[發明專利]一種單線圈振弦式儀器等精度頻率測量方法和裝置

有效

• 申請號: 201110277254.4
• 申請日: 2011-09-19
• 公開（公告）號: CN102426053A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 江修;沈省三;毛良明
• 申請（專利權）人: 基康儀器（北京）有限公司
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 張濤

技術領域

本發明涉及巖土工程健康監測技術領域，特別是一種巖土工程安全監測儀器中的單線圈振弦式儀器的等精度頻率測量方法和裝置。

背景技術

在對巖土工程的安全監測中，通常采用振弦式(或稱鋼弦式)儀器等安全監測儀器監測巖土工程的應力應變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等物理量，用以分析判斷巖土工程的安全。

振弦式儀器(或稱振弦式傳感器)由一根兩端固定、均質的鋼弦組成。鋼弦長度為L，在感知外界作用力F(可以是巖土工程的應力應變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等)的時候，鋼弦會產生ΔL的拉伸變形，在彈性范圍內，同時考慮溫度T的影響，其中ΔT＝T-T₀，α為線膨脹系數，T₀、α、K均為已知的恒常數。鋼弦的機械振動固有頻率f可以按如下公式獲得：其中E是鋼弦的彈性模量，ρ_v是鋼弦的密度，λ是鋼弦材料的泊松系數，這些均為定常數。將上述兩個公式進行整理，消除這一共同變量，得出F是f和T的確定函數，通過測量f和T就能實現F的測量。其中，頻率參量f是最為關鍵的測量因子。

目前安全監測領域使用的振弦式儀器中，按照線圈結構類型存在雙線圈振弦式儀器、單線圈振弦式儀器、差動線圈振弦式儀器等多種形式，其中單線圈振弦式儀器在種類、應用范圍、數量等多方面均占絕對優勢。圖1為單線圈振弦式儀器結構示意圖，將鋼弦1設置在頻率測量線圈2和永磁體3構成的磁場中，通過給單線圈振弦式儀器中的頻率測量線圈2兩端施加交變的激振電流信號，在永磁體3的作用下形成交變電磁力，驅動鋼弦1發生機械振動，振動的鋼弦1在磁場中作切割磁力線運動，在頻率測量線圈2中感應出電動勢(即感生電壓信號)，感應電動勢的頻率即為鋼弦1的振動頻率。傳統的頻率測量方法采用頻率計數法，即激振以后的頻率測量電路采用計數器來測量感應電勢脈沖周期，即可測得鋼弦1的振動頻率，該方法原理簡單直觀可行，得到廣泛應用。但在實踐上，通過頻率計數的方法測量頻率，特別是等精度頻率測量方法，對不同的原始頻率，每個頻率的測量都保證等精度，故要獲得一定的分辯力和測量精度，測量過程需要足夠多的感生電壓脈沖樣本，也就是說，頻率的測量過程需要持續一定的時間。

據文獻記載和試驗結果，鋼弦在激振電流信號撤銷后，由于鋼弦切割磁力線而產生感應電動勢的持續時間一般在800ms～60ms之間，也就是說，每次激振后，后續的頻率測量電路用于頻率測量的時間應該在800ms～60ms之間完成?，F有的等精度測頻方法，是一次激振后進行拾振，拾振是直接通過頻率測量電路進行等精度的頻率測量，其頻率測量過程需要持續的時間是預先設定的，無論單線圈振弦式儀器所處運行狀態如何，都按照預先設定的測量時間來測量，無法動態調節，而不同類型(鋼弦的初始振動頻率不同)的單線圈振弦式儀器或單線圈振弦式儀器處于不同的運行階段，經激振后產生感生電壓信號的持續時間存在較大差異，比如當感生電壓信號波形突然大幅衰減時，使得感生電壓脈沖樣本不足，就會導致測量頻率測量電路測不到數或測值不準的情況，最終導致單線圈振弦式儀器的死數和測量可靠性的下降，而巖土工程的安全監測對安全監測裝置的可靠性以及測量精度有嚴格的要求，這就要求在測量原理和測量方法上力求準確可靠，所以傳統的等精度頻率計數測量方法已不能滿足測量可靠性和精度的測量要求。

發明內容

本發明針對現有的單線圈振弦式儀器的等精度頻率測量方法中的不同類型的單線圈振弦式儀器或單線圈振弦式儀器處于不同的運行階段，經激振后產生感生電壓信號的持續時間存在較大差異，會導致無法完成測量或降低測量精度的問題，提出了一種單線圈振弦式儀器的等精度頻率測量方法，該方法先激振后得出感生電壓信號的持續時間，從而為后續的等精度頻率測量電路調整測量時間提供依據，然后再次進行激振后基于計數完成等精度頻率測量，提高了單線圈振弦式儀器等精度頻率測量的可靠性。本發明還涉及一種單線圈振弦式儀器的等精度頻率測量裝置。

本發明的技術方案如下：

一種單線圈振弦式儀器的等精度頻率測量方法，其特征在于，包括下述步驟：

A、通過鋼弦激振使得頻率測量線圈兩端生成與鋼弦固有頻率一致的、幅值衰減的感生電壓信號；

B、得到感生電壓信號的持續時間；

C、根據步驟B得到的感生電壓信號的持續時間來調整等精度頻率測量電路的測量時間；

D、再次通過鋼弦激振使得頻率測量線圈兩端生成與鋼弦固有頻率一致的、幅值衰減的感生電壓信號；

E、通過步驟C所述的調整了測量時間的等精度頻率測量電路進行等精度的頻率測量。