振弦式传感器信号采集仪的研制重点.docx

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振弦式传感器信号采集仪的研制重点

硕士学位论文

振弦式传感器信号采集仪的研制

ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

学号：

２１００９０６７

完成Ｆｔ期：

２Ｑ！

三生三月！

目

大连理工大学

ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

盏重塞篮盛墨焦曼墨篡垡鲍叠剑作者签名：

夏。

丞叠日期：

ｊ丝堕年—五月—三日

大连理工大学硕士学位论文

摘要

改革开放以来，我国的经济迅猛发展，各项工程建设取得了令人瞩目的巨大成就。

但为了保障基础设施建设快速发展的同时，也能保障安全生产，需要不断改进和完善工程领域内的安全监测技术。

目前工程中主要应用振弦式传感器来对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关物理量进行测量。

振弦式传感器信号采集仪主要用来采集振弦式传感器的输出信号，是促进工程建设领域安全生产的有力保障。

本文研制了一种采用ＳＴＭ３２单片机的新型振弦传感器信号采集仪，该采集仪不仅能直接实时查询采集数据，并能与计算机通信，实现对各个监控点的实时有效监测。

本文改进了传感器的激励电路的电路结构，结合软件程序实现了反馈式扫频激振，降低了电路的复杂度和电路体积。

在频率测量方面，充分利用ＳＴＭ３２片上资源，实现了等精度测频，提高了频率信号的测量精度。

在电路设计方面，设计了小信号的拾取放大电路。

该电路包含带通滤波电路，滤除了噪声干扰，提高了信号的测量精度。

振弦信号采集仪主要由两大部分组成：

主控模块和测量模块。

主控模块的作用是设置传感器的采集参数，并向测量模块发出传感器的采集命令。

测量模块的作用是测量传感器的输出信号，并将测量数据发送给主控模块。

主控模块硬件部分包括单片机最小系统、电源电路、电压监控电路、键盘电路、ＲＳ．４８５电路、数据存储电路、时钟复位电路等。

测量模块硬件部分包括单片机最小系统、电源电路、自收发ＲＳ一４８５电路、ＡＤ转换电路、隔离激振电路、拾振电路等。

软件部分主要介绍了主控模块的操作流程、发送采集命令程序、系统电压监测程序、ＳＤ卡监测程序、测量模块死机修复程序以及存储数据文件程序等。

测量模块软件部分介绍了模块初始化程序、白适应激振程序、等精度测频程序等。

本文还着重介绍了自定义的ＲＳ一４８５通信协议，该通信协议可以实现主控模块与４个测量模块的可靠通信。

最后本文给出了利用Ｐｓｐｉｃｅ软件对系统模拟电路的仿真。

软件仿真可以提高电路设计的可靠性，并充分验证电路的参数，确保电路设计的准确可靠。

本文还给出了测试仪采集振弦渗压计的测量数据，根据对测试结果的分析，测试仪可以满足工程应用的需求。

关键词：

振弦式传感器；ＳＴＭ３２；扫频激振；Ｐｓｐｉｃｅ

振弦式传感器信号采集仪的研制

ＤｅｓｉｇｎｏｆＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒＳｉｇｎａｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｓｉｎｃｅｔｈｅｒｅｆｏｒｍａｎｄｏｐｅｎｉｎｇｕｐ，Ｃｈｉｎａ’Ｓｅｃｏｎｏｍｙｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｈａｖｅｍａｄｅｔｈｅｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａｎｅｅｄｓｔｏｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｎｄｐｅｒｆｅｃｔｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｉｅｌｄ．Ｉｎｃｕｒｒｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ，ｏｓｍｏｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｏｍｅｏｔｈｅｒｄａｔａｒｅｌａｔｅｄｔｏｓｙｓｔｅｍ’Ｓｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒ’Ｓｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌ，ｉｓａｓｔｒｏｎｇｇｕａｒａｎｔｅｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅ

ｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ’Ｓｓａｆｅｔｙｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

ａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂａｓｅｄ

ｏｎＳＴＭ３２ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＭＣＵ），ｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃａｎｄｉｒｅｃｔｌｙｃａｐｔｕｒｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｓｅｎｓｏｒｄａｔａ，ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｔｈｅ

ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｅａｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ．

Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｅｎｓｏｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍ，ａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅｓｗｅｅｐｅｘｃｉｔｉｎｇａｎｄｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｓｉｚｅ．Ｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｅｍａｋｅｆｕｌｌ

ｕｓｅｏｆｔｈｅＳＴＭ３２ｃｈｉｐｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌ．Ｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ｗｅｈａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｐｉｃｋ－ｕｐｏｆｓｍａｌｌ・ｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｗｅａｄｄｅｄａｂａｎｄ—ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔｔｏｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｌｔｅｒｏｕｔｔｈｅｎｏｉｓｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌ．

Ｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ：

ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．ＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｉＳｕｓｅｄｔｏｓｅｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｉｓｓｕｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒ

ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｓｅｎｓｏｒｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌａｎｄｓｅｎｄｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｔｏｔｈｅ

ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅ．Ｍａｓｔｅｒｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ・ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｋｅｙｂｏａｒｄｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｃｌｏｃｋｒｅｓｅｔｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｅｔｃ．．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｈａｒｄｗａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ，ＲＳ－４８５ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｏｌａｔｅｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｉｃｋ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｓｅｎｄｉｎｇａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｖｏｌｔａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅＳＤｃａｒｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｃｒａｓｈｆｉｘｉｎｇａｎｄｓｔｏｒｉｎｇｄａｔａｆｉｌｅｓｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｅｃｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍｏｄｕｌｅｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ａｄａｐｔｉｖｅｅｘｃｉｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ

大连理工大学硕士学位论文

ｅｑｕａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅ

ａｒｔｉｃｌｅａｌｓｏｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓａｓｅｌｆ－ｃｕｓｔｏｍｅｄＲＳ．４８５ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃ０１．ｗｈｉｃｈｃａｒｌａｃｈｉｅｖｅｒｅｌｉａｂｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒ０１ｍｏｄｕｌｅｗｉｔｈｆｏｕｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅｇｉｖｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅａｎａｌｏｇｃｉｒｃｕｉｔｓＰＳｐｉｃｅ

ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｃａｒｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｉｔｃａｎｆｕｌｌｙｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｔｅｓｔｅｒｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｔａ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：

ＶｉｂｒａｔｉｎｇＷｉｒｅＳｅｎｓｏｒｓ；ＳＴＭ３２；ＳｗｅｅｐＥｘｃｉｔａｔｉｏｎ；Ｐｓｐｉｃｅ—ＩＩＩ—

振弦式传感器信号采集仪的研制

目

录摘要…………………………………………………………………………………ＩＡｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．．．．．…………．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．……．…．．．．．．．．．．．．．．．．………………………………．…．．．．．．．．．．．ＩＩｌ绪｛仑………………………………………………………………………………………………………………１

１．１振弦式传感器信号采集的研究意义…………………………………………１１．２本课题相关的国内外研究现状………………………………………………２１．３本论文研究的主要内容………………………………………………………３１．４本论文组织结构………………………………………………………………４２采集仪系统总体方案设计…………………………………………………………一６

２．１单线圈振弦式传感器…………………………………………………………６

２．１．１振弦式传感器结构……………………………………………………６

２．１．２振弦式传感器数学模型………………………………………………６

２．１．３振弦式传感器信号测量原理…………………………………………７

２．１．４典型振弦式传感器介绍………………………………………………７

２．２传感器激振原理………………………………………………………………９

２．２．１高压拨弦激振原理……………………………………………………９

２．２．２低压扫频激振原理……………………………………………………９

２．３本课题的传感器信号检测原理………………………………………………９２．４振弦式传感器信号采集仪主控模块方案设计……………………………．１１２．５振弦式传感器信号采集仪测量模块方案设计……………………………．１２２．６本章小节……………………………………………………………………．１３３振弦式传感器信号采集仪的硬件设计与实现……………………………………１４

３．１振弦式传感器信号采集仪系统整体结构…………………………………．１４３．２主控模块硬件电路设计……………………………………………………．１４

３．２．１主控模块单片机选型与最小系统电路设计………………………．．１４

３．２．２主控模块电源电路设计……………………………………………．．１５

３．２．３键盘电路设计………………………………………………………一１８

３．２．４ＲＳ．４８５电路设计……………………………………………………．１８

３．２．５存储器电路设计……………………………………………………。

１９

３．２．６液晶显示电路设计…………………………………………………一２０３．２．７实时时钟电路设计…………………………………………………．．２１

大连理工大学硕士学位论文

３．２．８复位监控电路设计…………………………………………………．．２ｌ

３．３测量模块硬件电路设计……………………………………………………．２２

３．３．１测量模块单片机选型与系统电路设计……………………………一２２

３．３．２测量模块电源电路设计……………………………………………．．２３

３．３．３

测量模块自收发ＲＳ．４８５电路设计…………………………………２４３．３．４

ＡＤ转换电路设计……………………………………………………２４３－３．５隔离激振电路设计…………………………………………………．．２５

３．３．６拾振电路设计………………………………………………………．．２６

３．４接口板硬件电路设计………………………………………………………．３１

３．４．１接口板电源模块设计………………………………………………．．３ｌ

３．４．２接口板隔离ＲＳ．２３２电路设计………………………………………３ｌ

３．４－３接口板网络接口电路设计…………………………………………一３２

３．５本章小结……………………………………………………………………．３３

４振弦式传感器信号采集仪的软件设计……………………………………………３４

４．１主控模块程序设计…………………………………………………………．３４

４．１．１主控模块初始化程序设计……………………………………………３４

４．１．２主控模块采集程序设计……………………………………………．．３４

４．１．３系统电压监测程序设计……………………………………………．．３７

４．１．４ＳＤ卡检测程序………………………………………………………３８

４．１．５测量模块死机修复程序……………………………………………．．３８

４．１．６存储文件输出程序设计……………………………………………．．３９

４．２测量模块程序设计…………………………………………………………．４０

４．２．１测量模块初始化程序设计…………………………………………．．４０

４．２．２测量模块整体工作流程……………………………………………．．４１

４．２．３自适应激振程序设计………………………………………………．．４１

４．２．４等精度测频程序设计………………………………………………．．４２４．２．５

ＲＳ．４８５总线通信协议………………………………………………．４３４．３计算机辅助调试程序………………………………………………………．４４

４．４本章小结……………………………………………………………………．４５

５振弦式传感器信号采集仪的测试结果与分析……………………………………４６

５．１巴特沃斯带通滤波器仿真分析与测试……………………………………．４６

５．１．１巴特沃斯滤波器幅频响应曲线……………………………………．．４６

振弦式传感器信号采集仪的研制

５．１．２带通滤波器蒙特卡罗仿真分析……………………………………．．４６

５．１．３带通滤波器最坏情况仿真分析……………………………………．．４８

５．２信号模拟放大电路整体仿真分析…………………………………………．４９

５．２．１信号模拟放大电路幅频响应………………………………………．．４９

５．２．２信号模拟放大电路蒙特卡罗分析……………………………………５０

５．２．３信号模拟放大电路系统最坏情况分析………………………………５２

５．３振弦式传感器信号采集仪测试结果………………………………………．５２

５．３．１传感器压强计算公式………………………………………………．．５２

５．３．２标准差………………………………………………………………．．５２

５．３．３传感器水深测量结果与分析………………………………………．．５３

５．３．４传感器频率测量结果与分析………………………………………．．５３

５．４本章小节………………………………………………………………………５４

结论…………………………………………………………………………………………………………．．５５参考文献………………………………………………………………………………．．５６附录Ａ检测仪主控模块电路原理图………………………………………………一５８附录Ｂ检测仪测量模块电路原理图…………………………………………………５９附录Ｃ接收数据处理流程图…………………………………………………………６２附录Ｄ等待发送数据流程图………………………………………………………．．６３攻读硕士学位期间发表学术论文情况………………………………………………．．６４致谢…………………………………………………………………………………………………………．．６５火连理工大学学位论文版权使用授权书……………………………………………．．６６

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１绪论

１．１振弦式传感器信号采集的研究意义

白１９７９年开始实施改革开放以来，中国经济以高于建国以来任何时期的速度发展，中国发生了天翻地覆的变化。

而从上个世纪９０年代末，中国的国民生产总值一直以不低于７％的年增长率增长，高速的经济发展促使了政府对桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船等领域的大量投资，在提高人民群众的生活水平的同时，也拉动了内需，促使了经济的进一步发展。

经济的发展和政府的投资也对煤炭、石油等能源产生了大量需求，也促使了政府在这些能源领域的投资Ｉｌｌ。

然而，基础设施和能源领域的大量投资带来了众多的项目，这就要求在促进经济发展的同时，能够保证安全生产和保障人民群众的生命财产安全。

国家和企业如今面对越来越多的来自于安全生产方面的挑战，为了积极应对挑战，需要国家对工程建设中勘察、施工、验收、运行等过程进行严格监控，督促监督企业重视和落实安全生产的规章制度，不断采用先进的安全监控技术和监测设备，并建立完善的安全预警系统。

在煤矿、油田、大坝、桥梁、造船等工程领域中，需要对压力、应力、渗压、沉降、拉力等关系到系统安全的相关数据进行监测。

人类最早的安全监测主要是依靠人工来完成，而过多的依靠人工来监测具有诸多缺点。

人工监测具有更多的主观性，过多的依靠个人的经验，这样很难达到全面准确，并且人工无法监测生产中高危险、高辐射、高污染等场合，而随着人力成本的不断上升，人工安全监测成本也越来越昂贵。

第三次工业革命以后，随着电子测量技术、计算机技术和传感器技术的发展，越来越多的工程监测中采用基于传感器的电子测量方式。

压力、应力、渗压、沉降、拉力等参数的测量，需要传感器具有较高的稳定性、精度及输出信号能够长距离传输。

振弦式传感器可以对上述参数的测量，非常适用于桥梁、大坝等工作环境恶劣而技术要求又很高的安全监测环境【２】。

在计算机技术兴起之前，最初的传感器主要是将压力、水位、位移等待测物理量转换为电压或电流形式的模拟量。

模拟量是随着时问连续变化的物理量，可以由硬件电路实现加减乘除等数学运算。

但模拟电压、电流信号不易于远距离传输，抗干扰能力差；信号一旦受到干扰，不易对信号进行数据恢复。

频率信号相对于模拟电压，具有抗干扰能力强，易于信号的长距离传输和恢复，便于单片机等处理器对信号的采集和测量。

随着计算机技术的兴起，工程领域中使用的传感器往往倾向于采用输出为频率信号的传感器，来实现远程分布式多点监测。

随着频率型输出的振弦式传感器一经出现并投入应用，

振弦式传感器信号采集仪的研制

几乎是目前能够长期稳定给出工程监测参数的唯一传感器，也是在工程领域内广泛应用的传感器【ｊｏｊ。

除了输出信号形式是频率信号这个优势，振弦式传感器还主要具有以下优点：

（１）具有较高的测量精度，相对于电阻应变片等传感器抗电磁干扰能力强，可以准确反映被测量的物理量：

（２）功耗低，节省能源，适合电池供电场合；

（３）坚固耐用，使用寿命长，长期工作稳定性好，不需要人工维护，大大降低了应用成本；

（４）可以应用于低温、高温、高辐射等恶劣的环境中，可以安装到矿山、煤矿、水库、大坝、核电站等监测场合，适用范围广泛；

（５）振弦式传感器的机械机构简单，安装方便睁７｜。

综上所述，振弦式传感器可以应用于桥梁、大坝、大型建筑、地铁、造船、煤炭、石油等领域的安全预警和安全监测中。

为了实现采用振弦式传感器的安全监测，需要研制振弦式传感器的信号测量仪器。

这类仪器属于智能仪表的范畴，需要根据传感器自身的特性并结合计算机技术来实现。

本文设计的振弦式传感器信号采集仪就是根据传感器自身的特点，激励传感器并采集传感器信号，利用最新的单片机技术实现振弦式传感器的信号采集和计算。

鉴于振弦式传感器在工程领域内的重要作用，本文研制振弦式传感器信号采集仪，对于促进安全生产具有重要意义。

１．２本课题相关的国内外研究现状

２０世纪２０年代，谢弗和麦哈克公司联合研制了第一款振弦式传感器，该传感器可以测量应变，但该传感器标距较短、测量范围较小、灵敏度较低，无法应用到工程监测中，只能应用于实验室中的科学实验。

但随着振弦式传感器的技术发展，传感器不仅可以测量应变，还可以测量液位、压力、渗流、位移等物理量，测量距离大大提高，测量范围也逐渐增大，传感器的灵敏度也越来越高，这些重大进步促使振弦式传感器的性能符合工程应用的要求。

２０世纪３０年代，前苏联研究开发了采集振弦式传感器信号的监测设备，该采集设备的研制成功促使了振弦式传感器在工程监测领域中的成功应用。

而该传感器一经应用，就几乎是可以长期给出液位、压力、渗流、位移等物理量可靠数据的唯一传感器器。

２０世纪３０年代以后，振弦式传感器的技术发展越来越快，传感器越来越具有更高的性能，测试仪器也越来越智能，工程应用也越来越多。

目前国际上，西欧国家和美国在振弦式传感器技术上的研究较为领先，世界上较为著名的振弦式传感器

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生产公司有美国基康公司、法国德莱马克公司和德国麦哈克仪器仪表公司。

这些公司相关研究起步时间早，研究开发的传感器和测试仪性能稳定，测量精度高，研制和生产了种类繁多的传感器，广泛的应用于世界各地的监控领域中，然而这些传感器的价格相对于国内来说较为昂贵。

目前国内广泛应用的来自国外的传感器主要是美国基康公司生产的