振弦式锚索计检测仪的开发与研制

    摘要：针对采用描索计测量加载液压千斤顶上的变力开发出了一套用于锚索、拱型支架及其它重型荷载的全过程计算机检测系统。该系统采用单片机和一些简单的外围电路即可完成对锚索计的读数。文中介绍了它的工作原理、系统结构、功能特性和软件编程。

    关键词：锚索针  谐振频率  通信  检测

弦式锚索计主要用于锚索、岩石锚杆、锚栓或拱形支架的荷载以及其它重型荷载的测量。在一般情况下，用于测量加载液压千斤顶上的变力、荷载以及锚索杆的长期应力变化。

本文所介绍的锚索计检测仪（简称锚索仪）采集处理系统采用8032单片机并配以必要的外围电路来完成对锚索计的读数，它可通过计算直接将频率值、温度值、受力值以及工程值显示在20×4液晶显示器上，另外还有抑制温漂、数字滤波、故障报警、参数设定、掉电记忆、64kB数据保存和通讯等功能。本系统作为一种便携式仪表，具有省电、性能价格比高等优点。可以广泛应用于建筑工程、桥梁建筑、海洋码头、水库工程等领域，具有很好的应用价值和推广价值。

1 工作原理

1.1 传感器谐振频率的测量

本仪器采用美国基康公司生产的钢弦式压力、拉力传感器，它优于传统的压力、拉力传感器的主要原因在于这种传感器使用频率作为输出信号，所以其抗干扰能力强、误差小，可在较恶劣的环境下工作。

钢弦式传感的基本结构是在一个园柱形金属筒内的两端接两个连接块，其中一个连接块是固定位置的，另一个连接块的位置是随着受力的大小而可动的。在两个连接之间接有一条钢弦（振弦），当外力不同时，其钢弦的松紧不同，因而其共振频率会发生变化。我们可以施加脉冲信号到传感器内的激励线圈，以引起钢弦的共振，当测出其共振频率后，再结合相应的有关系数应可计算出传感器受力的大小。

这种传感器精度较高，环境温度对传感器有一定的影响，故在其内还封装了一个热敏电阻以检测和控制温度。

工作时，锚索仪先向描索计中传感器的激励线圈发送一串覆盖了一定频率段的不同频率的脉冲信号，这些脉冲信号传感器中的振弦被激励并检测线圈在激励脉冲控制下随外界压力的变化，这些变化会在内部振弦上产生相应的谐振频率，对其进行放大整形所即可对频率进行定时检测，以计算出反馈频率的值。

1.2 锚索计读数

本锚索仪最多可对四支锚索计进行检测，每支一般由3～4个GeoKon弦式传感器组成，测量时取其读数平均值，温度则取其中一点的温度，然后根据下式计算出锚索计的受力情况：

P=K(f20-f2+Y0)+Kt(T-T0)+P0

f=S(G21+G22+G23+G24)/4

式中，P的单位为Kn(1吨=9.8Kn)，f的单位为Hz；

G为以上各个传感器的读数（频率），f0为初频，却受力前的频率；f当当前频率；

Y0为截距，K为率定系数；T为当前温度；T0为初始温度；P0为偏置量；（通常限0.0）；Kt是温度系数；

本锚索仪可以兼容1～4支锚索计，每支锚索计可兼容3～4个传感器，并具有智能化频率、温度巡检及故障显示功能。

2 硬件设计

图1所示是本锚索仪的硬件电路设计框图。它的整个硬件电路可以分为前向通道模块、微处理机模块、用户接口界面模块及其它一些辅助电路。整个仪表共包括两块电路印刷板，一块是主板，包括微处理机、多路开关、V/F转换、前置隔离、差模运算、看门狗、电源监视、日历片、RAM写保护、通讯模块、EEPROM存储电路、激励脉冲驱动、反馈频率信号的放大、仪表的开关控制、报警驱动等主要电路；另一块包含有电源、16路电流源、16路频率收发、温度检测电路、16路转换开关等外围电路。图中的通讯采用的是MAXIM公司的MAX1480B，它是一个完整的输入输出电气隔离的RS-485/RS-422数据接口芯片，其驱动器具有限斜率（slowrate Limited）或降低转换速率（reduced slowrate）的特性，这可使输出波形中的高频谐波成分减少，从而使这种芯片的电磁干扰（EMI）达到最小，同时还能减小由于电缆终端不匹配而引起的反射。另外，它还具有无差错数据传送的转换速率、电流限制以及热关断的驱动器过载保护功能。另外，本仪器还采用了DS12887芯片，它是一个CMOS实时时钟/日历芯片。该芯片可产生秒、分、时、星期、日、月、年等七个时标，可通过程序对这些时标进行读写和修改，并能任意编程设定产生时隔为30.517μs至一天的中断申请。该芯片可提供100年日历，可在需要实时时钟和日历的测量仪器系统中为各种微处理器提供精确的时钟和日厉。

另外，该芯片内部还有专门的接口电路，这可使的它与各种微处理器的接口大为简化。

运行程序可以通过日历芯片判断当前时间和报警位，由此可以达到记忆日期、时间、定时报警、测量各路数据的目的，从而为应用提供时间和数据上的依据。

3 软件设计

整个应用软件具有温度标定、参数设定、温度采集、传感器反馈频率采集及计算功能。该软件分为用户片、标定片两块程序片。本系统的应用软件采用模块化设计，各部分之间功能明晰、接口简单，由于采用了可靠性设计方法及抗干扰措施，因而整个系统具有可靠性高、性能稳定等特点。程序流程图如图2所示。

该锚索仪的整个用户程序分为主程序、键盘处理、采样计算、菜单处理、中断服务子程序、LCD显示控制、日历片读写控制、64k EEPROM存储控制、系统通讯控制等几个大部分。下面介绍一些重要模块。

主程序模块的主要任务是将各子模块组织起来以成为一个有机的整个，它主要用于周期的检测以及接受键盘输入和通讯请求，并根据输入键的真决定进入菜单处理或做切换显示操作，或者根据不同的通讯请求进行不同的传输。

采样计算子程序通过向4052模拟量开关发出地址信号来选择送入8032的频率信号，然后通过调用get-f（）函数来获得信号的脉宽，再经过计算、处理后求出温度值、数字值、受力值、频率值，调用LCD显示函数并将结果显示在显示屏上可以让用户随时观测到系统所环境的变化，以便及时作出相应的反应和处理。达到实时处理的目的。

菜单处理子程序选用20字×4行字符点阵的LCD显示器作为显示输出器件，与通常采用的LED显示器件相比，该显示器不仅个有体积小、耗电小的优点，而且有丰富的显示输出字符，可在便携式仪表上显示直观的菜单，并接受菜单处理。

现将该程序软件中用到的主要函数介绍如下：

void read-rl(void);/*读日历片，并根据时间存储数据和日期*/

void sent(void);/*随机通讯，将随时测到的数据传送到主机*/

void send(unsigned int ptr);/*发送脉冲400～4500Hz*/

void init(void);/*初始化8155、6264、8031、LCD、27C128*/

void set-para(void);/*设定锚索计的参数*/

void get-f(char n);/*取频率*/

void compute(void);/*计算*/

void comm(unsigned char order);/*发LCD操作命令函数*/

void disp(char*mes,Unsigned char POS);/*显示一字符串*/

void d-setmenu(void);/*显示设定菜单*/

4 结束语