基于振弦式传感器的压力测试毕设论文.doc
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1、 传感器原理及应用 创新性应用课题研究报告 题 目: 基于振弦式传感器的压力测试 学 院: 自动化工程学院 年级专业: 2012级电子信息科学与技术 姓 名: 杨晨灿 王怀祥 林晟玉 连智华 任课教师: 迟宗涛 2015年 12月 20 日【中文摘要】在大型土木工程的安全监测中,压力作为一个重要的参数,其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测,对于保障其健康、降低事故发生率有重要的意义。由于振弦传感器具有输出信号稳定、易检测等诸多优点,本文选用振弦式传感器,设计了一套电路结构简单、可靠性好、测量精度较高的压力检测系统。本文首先对常用的压力传感器进行了比较,阐述了选用振弦传感器的
2、依据,分析了传感器的结构和工作原理,总结了振弦传感器压力检测中影响测量精度的主要因素,并提出了相应的解决措施。重点对传感器的激振方式进行了研究和优化,采用了反馈式的激振新方法,设计了合理的信号处理电路。本系统采用分布式采集方式,由数据采集系统、传感器组成,每一个数据采集系统可挂接多路传感器,能实现多点检测,选用了真正能独立工作的片上系统C8051F340单片机为处理器,设计了激振电路、测频电路、显示电路、串口通信接口等硬件电路。同时,本文也设计了完整的下位机软件,使硬件能正常的实现其检测功能。软件设计采用模块化的编程思想,C语言编写,结构清晰,容易移植,方便维护和升级。最后,针对电子电路系统中
3、存在的干扰问题,在系统的硬件和软件上均进行了抗干扰设计,保证系统能正常地运行。通过一个多月的调试,本系统各个部分能正常的工作,测试结果表明,其测量精度有一定提高,运行较为稳定。此系统体积小,成本低,接口通用,适用于大多数振弦传感器,具有一定的工程应用价值。振弦式传感器由于具有寿命长 、稳定性好 、精度高及信号便于检测等优点 ,一直受到业界的关注 ,并 广泛应用于煤矿 1 、大坝 2 和路桥 3 等场合进行压 力测量 。振弦式传感器容易受温度等因素的影响 , 所以 ,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿 4 ,但是很少有人提到在电路系统中对其 他方面进行优化设计 。根据实际需要 ,笔者
4、在系统 设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素 , 实现了对压力的高精度测量 。应用振弦式传感器并基于脉冲计数法进行压力测量可达测量精度受脉冲计数精度 、电路噪声及温度补偿 等多重因素影响 。介绍了一种成熟的设计方案 ,通过采用优化的扫频激励方式 、合理的脉冲计数方法 、低噪声信号 调理电路设计和有效的温度补偿等途径 ,获得了较高精度的压力测量值 ,是脉冲计数法测压场合的较好选择 。【关键词】振弦式传感器压力检测数据采集C8051F340【英文摘要】Inthesecuritymonitoringoflargecivilengineering,Asanimportantparameter,t
5、hemethodsofpressuremeasurementhavealwaysbeenpaidgreatattention.Ithasanimportantsignificanceforprotectingtheirhealthandreducingtheaccidentrate,throughmonitoringthepressureofvariousstructuresonreal-time.Becauseoftheadvantagesofvibratingwiresensorssuchasoutputsignalstability,easytodetectandsoon,apressu
6、remeasurementsystemwasdesignedwhichhasasimplehardwarestructurewithgoodreliabilityandhighaccuracybyvibratingwiresensorinthispaper.Firstly,thepapercomparewithcommonusedpressuresensors,explainthebasisofselectingthevibratingwiresensor,analyzeitsstructureandworkingprinciple,summarizetheforemostfactorstha
7、tinfluencethemeasuringaccuracyofvibratingwiresensors,proposesomecorrespondingimprovedmethods.Theexcitingmethodsofvibratingwiresensorarestudiedandoptimizedmainly,anewexcitingmethodbasedonfeedbackisusedandarationalsignalprocessingcircuitisdesignedinthepaper.Thesystemisadistributeddataacquisitionsystem
8、,whichconsistsofdataacquisitionsystemandsensors.Everydataacquisitionsystemcouldmountmanysensorsandachieve multi-pointdetecting.ChoosesystemonachipC8051F340thatrealworkindependentlyasMCU,designavibratingwiresensorexcitationcircuit,afrequencymeasurementcircuit,adisplaycircuit,serialcommunicationinterf
9、acecircuitsandsoon.Atthesametime,alsodesigncompletelowercomputersoftwarethatenablethehardwaretoachieveitsnormalfunction.ThesoftwareisprogrammedinClanguagethathasclearstructureandiseasytotransplant,maintainandupgradewithmodularprogrammingidea.Atlast,anti-jammingdesignsofhardwareandsoftwareismadeinthe
10、systemtoensureitworksproperlyforinterferenceproblemsthatexistintheelectroniccircuitsystem.Aftermorethanamonthdebugging,allpartsofthissystemworkproperly.Theexperimentresultsindicatethatthesystemhasverygoodmeasurementaccuracyandastableandreliableperformance.Thecharacteristicofthissystemaresmallcubage,
11、lowcost,generalinterfaceandusedbyalmostvibratingwiresensors,whichhassomevalueinengineering.When using pulse counting method, the precision of pressure measuring with vibrating wire sensor is influenced by the precision of pulse counter, circuit noise, temperature compensation, etc. This paper introd
12、uce s a mature scheme of pressure measuring with vibrating wire sensor. A high pressure measuring precision is obtained by using methods like optimized frequency scanning, reasonable pulse counting, low noise signal processing circuit designing and effective temperature compensation, etc. It prove s
13、 to be a preferable selection in pressure measuring with pulse counting method.【英文关键词】vibratingwiresensorpressuremeasurementdataacquisitionC8051F3401 绪论.11.1课题研究目的和意义11.2国内外技术发展现状11.3发展趋势21.4课题主要研究内容22 系统总体设计及工作原理32.1系统主要功能32.2系统总体结构框图42.3总结点框图42.4无线通信技术52.4.1采集节点框图52.4.2接收节点框图62.5GSM移动通信网络72.6GPRS技
14、术82.7AT指令简介82.8振弦传感器原理92.8.1工作原理102.8.3振弦式传感器的特性112.8.6振弦式传感器的测量系统133 系统的硬件设计143.1单片机的选择143.2单片机外围电路设计153.2.1时钟电路153.2.2复位电路173.2.3串口电路183.3电源模块设计193.4液晶显示模块设计203.5无线通信电路设计213.6GPRS模块设计224 系统的软件设计.234.1信号采集与处理软件设计244.2无线传感器控制软件设计254.3总结点单片机程序设计264.4GSM通信软件设计275 调试276 误差分析28结论.29参考文献.301 绪论在大型土木工程的安全
15、监测中,压力作为一个重要的参数,其检测方法一直备受重视。通过对各种结构所受压力的实时检测,对保障健康、降低事故发生率具有重要的意义。由于振弦式传感器具有输出信号稳定、易检测、精度和分辨率高等诸多优点,因此是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。基于振弦式传感器的压力测试仪的使用对国民安全和国民经济起着举足轻重的作用。振弦式传感器由于具有寿命长 、稳定性好 、精度高及信号便于检测等优点 ,一直受到业界的关注 ,并 广泛应用于煤矿 1 、大坝 2 和路桥 3 等场合进行压 力测量 。振弦式传感器容易受温度等因素的影响 , 所以 ,近来系统设计者采取措施在温度方面对系统进行补偿 4
16、,但是很少有人提到在电路系统中对其 他方面进行优化设计 。根据实际需要 ,笔者在系统 设计过程中综合考虑了所有影响测量精度的因素 , 实现了对压力的高精度测量 。1.1课题研究目的和意义在建筑工业中,安全问题是重中之重,一旦一个工程安全问题得不到保障,投入的资金再多,耗费的人力物力再大,也都显得没有任何意义。振弦式仪器是目前我国土石坝内部观测的首选仪器,它在大坝监测、桥梁监测和岩石工程中占有重要地位。基于扫频激振技术的激振单线圈振弦式传感器的方法为实现上述工程自动监测系统提供有力支持。基于扫频激振技术的振弦式传感器应用于某型分布式网络测量系统中,用于大坝内部应力自动监测,具有起振迅速、测值可靠
17、、自动化程度高的突出优点,取得了较好的应用效果。基于振弦式传感器的压力测试系统对桥梁结构的安全性和对国民经济起着举足轻重的作用。对桥梁的运行状况进行健康监测,可以有效预防突发性灾难,减少损失,避免人员伤亡,确保基础设施与使用者的安全。1.2国内外技术发展现状振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外,德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司,都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起,先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品,如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力
18、计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试,已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段,显示出了其广阔应用和发展的前景。除了振弦式传感器外,还有振筒式、振梁式和振膜式等传感器,它们统称为谐振式传感器。它们的工作原理与特性相似或相同,是20世纪70年代发展起来的。由于是频率式传感器,频率测量的精度最高(可达1013数量级),由此成为最有发展前途的传感技术之一。它们被广泛应用于测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、压力、流体流量以及成分分析等。1.3发展趋势振弦式传感器是目前是国内外普遍重视和广泛应
19、用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号,因此,具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比,有着突出的优越性:(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小,因此具有长期零点稳定的性能,这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中,振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2) 随着电子、微机技术的发展,从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看,由于振弦传感器能直接以频率信号输出,因此,较电阻应变
20、计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储,实现高精度的自动测试。1.4课题主要研究内容本课题要求设计一种由振弦式传感器和单片机组成的电子压力测量仪。该测量仪采用新型的振弦式压力传感器采集数据,由单片机控制整个测量过程,并负责数据的实时处理,自动存储、显示以及与远程单元的通信。这里只需要完成信号采集与处理模块。本课题要求设计的是基于振弦式传感器的压力测试仪。该压力测试仪以单片机为中心,控制整个测量过程,并完成与GPRS模块,无线通信模块的连接。数据通过无线通信模块发送和接收,经单片机处理后,通过GPRS网络发送到远程终端手机或计算机中进行处理,并显示。本文可以分成五个主要的部分
21、:第一部分是系统的总体设计,分析系统的设计要求,提出系统设计方案,阐述系统设计所需的各种技术和协议。第二部分是硬件设计,基于上述系统的设计要求完成对芯片的选择,设计硬件原理图,制作PCB图。2第三部分是软件设计,基于已设计的硬件原理图为实现系统的功能设计软件程序框图和阐述程序设计过程。第四部分是系统调试,对上述硬件设计和软件设计进行系统联调,判断是否满足系统设计要求。第五部分是结论,基于上述部分对本文进行最终的结论,并提出存在的不足和需要改进的方面。课题的意义:基于振弦式传感器的压力测试仪的控制中心是单片机。本课题数据采集与处理模块采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机。是宏晶科
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