SICK傳感器原理與詳細(xì)介紹如下
    SICK傳感器是目前應(yīng)力、應(yīng)變測量中較為的傳感器之一。振弦式傳感器的輸出是頻率信號，信號處理過程中無須進(jìn)行A/D及D/A轉(zhuǎn)換，因此，抗干擾能力強(qiáng)，信號傳輸距離遠(yuǎn)，而且對傳輸電纜要求低。另外，振弦式傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、壽命長等特點(diǎn), 因而一直受到工程界的關(guān)注。在工程應(yīng)用中，振弦式傳感器可以埋入或焊接在被測試件上，基本不存在粘貼劑老化和脫落問題，具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。對于微小的被測力變化可產(chǎn)生較大的頻率變化，具有很高的靈敏度拉繩位移傳感器。
    SICK傳感器材料及工藝的發(fā)展，振弦式儀器技術(shù)也不斷得以完善，成為新一代工程儀器的潮流，被廣泛應(yīng)用在建筑物基礎(chǔ)、大壩、橋梁、公路、核電站的水泥外殼等需要對受力、位移、微裂縫的測量中，還可以作為電子秤、皮帶秤、汽車秤等的關(guān)鍵傳感器。為了準(zhǔn)確測量應(yīng)力、應(yīng)變的變化，除了要研究振弦式傳感器的材料特性外，還必須解決振弦傳感器的激振和測頻讀數(shù)技術(shù)。為此，本文對振弦式傳感器的激振技術(shù)和測頻讀數(shù)技術(shù)展開了研究，介紹了基于PIC16F873單片機(jī)內(nèi)比較輸出模式的多路振弦傳感器的掃頻激振技術(shù)。
    1 傳統(tǒng)的間歇激振方法
    為了測量出振弦的固有頻率，必須設(shè)法激發(fā)弦振動(dòng)。激發(fā)弦振動(dòng)的方式一般有2種：(1)連續(xù)激振方式。這種方式又分為電流法和電磁法，在電流法中，振弦作為振蕩器的一部分，振弦中通過電流，所以必須考慮振弦與外殼的緣問題。若緣材料與振弦熱膨脹系數(shù)差別大，則易產(chǎn)生溫差，影響測量精度，連續(xù)激振容易使振弦疲勞。(2)間歇激振方式。如圖1所示，振弦上裝有一塊小純鐵片，旁邊放置電磁鐵，當(dāng)電磁鐵線圈通入脈動(dòng)電流i后，電磁鐵的磁性大大增強(qiáng)，從而吸住小鐵片(振弦)；當(dāng)線圈中無電流流過，電磁鐵就釋放振弦。如此循環(huán)激振，弦就產(chǎn)生振動(dòng)。要維持弦持續(xù)振動(dòng)，就應(yīng)不斷地激發(fā)振弦。即電磁鐵每隔一定時(shí)間通過一脈沖電流，使電磁鐵定時(shí)地吸引振弦，故須在電磁鐵的線圈通以一定周期的脈沖電流。當(dāng)停止激振時(shí)，由于慣性的作用，振弦繼續(xù)做阻尼振動(dòng)，電磁鐵線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率與弦的阻尼振動(dòng)頻率相等。這樣可由輸出電勢的頻率測得振弦的固有振動(dòng)頻率角度傳感器。
    SICK傳感器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。若掃頻信號的頻率范圍是400 Hz～4 500 Hz，需要掃頻的時(shí)間長、激振差、可控性差。為了減少掃頻時(shí)間，提高測量速度，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頻率的上限值fmax和下限值fmin，以及相鄰2個(gè)掃頻信號頻率的差值Δf，這些參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的片內(nèi)EEPROM中。這樣，輸出的掃頻信號很有針對性，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。
    SICK傳感器的選擇和隔離是通過金屬化場效應(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。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時(shí)的漏電流極小，處于高阻態(tài)，因而不會(huì)對所選通路造成影響。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。
    SICK傳感器的特性，當(dāng)激振信號太強(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)是可以忽略傳感器引線電阻的影響
    傳感器故障主要包括：*失效故障、固定偏差故障、漂移偏差故障和精度下降四類。
    其中，失效故障是指傳感器壓力傳感器測量的突然失靈，測量值一直為某一常數(shù)；偏差故障主要是指傳感器的測量值與真實(shí)值相差某一恒定常數(shù)的一類故障，有故障的測量與*的測量是平行的；
    漂移故障是指傳感器測量值與真實(shí)值的差值隨時(shí)問的增加而發(fā)生化的一類故障；
    精度下降是指傳感器的測量能力變差，精度變低。精度等級降低時(shí)，測量的平均值并沒有發(fā)生變化，而是測量的方差發(fā)生變化。
    固定偏差故障和漂移故障都是不容易發(fā)現(xiàn)的故障，在故障發(fā)生的過程中會(huì)引起一系列的無法預(yù)計(jì)的問題，使控制系統(tǒng)長期不能正常發(fā)揮作用。
    SICK傳感器的故障分類方式
    非線性死區(qū)故障的故障原因：放大器飽和、含有非線性環(huán)節(jié)等。
    另外，從建模、仿真的角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障。對于偏置故障，在原信號上加上一個(gè)恒定或隨機(jī)的小信號；對于沖擊干擾，可在原信號上疊加一個(gè)脈沖信號；對于短路故障，信號接近于零；開路故障，信號接近傳感器輸出大值；漂移故障，信號以某一速率偏移原信號；周期性干擾故障，原信號上疊加某一頻率的信號。
    SICK傳感器故障的診斷方法
    從不同角度出發(fā)，故障診斷方法的分類不*相同?，F(xiàn)簡單地將故障診斷方法分為：基于解析數(shù)學(xué)模型的方法和不依賴于數(shù)學(xué)模型的方法。