一种振弦式仪器的激振装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种振弦式仪器的激振装置，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；正弦波形数据输入至并行DA转换器并转换为正弦波形信号输出，正弦波形信号输入至滤波电路平滑成光滑的正弦波形信号，滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，将所述光滑的正弦波波形施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。该装置提高了激励信号的精确控制能力，解决了传统激振装置采用脉冲方波所产生的各种局限性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本实用新 型涉及岩土工程的健康监测
，特别是应用于岩土工程的安全监测仪器中的振弦式仪器的激振装置。
技术介绍
在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的安全。振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成。钢弦长度为L，在感知外界作用力F(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等)的时候，钢弦会产生AL的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度T的影响，F =足Χ(# + αΧΔΓ)，其中ΔΤ = T-Ttl, α为线膨胀系数，Τ。、α、K均为已知定常数。钢弦的机械振动固有频率f可以按如下公式获得f =++ ，其中V PvlLLLE是钢弦的弹性模量，P ,是钢弦的密度，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均为定常数。将上述两个公式进行整理，消除这一共同变量，得出F是f和T的确定函数，通过测量f和T就能实现F的测量。可见，钢弦的振动固有频率参量f是最为关键的测量因子。目前测量钢弦的频率参量f通常采用激振拾振的方法，将钢弦设置在频率测量线圈和永磁体构成的磁场中，通过激振方法使钢弦振起来，共振的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，并通过拾振方法拾取频率测量线圈中由于钢弦的机械振动而产生的微弱电动势的频率，进而得到钢弦的固有频率。其中，采用何种激振方法使钢弦振起来是测量钢弦的频率参量f所要解决的重要问题。传统的激振钢弦的装置，由图1所示，微机系统中的单片机I/O 口按照一定的频率(这个频率可以是传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值)产生脉冲方波的激振信号，该脉冲方波的激振信号波形如图2所示，该激振信号通过光电隔离电路和基本功放电路放大后，激振电流流过频率测量线圈，激振电流产生的交变磁场激励钢弦1振动。激振线圈通过的脉动电流频率通过微机系统调节。由图2可知，传统的激振装置产生的激振波形由数字系统产生，是幅度一定、频率可调的方波，这种方波的激振有如下不足(1) 由于方波谐波成分比较复杂，导致激振时引入谐波，如产生影响比较大的三倍频，对钢弦的激振不利，造成钢弦1不能可靠起振，迅速达到谐振状态；(2)对于一种仪器，产生脉冲方波的幅度是一定的，导致该装置对某些激振比较困难的仪器或比较容易起振的仪器存在不能使之可靠起振或过度激振的问题
技术实现思路
本技术针对现有的振弦式仪器的激振装置产生脉冲方波会引入谐波造成钢弦不能可靠起振的问题，提出了一种新型的振弦式仪器的激振装置，该装置能够获得频谱单一的正弦波激励信号，提高了激励信号的精确控制能力。本技术的技术方案如下一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，所述微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，所述波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；所述正弦波形数据输入至并行DA转换器并转换为正弦波形信号输出，所述正弦波形信号输入至滤波电路平滑成光滑的正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述光滑的正弦波波形施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力， 驱动钢弦产生谐振。所述逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，所述逻辑控制模块分别与微控制器和波形存储器相连，所述频率控制字寄存器与微处理器相连， 所述相位累加器与波形存储器相连，微处理器将正弦波形数据通过逻辑控制模块写入波形存储器，在参考时钟的作用下，对输入的频率控制字寄存器中的频率控制字进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，通过更新频率控制字，控制波形的频率， 得到频率可调的正弦波形数据。所述逻辑控制器件为FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微处理器将正弦波形数据通过FPGA/CPLD写入波形存储器，在参考时钟的作用下，通过相位加法器对输入的频率控制字进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器的地址；和/或所述滤波电路为低通椭圆滤波器。还包括幅度控制电路，所述幅度控制电路的输入端与微处理器相连，输出端与并行DA转换器的输入端相连，所述幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字以改变串行DA转换器的输出电压，所述串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制步骤A中的并行DA转换器的参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节。还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与滤波电路的输出端相连，所述功率放大电路将滤波电路输出的正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，所述功率放大电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。本技术的技术效果如下本技术提供的振弦式仪器的激振装置，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；将读出的该波形数据经后续的并行DA转换器转换为相应的电压信号即正弦波形信号；滤波电路把DA转换器转化的阶梯状模拟电压信号即正弦波形信号平滑成光滑的正弦波形信号；滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述光滑的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端， 在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。本技术的该装置把数字合成技术应用于产生激振波形，较传统的基于微处理器I/O 口产生的幅度不可调的脉冲激励波形，能够获得频谱更单一、幅度可以通过幅度控制电路在线调节的正弦波激励信号，提高了激振信号的精确控制能力，解决了传统激振装置产生的脉冲方波的频谱中含有谐波，导致钢弦不能可靠起振和含有杂波的问题，本技术的钢弦激振装置产生的正弦波频率可在线调节，正弦波频谱单一，无谐波干扰，将其施加在振弦式仪器中的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，使得钢弦能够可靠起振 ，并提高了激励信号的精确控制能力。逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，逻辑控制器件为FPGA或CPLD，即逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器由FPGA/CPLD实现，采用FPGA/CPLD实现的相位累加器对输入的频率控制字进行累加。频率控制字由微处理器写入到FPGA/CPLD中，可以通过更新频率控制字，控制波形的频率，得到频率可调的正弦波。 基于FPGA/CPLD实现的数字合成原理得到正弦波，解决了传统激振装置采用数字系统产生的脉冲方波所带来的局限性。设置与微处理器相连的幅度控制电路，通过幅度控制电路实现光滑的正弦波波形的幅度调节，对某些激振比较困难或比较容易的仪器，在微处理器的控制下，可以自适应地提高或降低激振正弦波波形的幅度，解决了传统激振装置采用幅度一定方波所产生的各种局限性，避免了不能激振或过度激振的问题，提高了振弦式仪器激振的可靠性和稳定性。功率放大电路将幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大，使之具有适当的驱动能力，能够更好地驱动正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，提高了起振性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行ＤＡ转换器和滤波电路，所述微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，所述波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；所述正弦波形数据输入至并行ＤＡ转换器并转换为正弦波形信号输出，所述正弦波形信号输入至滤波电路平滑成光滑的正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述光滑的正弦波波形施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江修，沈省三，毛良明，
申请(专利权)人：基康仪器北京有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11