2 掃頻激振原理及電路設(shè)計(jì)

2.1 掃頻激振原理

掃頻激振技術(shù)是用一串連續(xù)變化的頻率信號(hào)掃頻輸出去激振振弦傳感器的激振線圈。當(dāng)信號(hào)的頻率和振弦的固有頻率相近時(shí)，振弦能迅速達(dá)到共振狀態(tài)，從而可靠起振。振弦起振后，其在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的頻率即是振弦的固有頻率。由于激振信號(hào)的頻率用軟件控制方便，所以只要知道振弦固有頻率的大致范圍(通常對(duì)一種已知傳感器固有頻率的大致范圍是確定的），就可用這個(gè)頻率附近的激振信號(hào)去激發(fā)它，使振弦很快起振。

2.2 掃頻激振電路的設(shè)計(jì)

相比其他系列單片機(jī)，PIC系列單片機(jī)開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，精簡(jiǎn)的指令集和單字節(jié)指令使其執(zhí)行效率高[3]。芯片內(nèi)部自帶看門狗定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、比較模塊、USART異步串口通信模塊、EEPROM存儲(chǔ)器，從而精簡(jiǎn)了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。由于可以設(shè)置睡眠和低功耗模式，減少了電路的功耗，提高了電路的可靠性?；赑IC16F873A的多路振弦傳感器的掃頻激振的硬件電路如圖2所示。整個(gè)硬件電路分為中央控制器、掃頻激振電路、顯示模塊、參數(shù)輸入模塊、等精度測(cè)頻模塊、RS485通信模塊等部分。

一般的單線圈振弦式傳感器的固有頻率范圍是400 Hz～4 500 Hz之間，其輸出頻率隨所受壓力的變化而變化。若掃頻信號(hào)的頻率范圍是400 Hz～4 500 Hz，需要掃頻的時(shí)間長(zhǎng)、激振效果差、可控性差。為了減少掃頻時(shí)間，提高測(cè)量速度，根據(jù)振弦傳感器的輸出頻率范圍設(shè)置不同的掃頻頻段。其方法是：由參數(shù)輸入電路輸入掃頻信號(hào)頻率的上限值fmax和下限值fmin，以及相鄰2個(gè)掃頻信號(hào)頻率的差值Δf，這些參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的片內(nèi)EEPROM中。這樣，輸出的掃頻信號(hào)很有針對(duì)性，輸出的激振頻率可控性好。這些正是該掃頻激振技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于多通道振弦傳感器的選擇和隔離是通過金屬化場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)選擇某一路傳感器時(shí)，其對(duì)應(yīng)的MOSFET固態(tài)繼電器導(dǎo)通，而其他路的MOSFET固態(tài)繼電器截止。雖然其他路傳感器的激振線圈通過MOSFET接在恒流激振電路的輸出端，但是MOSFET截止時(shí)的漏電流極小，處于高阻態(tài)，因而不會(huì)對(duì)所選通路造成影響。另外，選通電路和恒流驅(qū)動(dòng)電路是光隔離的，從而避免了選通電路和恒流驅(qū)動(dòng)電路相互影響，進(jìn)一步提高了掃頻激振電路的可靠性。

根據(jù)振弦式傳感器的特性，當(dāng)激振信號(hào)太強(qiáng)時(shí)，振弦會(huì)產(chǎn)生倍頻振動(dòng)，由于倍頻成分的不同，使得同一傳感器獲得的頻率不同[4]。采用了恒流弱激振的方法，調(diào)整激振電流的大小，使其能可靠激振振弦傳感器的基頻，而又遠(yuǎn)離倍頻。恒流激振的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以忽略傳感器引線電阻的影響。