振弦式传感器测频方法的研究

振弦式传感器具有结构简单、精度高、长期稳定性好，其输出为数字信号，便于与微机接口，有较强的抗干扰能力，便于长距离传输等优点，因此，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中广泛的应用。

影响振弦式传感器测量精确度的因素主要有两方面。

一是测量区间的选择（即激励响应信号的稳定区间），二是频率测量方法。

文章主要从这两个方面进行理论分析，确定出有效的振弦式传感器的测量方法。

1激励响应信号的稳定区间的研究振弦式传感器激励响应信号是由一定频率高压正弦信号激励传感器，使传感器谐振产生的信号。

激励响应信号是按指数衰减的阻尼振动信号[1]。

物体在运动过程中，总是或多或少地受到阻碍其运动的力的作用，例如空气阻力和摩擦力等，从而使振动的振幅和能量逐渐衰减，这种振动称为阻尼振动。

阻尼振动的公式如下：x=A（t）cos（ωt+φ0）A（t）=Ae-βt（1）β是表征系统阻尼大小的常量,叫做阻尼系数[2]。

A0和φ为任意常数，由振动的初始条件决定，A为初始幅度，φ为初始相位。

ω=ω20-β2姨，ω0为初始相位。

振弦式传感器激励响应信号的波形（阻尼振动的图形）如图1所示。

由于激励响应信号为减幅振荡，减幅振荡信号其信噪比是随着幅度减小逐渐减小的。

虽然T0时间段幅度最高，但是由于激励响应信号初期的频率成分不纯，信号不稳定，故不选取此段时间测量。

T2时间段由于信号振幅低于门槛电压，其噪声干扰严重，刘玉珍杨炬亮（辽宁工程技术大学电子与信息工程学院葫芦岛125105）摘要振弦式传感器是一种使用相当广泛的称重测力传感器。

称重测力传感器主要分为应变力传感器，石英谱振器，振弦式传感器等几大类。

就其工作原理而言，振弦式传感器是目前在称重测力应用方面最为先进的一种测力传感器。

文章主要从理论上对振弦式传感器的激励响应信号进行分析，确定出稳定可靠的激励响应信号区间，并在该区间内分析计数法和多周期测量法的误差，比较得出多周期测量法测量频率精度高，稳定性好,抗干扰能力好。

关键词振弦式传感器计数法多周期测量法频率图1阻尼振动同样，也不能选取T 2时间段测量。

T 1时间段为激励响应信号最稳定的区间，我们选择此区间进行频率测量，也就是要延长T 0时间，然后在T 1时间测量。

T 1时间段是由高压激励信号的大小决定的，激励信号电压越大，T 1延时的时间越长，但实际测量结果表明T 1的时间不会超过1s 。

T 0时间一般在0.15~0.25s 之间，具体时间根据不同型号的振弦式传感器的性能所决定。

2频率测量方法的研究通过以上振弦式传感器激励响应信号的稳定区间的研究，可以确定出测量的稳定区域，就是T 2时间段，下面研究频率的测量方法，振弦式传感器测频方法主要有两种，计数法和多周期测量法。

计数法：计数法是在单位定时时间内对被测信号脉冲进行计数。

多周期测量法：多周期测量法是用计数器测量多个周期值，比如计数器计10个被测周期的数，即测得10T ，然后用10除以所测得的时间数就等于所要测的频率。

2.1计数法的误差分析计数法是直接测频法的一种，直接测频的误差主要是量化误差（±1误差）。

在测频时由于标准闸门时间信号与被测信号脉冲之间没有必然的联系，它们在时间关系上是完全任意的，或者说它们在时间轴上的相对位置是随机的。

这就造成在定时时间相同的情况下，计数器所计得的数却不一定相同。

当定时时间T S 接近甚至等于被测信号周期T X 的整数倍时，计数误差为最大。

如图2所示，若定时开启时刻为t 0，而第1个计数脉冲出现在t x 。

图2（a ）表示T X >Δt >0的情况（Δt =t x -t 0），这时计数器计得N 个数（图中N 为9）。

在图2（b ）中，Δt →0，就会产生两种计数结果：若第1个脉冲和第8个脉冲都能通过定时的时间段，则计数结果为N +1=10个；也可能由于相位的随机性，这两个脉冲都不能通过闸门，这种情况下计得的结果为N -1=8个，即最大计数误差为N =±1个数,则计数误差可写为式（2）ΔN N =±1N =±1T S f x（2）式中T S —定时时间；f x —被测频率根据上面分析可知，不管计数值N 为多少，其最大计数误差不超过±1个计数单位，但由于振弦式传图2量化误差示意图3多周期测量可减小转换误差（收稿日期：2010年3月4日）Vibrating Wire Sensor Frequency Measurement MethodLiu Yuzhen ，Yang Juliang（College of Information and Electronic Engineering ，Liaoning Technical University ，Huludao 125105，China ）AbstractVibrating wire sensor is a very wide range of weighing the using of force-measuring sensor.Weighing sensor is mainlydivided into contingency force sensor,quartz oscillator of spectrum,vibrating wire sensors and so on.in terms of the working principle,Vibrating wire sensors are currently the most advanced of a force-measuring sensor in weighing applications.The article analyzes the vibrating wire sensor signal in response to incentives in theory,ensures the stable and reliable space of the signal in response to incentives,and analyzes the error of counting method and multi-cycle measurement in the range,educe the frequency measuring method of high accuracy,good stability and anti-interference ability.Key wordsvibrating wire sensors ，counting method ，multi-cycle measurement ，frequency参考文献[1]邓铁六，于凤，邓伟，马俊亭.大量程自激振弦式传感器及相关技术.传感器技术，2001，20（9）：42~43[2]魏成文，马长占，田华.一维谐振子阻尼振动的初期情况.河北师范大学学报（自然科学版），1996，20（4）:47~48[3]杨吉祥，詹宏英，梅杓春.电子测量技术基础.南京：东南大学出版社，1999感器激励响应信号稳定区间小于1s ，定时时间不能超过1s,计数法误差增大，大于±1。

由公式（2）可知，在测量低频时，由于±1误差产生的频率误差大的惊人，而振弦式传感器频率范围一般在1~3kHz 之间，属低频范围，如果用计数法测量频率，会造成很大的测量误差。

2.2多周期测量法的误差分析[3]利用多周期测量法可以减小触发误差对测周的影响。

从图2可见要测50个周期，两相邻周期由于触发误差产生的ΔT 是互相抵消的，比如，第一个周期T x1终了，由于外界干扰（包括振弦式传感器的温度干扰，外界突然震动的干扰）V n 使T x1减小ΔT 2，则第二个周期却由于V n 使T x2增加ΔT 2。

所以，当测50个周期时，只有第一个周期开始产生的转换误差ΔT 1和第50个周期终了产生的ΔT 2才产生测周误差ΔT 1()2+ΔT 2()2√（50个周期引起的总误差），这个误差除50，得一个周期误差为ΔT 1()2+ΔT 2()2√/50，可见减小了50倍。

此外由于计数增加了50倍，这样，由±1误差所引起的测量误差也减小了50倍。

以上计数法和多周期测量法的分析，比较可得多周期测量法相对准确，误差较小。

但是测量设备的时钟频率要选择相对较高的，可以减小噪声干扰的影响。

3结束语本文主要从理论上分析振弦式传感器激励响应信号，确定了信号的稳定区间，并对两种测量方法进行误差分析，为振弦式传感器测量仪器的研究提供了理论基础，现实意义重大。

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