钢弦式读数仪的研究 自动化毕业设计.docx
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钢弦式读数仪的研究自动化毕业设计
毕业设计（论文）
题目：
钢弦式读数仪的研究
学院：
电子信息学院
专业班级：
自动化07级1班
指导教师：
温宗周职称：
副教授
学生姓名：
苗大波
学号：
40703010111
摘要
20世纪70年代以来，大坝安全自动化监测系统得到了飞速发展，但自动化监测系统由于其设备运行环境恶劣、可靠性要求高，仍是大坝安全自动化监测系统中存在问题较多的项目之一。
为此，本文研制开发了新一代基于振弦式传感器的钢弦式读数仪。
文中阐述了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了振弦式读数仪的硬件、软件结构以及数据通讯设计思想和实现方法，研制出了以ARM为核心的智能读数仪。
钢弦式读数仪具有如下特点:
l、信号采集实现了频率与温度信号同步采集、处理。
2、人性化界面设计，可直接显示采集信号，便于维护、检查。
3、提高了频率采集的精度等级，增加了信号及电源防雷击和抗电磁干扰功能模块。
体积小，造价低，适应现场恶劣环境。
测试和试运行结果表明，钢弦式读数仪具有较强的通用性和稳定性，性能指标符合设计要求。
关键词:
振弦式传感器，钢弦式读数仪，LM3S6965
ABSTRACT
Theautomaticmonitoringsystemofdamsafetyhasbeendevelopedquicklysince1970.ButfortheadverseoperationcircumstanceshighreliabilityrequirementsofosmoticPressureautoMattiemonitoringsystemitstillhassomeProblemsintheautomaticmonitoringsystemofdamsafety.Thereforeanewdampsmotepressuretomatomonitoringsystembasedonvibratingstringsensorisdeveloped.Softwarestructureanddatacommunicationfordiamondtimepredestineautomaticmonitoringsystemisputforward.Intelligentdiamondotherpressureautomaticmonitoringsystemwithsinglechirpascoreisdeveloped.Thesystemsimplehasbeentestedandoperatorpartialinthelab.ThefunctionmodulartopreventLightningandelectromagneticdisturbanceofficialandPowerhouseisadded.IthastheCharactersofsmallsize，lowcostandgoodadoptionforadversenesscircumstances.TestandtrialoperationresultsshowthatthehardwareandsoftwareofthissystemhasstrongversatilityAndstability，andperformanceindexconfirmtodesignrequirements.
KEYWORDS:
vibratingstringsensor，automaticmotoringsystem，LM3S6965
第一章绪论
1.1课题背景
随着我国对水资源的不断开发和利用，已建成或正在兴建的高坝大型水库型水利水电工程（如三峡、龙羊峡、小浪底、二滩、拉西瓦等）越来越多;投资巨大的南水北调工程也己开展;各流域梯级滚动水资源开发多进入良性循环，建造了许多大、中、小型水利水电工程。
这些工程具有可观的发电、防洪、灌溉等经济效益，对国民经济的发展有着极大的推动作用。
与此同时，大坝失事现象也频频出现，例如，五十年代法国的马尔塞双曲拱坝、六十年代初意大利瓦依昂拱坝和九十年代青海沟后水库失事等，都给国家和人民的生命财产造成巨大的损失，因此，大坝安全监测问题引起社会和工程界的普遍关注和重视[1]。
大坝安全监测是最近几十年中发展起来的一门新兴的技术学科。
70年代以前称为大坝原型观测，即是在大坝原型中设置观测仪器进行现场测量，以期获得一些能反映大坝结构变化的特征量，本世纪20年代最早开始原型观测是采用大地观测方法观测大坝的变形，30年代初美国利用卡尔逊式仪器开展了大坝的内部观测。
当时原型观测的主要目的是研究大坝的实际变形、温度和应力状态，其着重点在于验证设计。
伴随着本世纪30—70年代世界各国的筑坝高潮，大坝失事时有发生，造成的巨大灾害引起了国际社会的高度重视，大坝观测由原来主要为设计、施工、科研等技术目的服务进而发展成为监测大坝的安全运行这个关系到社会公共安全的一个不容忽视的重要事业。
70年代以来，世界各国均致力于大坝监测技术的发展，各类新兴的监测仪器大量涌现，大坝安全监控的理论和方法不断完善。
大坝的安全检测有别于设计校验的监测，它着眼于监测在长期荷载作用下，坝体及基础结构性态的演变过程。
从大坝失事的教训中可以看出，因基础恶化而导致失事的比率远大于因坝体破坏而造成的溃坝，特别是现代技术高度发展的今天，因坝工设计或施工质量而造成失事的可能性很小，失事的起因更多地来自大坝的基础，对于混凝土坝，变异的起因通常来源于基础的恶化，岩体的压缩、断层、节理、裂隙在高压水的长期作用下，充填物逐渐被软化、离析，而形成通道。
其明显的反映是渗透压力升高，渗流量增大。
因此，渗压、渗流和和变形不仅是三个较为直观的宏观特征量，也是监测大坝安全的重要物理量。
用以检查大坝坝基帷幕灌浆质量和坝基排水减压效果，是用于了解大坝边坡稳定性，校核大坝安全状况，富裕安全度的重要依据。
西北各水电站在按电力部对大坝安全定期检查中，均采用经校核的实测坝基扬压力，渗流资料，对大坝安全进行安全复核工作[2]--[13]。
随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术的巨大发展，各国均着力发展遥控仪器，并逐渐推广监测的自动化。
大坝安全监测和管理的自动化、现代化也获得了空前的发展。
本课题研制的钢弦式读数仪除了能满足常年在潮湿、温差大、强电磁干扰的环境下连续不间断工作，同时该采集模块还要具有采集、存储数据并向上位机传输数据的功能，还增设触摸按键、LCD显示功能，使系统更加灵活、可靠、功能更加强大。
1.2研制钢弦式读数仪的目的和意义
大坝安全监测系统的发展主要包括测量方式的发展和一次采集元件——传感器的发展。
大坝安全监测经历了人工监测、半自动化监测、自动化的发展过程。
大坝安全监测通常被称为扬压力监测，对于有压测压管采用压力表，现场定时读取读数;对于无压测管采用响锤寻找水面，用测绳量测水面至孔口的距离，根据孔口高程再换算成测管内水面的高程（即水位值）。
采用人工监测，需数人协同工作，现场范围大，测点多，监测数据因人而异，监测精度差，数据缺乏空间及时间的连续性，尤其在汛期或暴雨季节，需加密测量次数，人工监测难以胜任。
70年代以后，对人工观测的方法进行改善形成半自动化监测模式，此种监测模式虽精度、速度上有一定提高，但仍不能满足工程运行的需要;20世纪80年代世界科学技术飞速发展，大坝安全监测技术也有了长足的发展，主要表现在监测手段现代化和监测方法的自动化。
从20世纪60年代国外即开始从事观测自动化的研制开发，70年代已进入使用阶段。
从意大利、法国、美国、西班牙、葡萄牙、日本和瑞士等工业发达国家实现自动化的情况来看，有的起始于资料管理自动化，有的则首先实现采集自动化。
纵观大坝监测自动化的发展历程可以看出，尽管各国所走的自动化发展道路不同，但总是随着技术的进步，监测仪器有一个渐次提高自动化水平的过程。
早期的做法是采用大规模集成电路及微处理器组成的便携式测读仪装置，对监测仪器进行监测，结果数字显示，也可存储打印。
第二阶段研制出集控和选数功能的装置，对仪器进行集中式数据采集，且测读的数据可输入到计算机中或上一级计算中心进行处理。
80年代中期，随着微电子技术和计算机的发展，各国又发展了分布式监控数据采集系统，即在观测现场设置多台小型化测量控制装置，分别对监控区域内的仪器进行自动监测，测量数据转换为数字量通过数据总线直接传送到监测中心的计算机进行处理。
大坝安全监测采集元件——传感器是数据采集的关键部件。
基本上分为电阻式、压阻式和振弦式。
差动电阻式作为内部埋设仪器来监测渗透压力，压阻式和振弦式主要用于代替压力表、测压管，用于大坝渗压监测。
压阻式传感器的测量信号受温度和电缆芯线电阻的影响较大，而且传感器至远程测量单元的距离较短（约300米），这些都制约着自动化监测系统的发挥。
振弦式传感器以其结构简单、坚固耐用、长期稳定性好、精度和分辨率高而著称，输出为频率信号，可与微机直接接口等优点被广泛应用。
因此，振弦使传感器即能克服压阻式传感器受温度和电缆芯线电阻的影响，又便于远距离信号传输（传感器距远程测量单元的距离可达1200米）等优点被广泛应用于大坝渗压自动化监测。
1.3国内外研究应用发展状况
我国的安全监测自动化研制工作起步于20世纪70年代末，首先实施的差动电阻式内观仪器的自动化。
从研制自动化测读仪表着手，用了十多年时间，也和国外一样经历了由初级到高级的发展过程。
由于采用五芯电缆连接差动电阻式传感器和研制出五芯测法的电阻比电桥，从理论上解决该传感器长距离测量的难题，消除了长导线电阻对测量精度的影响，从而使自动化测量技术有了长足的进步。
有存储功能的数字化电桥，电阻比巡检仪器等多种新型自动化测试仪表相继问世。
20世纪70年代中期，中国科学院成都分院与龚咀水电厂共同研制了我国第一台应变计自动化检测装置，使163支仪器的监测数据于1980年首次实现自动采集。
1983年南京自动化研究所研制的BNZ—1自动化监测装置安装在葛州坝二江电厂，1984年投运，实现了二江泄水闸184支仪器的自动检测。
为了加快自动化的进程，“大坝安全自动化监测微机系统及仪器研制”列为国家“七五”攻关项目。
南京自动化研究所、清华大学、中国水利水电科学研究院和松辽委勘测设计院等科研院校共同努力，通过攻关研制成工程急需的变形和渗流的监测仪器。
南京自动化研究院大坝监测研究所研制的DAMS大坝安全自动检测装置和DSIMS大坝安全信息管理系统软件于1985年10月首次在梅山水库试运行。
十年中不断总结完善，该所已先后开发了DAMS—N混合式数据采集系统、DAMS一M分布式数据采集仪、DAMS—4智能分布式数据采集系统和DSIMS大坝安全监控管理系统，并在工程中得到应用和推广。
通过国家倡导和工程技术界的通力合作，近几年我国安全检测自动化技术取得了较大的发展，一批具有相当水平的大坝安全检测自动化系统在国内近百座大中型工程中实施和运行，取得了显著的经济效益和社会效益。
南京水利水文自动化研究所大坝监测分所研制的DG型分布式大坝安全监测自动化系统及监测仪器19%年通过部级鉴定，先后在葛州坝和碧口等工程中投入运行。
广东省水利水电科学研究所开发的大坝安全自动化系统，在该省几座电站的混凝土大坝的安全监测中取得了实施效果。
南京水利科学研究院、水利部大坝安全管理中心承担的水利部水利科技重点项目《土石坝安全监测和评价》，已于1998年4月通过部级鉴定，其中适用于土石坝的监测自动化采集系统，己在广西林青狮潭水库成功的运行了三年。
南京电力自动化设备总厂研制的FWC一1型分布式网络测量系统，通过测控单元MCU可以对差动电阻式、振弦式、压阻式和CCD等多种传感器进行测量、存储和处理，并通过远程或近程实现有线或无线通讯。
在扬压、渗流自动监测仪器方面，由于该类仪器的长期稳定性要求高等难点，直到90年代初国内产品才投入工程运行。
青岛海洋仪器研究所对振弦式压力传感器进行了长期的研制工作。
由于压阻传感器灵敏度高，分辨率高，体积小，所以在大坝工程上运用步伐加快。
电力自动化研究院生产的NYZ型压阻传感器己在多个工程中运用。
经“七五”攻关，电力自动化研究院研究成功的高精度扬压力计在仪器零漂等关键技术上有所突破。
在岩滩、大化、青溪等十几个工程运用，取得了很好的监测成果。
压阻式传感器通过在硅半导体材料上制成压敏电阻作为敏感元件，在水压力作用下使由做成桥路的半导体电阻的压阻效应输出电量，由此测出水压变化。
国外在安全监测方面起步较早，1920年瑞士蒙萨温斯（Montsalvens）重力坝（高55米）首先埋设了电阻式遥测仪器。
1925年美国垦务局对爱达荷州高25米的亚美利加一佛尔兹坝进行了扬压力观测。
1926年美国垦务局在斯蒂温逊（StenvensonCreek）试验坝（高18.3米）上埋设了用炭棒制成的电阻式应变计140支，研究拱坝的应力分布。
1932年美国加利福尼亚大学教授卡尔逊（R.W.Calson）发明了差动式传感器，1933年美国在阿乌黑（Owyhee）拱坝和莫利斯（Morris）重力坝上埋设了他的早期产品，并且采用了无应力计观测混凝土的自由体积变形。
美国在20世纪30年代至40年代间修建的一系列混凝土大坝广泛使用了卡尔逊仪器。
到了20世纪40年代建立了一整套从应变计资料计算混凝土应力的方法，提出一些大坝的观测资料，通过对这些成果的研究和应用，发展了混凝土坝的设计理论和施工技术。
在欧洲的许多国家使用着另一种类型的观测仪器一振弦式仪器。
最早的振弦式应变计于1919年谢弗设计有德国麦哈克公司生产。
1932年克温设计了另一种型式的振弦式应变计，由法国泰勒马克公司生产。
同一时期原苏联学者维金可夫也制造了一种弦式仪器，首先埋设在第聂伯河列宁水电站的混凝土坝中，此后广泛用于苏联兴建的闸坝工程中，对扬压力和土压力进行观测。
土石坝最重要的安全监测项目是渗漏来源和渗流量、孔隙水压力、土体不均匀位移。
美国垦务局在贝尔富升坝上安装了直径2英寸用白铁皮制成的观测管，可直接用带有浮标的绳子在这种观测井中观测水位。
1935年研制成的水位指示仪埋设在海勒姆坝和埃真谷坝，用压缩空气置换观测管中的水，由压力表和测压值测得压力值。
1938年在卡巴罗坝上埋设了静水压力指示仪，用带有触点的金属膜片压力盒作为测头，渗压水经测头前端透水面作用到膜片上，触点相连电路接通启动气压使膜片恢复到初始状态，压力显示在压力表上。
1939年弗雷斯诺坝安装了水压式双管测压计，它的主要优点有长期使用记录，比竖管测压计读数时间间隔短，能利用中心观测井组成观测系统。
这些不断的装置有较原始的量测水位，发展到可直接测量孔隙压力。
水压式双管测压计在美国一直沿用到80年代。
由于失效率高，新的气动式测压计开始取代它。
通过压缩氮气传递到测压计测头上，使其与作用在测头中橡皮膜上的压力平衡，多余气体自动排出，测值可从便携式读数仪上读出。
但振弦式测压仪和卡尔逊式测压仪也有应用，但并不多。
20世纪30年代初在欧美几乎同时问世的卡尔逊式和振弦式两类观测仪器，其发展速度和完善程度却不尽相同。
弦式仪器初期使用220v交流电源的电子管型的耳机式钢弦频率计测定，靠人耳听到拍频声来辨别频率，使用不便，从而受到限制，到60年代初发展一直缓慢。
卡尔逊仪器因其小巧玲珑、易于操作，便于野外作业等优点，被这期间修建的大坝所采用。
1952年卡尔逊仪器的品种形成系列。
仪器结构和性能不断改进和提高，就混凝土内部观测的需要来说，基本达到较完善的程度。
因而在美国、瑞士、日本、葡萄牙、澳大利亚和我国得到广泛应用，成为70年代以前混凝土坝内部观测的主要仪器系列。
20世纪60年代末70年代初半导体技术、微电子技术和仪器量测技术的发展，使弦式仪器和卡尔逊式仪器的发展产生了此起彼伏的变化。
精确万分之一的袖珍式频率计解决了过去弦式仪器检测上的难题。
由于弦式仪器的精度和灵敏度均优于卡氏仪器，而且结构简单，信号易于远距离传输，易于实现自动化巡检。
因此，近年来弦式仪器发展很快。
美国若斯蒙公司制造的电容微压传感器测试液位精度高，长期稳定性好，很适于量水堰水位观测。
英国朱阿克公司制造的量测水深的传感器可放在量水堰中测出水深，从而求出流量，还可自动化遥测。
由于采用振弦式渗压计，已很容易实现遥测自动化，且精度高、反应迅速，已取得长期稳定的观测结果。
美国基康公司、测斜仪器公司、法国泰勒马克公司、加拿大洛克台斯特公司、阿尔爱斯特公司都是生产弦式渗压计的主要厂家。
1.4本课题的主要工作
本文的研究工作主要包括以下几个方面:
（l）分析了振弦式传感器的工作原理和特点，提出了基于该类型传感器的大坝自动化监测系统（钢弦式读数仪）的设计思想。
（2）根据系统的设计思想，完成钢弦式读数仪的硬件，包括测量电路的设计、元器件的选型和硬件各模块的调制等，该元件适用于各类振弦式仪器的测量。
（3）采用C语言编制了系统的软件。
（4）在实验室进行了模拟试验，结果表明，该元件性能稳定，满足设计要求。
第二章振弦式传感器的工作原理
在安全检测中一次采集元器件即传感器是数据采集的关键部件。
国内长期采用半导体器件制作，在实际应用中，由于环境恶劣，湿度大，设备长期稳定性差、零漂大、影响测值不稳。
近几年来，随着科学技术的发展和国内外技术交流的深入开展，己有厂家开始引进国外技术、工艺及半成品制造或组装压力传感器，其中硅压阻式传感器是目前广泛采用的这类传感器。
硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也是在单晶硅的基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件，当它受到压力时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。
由于硅压阻压力传感器对温度很敏感，在大量程范围内灵敏度低，且在高温下稳定性难以保证;测量信号受温度和电缆芯线电阻影响较大，信号衰减较快，传输距离小（一般小于300米），因此不适合在安全监测中测点多、分布广、温度变化范围大、信号远距离传输的要求[13--23]。
随着新技术的发展，一种谐振式的压力传感器被越来越多地应用在工程中。
这种传感器就是利用压力的变化来改变物体的谐振频率，从而通过频率的变化来间接测量压力。
由于在工作时要产生振动，所以该传感器也称为振动式压力传感器。
根据振动部分的不同结构形状可分为振动筒式、振动膜式、振动弦式等压力传感器。
本文选用振动弦式压力传感器作为测量系统的一次采集元件。
2.1振弦式传感器的特点
振弦式传感器输出为频率信号，而频率信号是能获得很高测量精度的信号，并且适于长距离传输也不会降低其精度。
这是其显著的特点之一。
其次，从结构来看，振弦式传感器无活动元件，所以其工作可靠性及稳定性都高，并可能制造出精度极高的传感器。
在其诸多优点中，最重要的一个是振子的阻尼小，谐振响应曲线十分窄，如图2一1所示。
振子在振动时，它的结构内部具有一定的阻尼，它要消耗能量，从而需要外部施加激振力。
如果振子的阻尼越小，即振动时所需耗散的能量就越少，频率的选则性越好（所谓频率选则性好是指传感器从不同的频率信号中选出所需要的频率信号的能力），则传感器的精度可很高。
特点:
（1）输出信号稳定性高
（2）长期工作可靠性高
（3）适合长距离传输
（4）适应在恶略环境下工作
图2-1振子的频响曲线
2.2振弦式传感器的工作原理
要使振子产生振动、需外加激振力（激振元件），要测量振子的振动频率则要拾振元件，它们之间的关系如图2一2所示。
由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统。
图2-2正弦传感器的基本构成
振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦（一般称为振弦）。
常用弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成，它与传感器受力部件连接固定，利用振弦的自振频率与振弦受到的外加张力关系测得各物理量。
振弦传感器的工作原理图如图2—3所示[17]。
敏感元件振弦2是一根张紧的金属丝，置于电磁铁3中，其中一端固定在支承1上，另一端与可动部件4相连，静态张力T。
作用于可动部件4上，使弦张紧。
3是电磁铁，5是纯铁片。
当在电磁线圈两端加一脉冲电流时，铁片由于受电磁力作用，将带动金属丝一起振动。
随着加在其内的谐振频率也会发生相应的变化。
通过一组不同频率的脉冲来激励振弦振动，引起振弦的共振，测得其共振频率，就可计算出传感器的受力情况及工程值。
图2-3正弦传感器的工作原理
2.3振弦式传感器的数学模型
根据力学原理，任一机械振动系统的谐振频率可根据下式计算:
（2—1）
（2—l）式中
E—谐振元件材料的弹性模量;
M—谐振元件的质量;
K—材料的刚度;
K'—与量纲有关的常数;
F—零输入时谐振元件的频率;
振弦式压力传感器的谐振元件是一根张紧的金属丝即振弦，在电激励下，振弦在磁场中按其固有频率振动。
改变振弦的张紧力T可得到不同的振动频率f0。
在磁场中的载流振弦受到电磁力Fl的作用，电磁力大小为:
Fl=BLi（2—2）
式中:
B—磁感应强度;
L—振弦有效长度;
I—通过振弦的电流。
汽的一部分用于克服振弦质量m的惯性，使之获得一定的速度。
（2—3）
式中
是克服振弦惯性力所需的电流。
当振弦以速度v运动时便切割磁
力线，产生感应电势e，其值为:
（2—4）
将式（2—4）与电容器充电公式
加以比较，可以看出，在磁场中运动的振弦质量二的作用相当一只电容，因而可用等效电容C来表示:
（2—5）
质量为m的振弦一方面作为惯性体被加速，从而吸收了一部分电磁力只，使之达到速度为v的运动;另一方面，振弦又作为具有横向刚度的弹簧在起作用，因此电磁力又要用于克服弹簧反作用力凡。
设在时间t==t，时，振弦偏离初始平衡位置的距离为6，则其弹性反作用力
.设在时间t==t1，时，振弦偏离初始平衡位置的距离为6，则其弹性反作用力
。
为
（2—6）
式中:
K为振弦的横向刚度系数。
由于
，则反电动势为
（2—7）
（2—7）式“电感反电势公式一“令相比较可以看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动，其作用相当于感性阻抗，其等效电感为:
（2—8）
因此，位于磁场中一根张紧的振弦的运动如同一个Lc并联的振荡电路。
因而振荡频率可按Lc回路的计算方法得到，即
（2—9）
将等效电容和等效电感代入（2—9）式中，得
（2—10）
将
，代入式（2—10）得
（2—11）
式中:
T—振弦的张紧力;
S—振弦的横截面积;
P—振弦金属材料的密度;
L—振弦的有效长度;
式（2—11）建立了振动弦的固有频率f0上的等幅振荡。
当振弦受到拉力时，其振荡频率将偏离固有频率f0，接收该频率并按数学公式计算就可得出对应的压力值。
由上式可以看出，当传感器制造成功之后，所用的振弦材料和振弦的直径有效长度均为不变量。
振弦的自振频率只与振弦所受的张力有关。
因此，张力可用频率f的关系式来表示:
（2—12）
式中F—振弦张力无一传感灵敏系数。
Fx—张力变化后的振弦自振频率。
f0—传感器振弦初始频率。
A—修正常数（在实际应用中可设为“0”）。
从（2—12）式中可以看出，振弦式传感器的张力与频率的关系为二次函数如图2—4，频率平方与张力为一次函数，通过最小二乘法变换后为线性方程如图2—5。
仪器的结构不同，张力“F”可以变换为位移、压力、压强、应力、应变等各种物理量。
从上式中可以看出振弦的张力与自振频率的平方呈直线关系。
但不同的传感器中振弦的长度、材料的
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