并利用试制样机与经计量的信号测试分析系统进行了对比分析验证．实验分析结果初步证实了振弦式传感器应用于结构应力动态测试中的可行性，为其在结构应力动态监测的工程应用打下了基础．

1 振弦式传感器动态数据采集系统

1．1 硬件模块

根据振弦式传感器的工作原理，采用目前较为成熟的单片机89C51芯片［2］，利用该芯片的I／O口实现对附加电路的控制和信号的采集等功能．以该芯片内的计数器作为计数单元，对钢弦传感器频率信号计数，并进行分析处理．利用单片机的I／O口对传感器触发电路进行控制，发高压脉冲触发传感器，采集传感器信号．由于试验样机利用的单线圈振弦式传感器，在单片机的外围电路中采用光耦电路来实现对激励环节和采集环节的切换．

对于频率测量模块来说，传感器每2 ms输出一次测量结果，因而动态数据采集数据量很大，不适合使用ASCII码通信，因而在此改用了二进制码以减小数据量．系统设计的通信数据格式见表1．

表1 通信数据格式

系统的通信方式则使用目前比较成熟的串口通信，设置波特率为115 200 bit／s，这样也便于和其他控制通信设备进行对接．

1．2 软件模块

上位机软件和系统界面选用目前做常用的软件编程工具VC6．0来完成．其架构见图1．

图1 软件架构模块图

软件模块由通信模块、数据显示模块、数据处理模块和数据存储模块组成．具体工作过程为：上位机发送接收从机的地址，等待接收从机的应答信号，然后当下位机接到开始信号后，开始进行数据采集并通过串口向上位机传输数据．上位机收到数据后，立即处理数据并记录目前系统时间，同时做出应力信号的时间历程曲线图，直到数据采集结束后，按停止按钮结束采集．

2 对比验证

为了验证振弦式传感器动态测试系统数据的准确性，本文使用经专业校验单位进行过计量标准认定的“东华DHDA（5923＿1394）信号测试分析系统”（以下简称“比对系统”）来对其测试数据的准确性进行对比．东华DHDA信号测试分析系统可使用金属应变片来进行金属结构的应力测试，具有较长的工业应用背景．因此，使用该测试分析系统对振弦式传感器动态测试数据进行验证分析，具有代表性和科学性．

2．1 试验方法与步骤

试验采用了悬臂梁来模拟机械的金属结构，传感器的布置见图2．

图2 传感器安装示意图

在悬臂梁根部同一截面的上、下表面分别安装了振弦式传感器与金属应变片，并连接振弦式传感器动态采集系统试验样机和比对系统．待两系统均调试准备好后，同时开始进行数据采集．由于两个测试系统分别位于同一截面的上下两个表面，从理想状况上来说，其采集的数据应该是大小相同，方向相反的，在应力数据曲线上应显示为衰减幅度和速度相同，而且幅值上下对称的波形．

2．2 实验数据

如图3是比对系统的数据采集曲线，图4为振弦式传感器数据采集信号系统的数据采集曲线，横轴均为时间，纵轴为结构应变．以图3为例，试验开始较平稳的阶段为无载荷状态，曲线中A点时刻开始施加载荷，A点到B点之间通过手工随意施加缓慢交变载荷，B点时刻在悬臂端给予初始位移后突然释放，使得悬臂梁进行自由阻尼振荡，由于阻尼使悬臂梁振幅逐渐减小，C点时刻重复施加缓慢交变载荷，然后再次自由振荡，依次循环若干次．

图3 比对系统时间应变图

图4 振弦式传感器数据采集信号系统时间应变图

2．3 振弦式传感器采集系统准确性分析

从肉眼直观看来，上述2套系统采集的数据曲线具有很高的相似性，将其中一组数据进行反相，并将两曲线的横轴变成相同的时间刻度，放到一个坐标系下绘制出来，两者的吻合性也明显．为了从科学的角度验证两者的相似性，本文采用Matlab的互相关分析方法来进行验证［3］，从而确定振弦式传感器采集系统的准确性．

由于2个系统的采样方式不同，因此两组数据的采集点不是一一对应的，所以在进行相关性分析之前，首先要进行数据插值，使两数据具有相同的步长和取值范围，然后才能够进行相关性分析．

2．3．1 数据插值处理

数据插值是在离散数据的基础上补插连续函数，构成连续曲线，而这条连续曲线就可以通过全部要求的离散数据点［4］．它的原理是根据在有限离散点处的取值情况，估算出函数在其他点处的近似值．Matlab自带数据插值处理的函数，进行数据插值计算的Matlab命令如下．

该命令用多项式技术计算实现一维插值．

式中：Y为函数值矢量；X为自变量取值范围；xi为插值点的自变量矢量；method为插值方法选项．

Matlab实现一维插值共有4种方法：

临近点插值：method＝＇nearest＇

线性插值：method＝＇linear＇

三次样条插值：method＝＇spline＇

立方插值：method＝＇pchip＇or＇cubic＇

对于［min｛xi｝，max｛xi｝］外的值，Matlab使用外推的方法计算数值．

本文试验中2种系统采集到的数据都是离散值，用Matlab完成两者数据插值的代码如下：

A＝load（＇D：＼AA．txt＇）：%A 是振弦传感器系统测得的值B＝load（＇D：＼BB．txt＇）：%B 是东华测试仪测得的值

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（＇时间（s）＇），

ylabel（＇应力（MP）＇）

： title（＇振弦式传感器数据跟东华金属应变片数据原始数据＇）：

legend（＇振弦式应变计数据＇，＇金属应变片数据＇）：

ha＝1：0．001：19：

hb＝ha：

ta＝interp1（ax，ay，ha，＇linear＇）：

figure（2）：

subplot（3，1，1）：

plot（ha，ta）：

xlabel（＇时间（s）＇），ylabel（＇）：

title（＇插值后的振弦式传感器数据＇）：

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

plot（hb，tb，＇g＇）：

xlabel（＇时间（s）＇），

ylabel（＇应力（MP）＇）

：title（＇插值后的金属应变片数据＇）：

subplot（3，1，3）：

plot（ha，ta，hb，tb）：

xlabel（＇时间（s）＇），ylabel（＇应力（MP）＇）：

title（＇插值后振弦式传感器数据跟东华金属应变片数据＇）：

legend（＇振弦式应变计数据＇，＇金属应变片数据＇）：

图5a）是应用Matlab绘制的振弦式传感器采集系统与比对系统获得的原始数据曲线．为了便于进行相关性分析，对利用振弦式传感器获得的数据进行了幅值反向．图5b）从上至下分别是用Matlab插值后绘制的振弦式传感器数据曲线、比对系统数据曲线以及两者在同一坐标下的曲线合并．

图5 两采集系统的数据曲线

2．3．2 数据相关性分析

在信号分析里，互相关分析主要分析的是两个时间序列之间的相关程度．在进行互相关分析时，两种数据的相关程度可以用他们的相关系数来表示．相关函数的相关系数只是一个比率，无单位量纲，一般取小数点后两位来表示．相关系数的绝对值表示相关的程度，正负号表示相关的方向［5］．相关系数跟相关程度的关系见表2．

表2 相关系数与相关程度对照关系表

下面是进行互相关性分析的Matlab代码：

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

plot（lags，C）；

xlabel（＇偏移个数＇），ylabel（＇互相关系数＇）；%x轴y 轴标签

title（＇A 和B 的互相关图形＇，＇Color＇，＇r＇）；

2．4 结论

根据图6所示结果，振弦式传感器采集系统获得的曲线与比对系统采集的数据曲线的相关系数达到了0．952 7，超过了0．95，属于高度相关，即振弦式传感器所采集到的数据与比对系统所采集的数据非常相似．

图6 2组数据的互相关曲线

3 结束语

本文通过Matlab对测试数据的相关性分析，表明所研制的振弦式传感器数据采集系统可行，如实反映了结构的真实应力．此外据资料统计，港口机械钢结构的振动频率一般在10 Hz左右［6］，而本文设计的振弦式传感器数据采集系统的采样频率可达到200 Hz以上，因此，本振弦式传感器动态数据采集系统可以满足港口机械结构的动态应力检测的要求．

［1］邓铁六，赵胜利，赵振远，等．高准确度振弦式传感器研究［J］．山东科技大学学报：自然科学版，2010，29（1）：52－57

［2］迟钦河，赵仲生，乔桂芳，等．89C51单片机在多通道数据采集系统中的应用［J］．自动化仪表，2000，21（6）：33－39．

［3］刘文白，徐海侠．砂土宏观力学特性与细观结构的相关性试验研究［J］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011，35（4）：683－686．

［4］陈海龙，李 宏．基于 MATLAB的伪随机序列的产生和分析［J］．计算机仿真，2005（5）：98－100．

［5］庄楚强 吴亚森，应用数理统计基础［M］．3版．广州：华南理工大学出版社，2006．

［6］徐承军．基于无线局域网的集装箱码头机械调度系统的仿真、优化与监控［D］．武汉：武汉理工大学物流工程学院，2007．