[發(fā)明專利]一種使用振弦式應變計的動態(tài)應變測量方法

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• 申請日: 2016-08-30
• 公開（公告）號: CN107063147A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 劉文峰;李婧;王輔宋;劉付鵬;李松;謝鎮(zhèn);劉國勇
• 申請（專利權）人: 江西飛尚科技有限公司
• 主分類號: G01B17/04
• 分類號: G01B17/04
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司36115
• 代理人: 戴繼翔

技術領域

本發(fā)明涉及一種使用振弦式應變計的動態(tài)應變測量方法，屬于電學領域，應用于結構安全健康監(jiān)測行業(yè)。

背景技術

現有技術：目前國內外普遍采用的基于應變電阻的方式進行動態(tài)應變測量，其原理都是基于惠斯登電橋原理，由應變電阻、彈性體材料、集成運放等組件構成。彈性體材料容易超限疲勞，應變電阻漂移大，集成運放電路受溫度影響亦產生漂移。在測量混凝土橋梁時，容易損壞，壽命較短。

發(fā)明內容

本發(fā)明為了克服上去缺陷，其目的在于提供一種使用振弦式應變計的動態(tài)應變測量方法，本發(fā)明專利從利用振弦式應變計由于直接輸出頻率信號，抗干擾能力強、受電參數影響小、零點漂移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐振動、壽命長的優(yōu)點，解決了目前使用應變電阻測量動態(tài)應變的零點漂移、已損壞、壽命短等問題。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種使用振弦式應變計的動態(tài)應變測量方法：微控制器通過微控制器I/O控制脈沖產生器，通過激振線圈激勵鋼弦，鋼弦起振后在感應線圈內產生感應電動勢并通過信號放大器和抗混疊濾波器調理后通過模數轉換器轉換成數字信號，并通過時SPI接口傳輸給DMA控制器，最終把數據存放在隊列緩沖器，微控制器內核對不斷刷新數據的隊列緩沖器內的數據進行FFT運算得到動態(tài)的應變數據。

進一步的，頻率信號經過模數轉換器轉換成數字信號后，再通過SPI數字接口發(fā)送給DMA控制器。

進一步的，DMA控制器不經過微控制器的干預直接刷新隊列緩沖器。

本發(fā)明實現原理：雖然一般振弦式應變計多用來測量靜態(tài)應變，但是只要在采集方式上加以優(yōu)化，同樣可以測量動態(tài)應變，本發(fā)明即是采用動態(tài)采集的方式實現的振弦式應變計測量動應變。傳統的振弦式傳感器測量靜態(tài)應變方式主要為間歇式激振法，即使用脈沖激振傳感器后，傳感器輸出當前傳感器張力條件下的固有頻率通過后級電路進行采集得到當前的頻率值再換算成應變。本發(fā)明采用雙線圈振弦式應變計實現動態(tài)應變測量，其中一個線圈是感應線圈，用于拾取剛弦振動的感應電動勢，另一個線圈為激振線圈，用于發(fā)送激振信號。進行傳感器測量時，采集設備通過激振線圈周期性的發(fā)送激振信號，保證鋼弦振動頻率連續(xù)跟隨外界應變變化而變化，感應線圈將傳感器的振動信號轉換成感應電動勢，并以變頻的（應變變化、鋼弦的固有頻率變化，振弦傳感器的原理）交流信號的方式發(fā)送給采集設備。采集設備通過對連續(xù)的交流信號進行采樣，并動態(tài)的進行時域到頻域的轉換即在采集設備內部使用處理器進行FFT運算，并等間隔輸出頻率值即可得到動態(tài)的應變數據。因為振弦傳感器的頻率范圍在300~4000之間，采集設備針對振弦信號的采樣頻率至少要滿足采樣定理不發(fā)生混疊，比如選擇16384Hz（16*1024Hz）的采樣速率，FFT分析點數為1024點，那么采樣時間為：1024/16384=0.0625s，再加上處理器運算的時間，可以將采樣和計算之間控制在100ms以內，從而實現至少10Hz的動態(tài)應變采集，另外可以通過一些優(yōu)化算法，比如1、提高振弦信號的采樣速率；2、使用DMA通道采集，將采集到的數據放到固定長度的隊列緩存中并實時刷新，保證緩存中的數據是最新的，處理器的CPU按照采樣速率的要求，定時去固定緩存中獲取實時時域數據，這樣就減少了大部分的采樣時間，從而提高了數據刷新率。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明解決了在橋梁動載試驗測試沖擊系數、阻尼比以及機械行業(yè)中測量機械構件動態(tài)應變時，傳統電阻應變片漂移、易損壞、穩(wěn)定差的問題，通過使用新的測量方式，使得振弦傳感器也能夠動態(tài)輸出應變數據，而且振弦式傳感器的零漂小、壽命長，使得動態(tài)應變監(jiān)測周期大大增強，減小了系統維護成本，提高了數據測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的功能框圖；

圖1中：1 激振線圈；2 脈沖產生器；3 感應線圈；4 信號放大器；5 抗混疊濾波器；6 模數轉轉器；7 微控制器；

圖2為本發(fā)明的激勵線圈信號與感應線圈信號示意圖；

圖2中：8 激勵線圈信號；9 感應線圈信號；

圖3為本發(fā)明的微控制器內部邏輯功能框圖；

圖3中：10 SPI數字接口；11 DMA控制器；12 隊列緩存器；13 微控制器內核；14 微控制器I/O；

圖4為本發(fā)明的主程序邏輯框圖；

圖5為振弦式應變計內部主要結構圖。

圖5中：15 鋼弦；16不銹鋼管壁。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述：