利用振弦式傳感器測量物理量是基于其鋼弦振動頻率隨鋼絲張力變化，輸出的是頻率信號，具有抗干擾能力強，對電纜要求低，有利于傳輸和遠程測量的特點。因此，可獲得非常理想的測量效果。

1 振弦式傳感器的工作原理

振弦式傳感器由定位支座、線圈、振弦及封裝組成。振弦式傳感器可等效成一個兩端固定繃緊的均勻弦，如圖1所示。

振弦的振動頻率可由以下公式確定：

其中S為振弦的橫截面積，ρv為弦的體密度(ρv=ρ/s)，△l為振弦受張力后的長度增量，E為振弦的彈性模量，σ為振弦所受的應(yīng)力。

當振弦式傳感器確定以后，其振弦的質(zhì)量m，工作段(即兩固定點之間)的長度L，弦的橫截面積S，體密度ρv及彈性模量E隨之確定，所以，由于待測物理量的作用使得弦長有所變化，而弦長的變化可改變弦的固有振動頻率，由于弦長的增量△l與振弦的最長駐波波長的固有頻率存在確定的關(guān)系，因此只要能測得弦的振動頻率就可以測得待測物理量。

2 測頻系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 基本原理

振弦式傳感器工作時由激振電路驅(qū)動電磁線圈，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達到共振狀態(tài)，振動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過檢測電路濾波、放大、整形送給單片機，單片機根據(jù)接收的信號，通過軟件方式反饋給激振電路驅(qū)動電磁線圈。通過反饋，弦能在電磁線圈產(chǎn)生的變化磁場驅(qū)動下在本振頻率點振動。當激振信號撤去后，弦由于慣性作用仍然振動。單片機通過測量感應(yīng)電動勢脈沖周期，即可測得弦的振動頻率，最后將所測數(shù)據(jù)顯示出來。測頻原理框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)以上的基本原理和思想，設(shè)計的測頻系統(tǒng)的整體電路如圖3所示。主要由激振電路、檢測電路、單片機控制電路和顯示電路等幾部分組成。工作過程是由單片機產(chǎn)生某一頻率的激振信號，經(jīng)放大后激勵振弦振動，拾振線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢經(jīng)幾級放大后送給單片機處理，最后送顯示電路顯示。

2.2.1 激振電路

激振電路采用掃頻激振技術(shù)，就是用一個頻率可以調(diào)節(jié)的信號去激勵振弦式傳感器的激振線圈，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦能迅速達到共振狀態(tài)。由于激勵信號的頻率是容易用軟件方便控制的，所以只要知道振弦固有頻率的大致范圍(一般來說，對一種已知的傳感器其固有頻率的大致范圍是確定的)，就用這個頻率附近的激勵信號去激發(fā)他，就能使振弦很快起振。

微機系統(tǒng)I／O口按照一定的頻率(這個頻率可以是傳感器的固有頻率初始值，也可以是上一次的測量值)產(chǎn)生激振信號(考慮一定的余度)，通過基本功率放大電路放大后，激振電流流過激振線圈，激振電流產(chǎn)生的交變磁場激勵振弦振動。

選用兩個9013三極管作為驅(qū)動管。電磁線圈電阻很小，流過線圈的電流能達到200～400 mA。而9013三極管的飽和導(dǎo)通電流為500 mA，通過試驗發(fā)現(xiàn)，如果只采用一個三極管驅(qū)動線圈，三極管發(fā)熱很厲害，為解決這個問題，再并接一個三極管，減小三極管的工作電流，減小發(fā)熱量。二極管要求選用快速導(dǎo)通二檄管，其作用是吸收三極管導(dǎo)通和截止瞬間所產(chǎn)生的尖峰脈沖。此尖峰脈沖若不消除，會對感應(yīng)電路(模擬電路部分)產(chǎn)生嚴重的干擾。

微機系統(tǒng)產(chǎn)生一個頻率可變的信號是比較容易實現(xiàn)的。如用MSC-51單片機實現(xiàn)掃頻程序，充分利用微機系統(tǒng)的內(nèi)部資源定時／計數(shù)器的功能，由I／O口輸出頻率可變的信號。定時計數(shù)器工作在定時方式，定時的時間由掃頻的某一頻率決定，在定時器中斷程序中改變I／O口的狀態(tài)，從而I／O口得到一脈沖信號。設(shè)掃頻的頻率上限為fmax，下限為fmin，由I／O口輸出的fmax和fmin之間的某一頻率的脈沖個數(shù)均為n，且掃頻的兩相鄰頻率增量為△f，由這4個參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖4所示。

2.2.2 檢測電路

拾振線圈中感生電勢的頻率檢測電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級低通濾波方法；二是過零比較電路，采用過零比較法，從比較器的輸出端得到頻率信號。

2個LM324組成兩級有源低通濾波電路；C1，R3，以及G2，R4，分別構(gòu)成第一、二級有源濾波電路的阻-容網(wǎng)絡(luò)；LM393作為比較器，形成過零比較電路。由于感生電勢是一個周期信號，信號的頻率也就是振弦的固有頻率。LM393的輸出fout為周期性的方波，方波的頻率即為待測頻率。

由于信號和“零電位”比較，因而能得到較高的靈敏度．振弦只要受激勵產(chǎn)生振動，他在感應(yīng)線圈中的微弱電動勢的頻率就很容易拾取為進一步使比較器輸入輸出特性在轉(zhuǎn)換時更加陡直，以提高比較精度。

2.2.3 測頻電路

將檢測電路的輸出fout送AT89CS51的INT0，利用片內(nèi)定時／計數(shù)器的工作方式控制寄存器TMOD的GATE位的特殊功能，一般情況下，GATE=0。GATE的運行控制位僅由TRx(x=0.1)位的狀態(tài)決定(TRx=0關(guān)閉，TRx=1開啟)，只有在啟動計數(shù)要用外輸人INTx控制時才使GATE=1，當GATE=1，TRx=1，只有當INTx引腳輸入高電平時，計數(shù)器Tx才被允許計數(shù)，利用GATE的這一功能可方便地測量脈沖寬度。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

按照以上電路的設(shè)計，對系統(tǒng)軟件編程的基本思路是：首先對系統(tǒng)進行初始化，然后是激振電路激振傳感器工作，檢測電路對信號的檢測、放大、整型、處理、最后顯示。主程序流程圖如圖5所示。

3 結(jié) 語

本測頻系統(tǒng)具有設(shè)計思路正確，編程簡潔巧妙，功能使用全面等特點，大大縮短了現(xiàn)場測量與計算時間，減輕了勞動強度，提高了測量計算準確度，同時為測量結(jié)果的后期處理與保存帶來了極大的便利。