０ ｉ毫嚣穗｛ －－＿援 蕾与 真 摘要：本文首先介绍了振弦传感器的工作原理，在此基础上阐述了基于振弦传感器的功率测量仪的原理 并给出了相关电路的设计，最后采用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件列功率测量仪中的关键电路进行了仿真，验证了设计 的可行性。 关键字：振弦传感器；功率；Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真 中图分类号：ＴＮ９４１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００６—８８３Ｘ（２０１ ０）０３－００２９－０３ 王秀芳刘增水 罐 一、引言 传感器在各种检测仪器、监测系统中起到越来越重要的作用，振弦传感器以其较强的抗干扰能力、较好 的稳定性在水利、电力、船舶、桥梁等领域得到越来越广泛的应用。为保证这些大型动力装置正常安全的运 行，往往需要对其运行状态进行实时监控，而功率则是这些监控系统中需要测量的一个重要参数，因此功率 测量装置的研制是一个常见的研究课题。本文即介绍基于振弦传感器测量功率仪的的设计原理及主要硬件电 路，为验证该设计的可行性，本文还给出了基于Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行仿真的结果。 二、功率测量仪的设计原理 １、振弦传感器工作原理 对于张紧的弦，它的长度变化量与其自振频率成确定的关系，把传动轴或动力轴接在弦的两端，当动力 （或称传动）轴在工作时，相对于其静止状态来说，轴会产生扭曲变形，轴的扭曲变形引起弦长度的变化， 导致弦自振频率的变化。图１所示为振弦传感器简易物理模型，它由两固定端、线圈、振弦等组成。需要注 意的是弦在工作时一定要绷紧。 振弦的振动频率 ”：／＝ （１） 其中，Ｓ一振弦的横截面积； 厂弦的线密度； 弦的体密度（ ＝ Ｐ）；△ 振弦受张力后的长度增 量： Ｅ一振弦的弹性模量； 振弦所受的应力。 ２、轴的功率与振弦自振频率的关系 轴输出功率表达式为：Ｐ＝ＫｘＭｘｎ （２） 其中： ＿轴扭矩，单位：Ｎ・ｒｒｌ； 一轴转速，单位：ｒ／ｍｉｎ。 常数， ＝１．０４７ｘ１０ ｍｉｎ／ｒ・Ｓ。 ２０１ ０．０３ Ｓｅｎｓｏ￣Ｏｄｄ ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｒｗｏｄｄ．ｃｏｍ￣ｃｎ 与应用 轴扭矩表达式 ：Ｍ＝ｋ。×（＿厂 一 ） （３） 其中： 一振弦传感器常数，单位：Ｎ・ｒｎ／Ｈｚ 一轴工作时振弦传感器自振频率，单位：Ｈｚ。 轴静止时振弦传感器自振频率，单位：Ｈｚ。 在上述数学表达式中，公式ｆ２１中的转速，？可以很 容易测到，因此只要测得（３）中轴的白振频率即可计算 出功率或扭矩。这就是基于振弦传感器测量功率的原 胛。 三、功率测量仪的主要组成部分 基于振弦传感器的功率测量仪通常由如下几部分 组成：振弦传感器、自激振荡电路、放大滤波电路、 整形电路、微处理器（如单片机等）、输入输出接口电 路等 Ｊ，如图２所示。以图２中的虚线为界，又可以 分成信号调理电路和频率或功率数字测量的显示两部 分。 １、信号调理电路 来自振弦传感器的信号非常微弱，不能直接送到 微处理器中进行处理，需要设计调理电路将其调理成 能被微处理器所接收的信号。因此在振弦传感器输出 端设计了滤波电路、放大电路，并将处理后的信号 ＳＯＵＴ再反馈到传感器，作为传感器的激励信号，起 到对传感器输出信号的加强作用。如图３所示，在图 ３中采用模拟开关ＣＤ４０５１将放大倍数设为８档，根 据信号的实际情况可任选其中一档，具体的选择由控 制器控制ＣＤ４０５１的引脚９、１０、ｌ１来自动实现，以 便合理的选择信号的放大倍数。根据公式（２）、（３）的分 析知，只要测出该信号的频率就能计算出功率值，为 了方便微处理器（本设计采用的是单片机）测量频率， 先通过整形电路将正弦信号转换成方波信号，本设计 采用施密特触发器ＣＤ４０１０６将正弦波变换成方波。 ２、频率／功率的数字测量与显示 采用单片机Ｐ８９Ｖ５ １ＲＤ２作为控制核心，将施密 特触发器输出的方波信号接到Ｐ８９Ｖ５ ｌＲＤ２的Ｔ１引 脚，作为计数器的输入。如图４所示。把单片机的定 时器／计数器ＴＯ作定时器来用，Ｔｌ作为计数器来用， 将ＴＯ定时设为ｌｍｓ，当ｌｍｓ定时时间到时，来读取 Ｔ１的计数值，从而可以计算出频率。进而根据已知的 数学关系，可以计算出功率值。显示部分可以采用 ＬＣＤ或ＬＥＤ，本文不再详述。 ◆ 传感器世界２０１０．０３ ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｎｖＯ州．∞ｍ．ｃｎ ・ 一 ＃ 。 ｊ ≯ ｜ ｇ自 ≯ 。 薹 ｝ 爹 四、Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真及结果分析 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ａ ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ＷＡＮＧ Ｘｉｕ—ｆａｎｇ ．ＬＩＵ Ｚｅｎｇ．ｓｈｕｉ 为了提高设计效率，验证该设计方案的可行性，在正式 制作电路板之前采用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件对该功率测量方案进行了 仿真，Ｐｒｏｔｅｕｓ能实现数字电路、模拟电路、微控制器系统仿 真 ，在本设计中传感器输出信号的调理电路是决定设计成 （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３， Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， 败的关键所在，冈此本设计将仿真的重点放在了传感器输出 信号的拾取与处理上，分别对滤波电路、放大电路进行了仿 真，输出结果验证了该设计方案的可行性。见图５、图６、图 ７、图８。 Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉ’ｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 五、结论 本文介绍了振弦传感器的工作原理，详细介绍了基于振 ｕｓｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ． 弦传感器的功率测量仪的设计，并采用ｐｒｏｔｅｕｓ软件对系统中 的关键电路进行了仿真，仿真结果验证了该设计的可行性。 在此基础上成功制作了功率测量仪并应用到实际生产中。 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｗｉｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｐｏｗｅｒ；Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 作者简介： 王秀芳，上海理工大学生物医学工程研究所工程师，主要从 事医用电子仪器的教学与科研工作 地址：上海市军工路５ １６号上海理工大学综合楼Ｃ２０３ 邮编：２０００９３ 参考文献 ［１］姜印平，顾营迎，尹俊杰，魏军介．基于振弦式传感器的钢构建筑监 测预警系统的设计与应用［Ｊ］，传感技术学报，２００８，２１（１２）：２１Ｏｌ一２１０５ 【２］白泰礼，邓铁人，谢军，胡风鹏．振弦式传感器的精确数学模型及其 应用『Ｊ１，岩石力学与工程学报，２００５，２４（Ａ０２）：５９６５—５９６９ 电由巧：ｍａｉ１ｔｏ：ｗａｎｇｘｉｕｆａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ ［３］白泽生基于振弦式传感器测频系统的设计［Ｊ］，现代电子技术， ２００７，３０（１３）：１３５—１３７ 刘增水：上海第－－５２业大学讲师，丰要从事数宁信号处理及 单片机的应用等方面的工作。 改 服务 编号Ｏ０７Ｚ］ ［４】剧润景，袁伟亭．基于ＰＲＯＴＥＵＳ的ＡＲＭ虚拟开发技术［Ｍ］，北京： 北京航空航天大学出版社，２０００７ １． 我刊只接受电子邮件投稿。除文章本身外，请提供图片源文件、中英文摘要、关键词、参考文献、全部作者的工作单位技术职 称及研究方向，第一作者的通讯方式（地址、邮编、电话、ＥＭＡＩＬ）。外文译稿另请附原文、原作者授权书。 ２ 作者对文章责任自负。学生论文应保证已告知导师。 ３ ４ 本刊可以对准备发表的文章酌情修改、删节，不愿本：ＦＵ１１￣改、删节者请随稿注明。 我刊在接受稿件后二个月内以电邮方式通知是否录用。二个月后若无录用通知，请作者另行处理。在此期间，请勿一稿多投。 录用通知书发出后作者不得退稿。文章刊出后，我刊将为所有作者各寄送一本杂志，并寄送书面录用通知书。稿费也将在刊出 后一个月左右寄出。 ５ 凡本刊录用之文章，有各级基金项目资助者、申请专利者、具备成果鉴定证书者、获国家、省部级奖励者，只需提供相应证明 材料，即可不受时间ＩＳＲｆ￣ ，即时刊发。 ６ 我刊已加入《中国学术期ＴＵ＜光盘版＞》、《中国期刊网》全文数据库、《中文科技期刊数据库》，《中国核心期刊遴选数据库》，我 们将免费提供作者文章引用统计分析资料。所有录用文章亦将在我刊网络版及电子版上发表。以上的作者著作权使用费与本刊 稿酬一次性给付。如作者不同意，请在来稿８寸注明，我刊将作适当处理。 ７． 凡本刊发表之文章， 刊享有两年专有出版物权。在此期间，任何报刊、网站、出版单位等如需转载、改编、缩写本刊发表之 文章，均须事先征得本刊同意。 凡向本刊投稿者，均被认为自动接受上述之约定。本约定自２００６年６月１０日起生效，在此之前我刊发布的约稿通知同时作废。 电邮地址：ｓｅｎｓｏｒ＠ｓｅｍｓｏｒｗｏｄｄ．ｃｏｍ．ＣＲ邮件主题：投稿。请勿将邮件投给编辑个人。 ２０１ ０．０３ ＳｅｎｓｏｒＷｏｄｄ ｖｃｃ￣ｗ．ｓｅｌｌｓｏｒｗｏｒｌｄ．ｃｏｒｎ．ｅｎ 奄
