振弦式传感器分析仪的设计

论文总字数：13850字

摘 要

振弦式传感器被应用与于各种工程中，主要用于安全监测，它通过对建筑物位移、压力等参数的监测，能够减少安全隐患，节省人力物力，从而使整个工程安全完成。振弦式传感器的结构并不复杂，可以做到长期埋于建筑物中并能稳定地传送参数，可以说是岩土工程中唯一可靠的传感器。它以频率作为输出信号，精度和分辨率高，抗干扰能力强，可以与微机直接接口，利用长电缆可以轻松实现远距离传输，特别适合用于远程监测。

本文具体介绍了振弦式传感器的类型、结构、工作原理及其特性，使用了扫频激振技术对振弦式传感器进行起振；使用二阶有源低通滤波器和过零比较器使系统输出稳定的频率信号，实现对传感器信号的检测。通过STM32单片机对信号拾波、录波、计算实现对频率信号的测量，再通过RS-232将数据发送给上位机，实现对传感器信号的分析。

关键词：振弦式传感器，扫频激振技术，二阶有源滤波，频率测量，STM32

ABSTACT

Vibrating wire transducer is widely used in hydropower engineering and other geotechnical engineering, it through to the dam monitoring parameters, such as displacement, stress and other buildings, to prevent disasters, save manpower material resources, and so on. The vibrating string sensor has simple structure, can be buried in the building for a long time and can transmit the parameters stably. It can be said that it is the only reliable sensor in geotechnical engineering. It is output signal with frequency, accuracy and high resolution, strong anti-interference ability, can be directly with microcomputer interface, the long cable can easily realize long distance transmission, especially for remote monitoring.

This paper introduces the types of vibrating string type sensor, structure, working principle and characteristics. The second order active low pass filter and zero - crossing comparator are used to output stable frequency signals. Through the STM32 MCU to signal picked up wave, wave record, calculation to realize measurement of frequency signal. Then sends the data through the RS-232 to PC, realize the analysis of the sensor signals.

Key Words: vibrating wire transducer, frequency sweep excitation technique, Second-Order Active Filter, Frequency measurement

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

1. 引 言 1

1.1课题研究的目的和意义 1

1.2本论文主要研究内容 1

1. 振弦式传感器 1

2.1 振弦式传感器工作原理 2

2.2 单线圈振弦式传感器的激振方法 2

2.3 本章总结 4

1. 硬件电路设计 5

3.1 系统硬件总体设计方案 5

3.1.1 系统需求分析 5

3.1.2 系统整体方案 5

3.2 频率拾取部分设计 6

3.2.1 扫频激振技术 6

3.2.2 频率信号的拾取 7

3.2.3 测频电路 9

3.3 单片机最小系统及外设 11

3.3.1 单片机最小系统 11

3.3.2 电源管理单元 12

3.3.3 数据存储单元 12

3.3.4 人机接口电路 14

3.3.5 通信接口电路 14

3.3.6 实时时钟电路 15

3.4 本章总结 16

第四章 软件实现设计 17

4.1 系统总体流程图 17

4.2 扫频激振流程 18

4.3 等精度测频流程 18

4.4 FFT的实现 19

第五章 系统焊接及调试 21

第六章 总结与展望 22

致谢 23

参考文献(References) 24

附录 25

第一章 引 言

• 1. 课题研究的目的及意义

在岩土工程中，安全问题是极其重要的，若一个工程的安全问题不能得到有效的保障，投入的人物力再大，耗费的资金再多，也是没有什么意义的。振弦式传感器一直使我国各项工程为了安全而使用的最重要的仪器，尤其是在防止出现重大安全事故的大坝桥梁等工程。随着国家经济的不断发展，我国的水电水利事业得到了不断的开发和利用，并取得了巨大的成就。新中国以来，我国修建数以万计的堤坝。总容量为五千亿立方米，相当于全国34%的总径流量。保障了三亿多人口和五亿亩农田以及上百座城市的防洪安全，不但直接影响工程效益的发挥，而且与中下游人民的生命财产、国民经济建设命脉等密切相关。但随着工程数量和使用时间的增长，失事率也在不断上升，所以国家现在越来越重视对工程项目的监测力度

振弦式传感器分析仪通过读取埋在工程中的振弦式传感器的数据，能够实现对传感器信号的保存整理，并发送到上位机，在一定程度上能够精准的监测到工程中的一些安全隐患，从而实现对岩土工程的安全监测，它对我国的水电、岩土工程安全自动化测量具有十分重要的意义，为了实现我国岩土工程安全自动化测量具有十分重要的意义，并具有广阔的市场前景。若能不断地完善下去， 一定能服务于广大的岩土工程项目。

• 1. 本论文主要研究内容

根据前文论述及所学知识，本论文将完成以下几个方面内容：

1. 振弦式传感器激振模块
2. 拾波信号的滤波放大
3. STM32最小系统实现及外扩模块
4. 波形数据发送
5. 通信接口模块

第二章 振弦式传感器

2.1 振弦式传感器工作原理

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