[發(fā)明專利]一種振弦式傳感器的信號(hào)處理裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710102095.1
• 申請(qǐng)日: 2017-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN106840230A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許利凱;趙靜;柳瑩;劉凌江;許永盼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河北穩(wěn)控科技有限公司
• 主分類號(hào): G01D5/56
• 分類號(hào): G01D5/56;G01D21/02
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子技術(shù)和工程監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種振弦式傳感器的信號(hào)處理裝置及方法。

背景技術(shù)

振弦式傳感器也叫做鋼弦式傳感器，是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)(近距離)、測值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其輸出為頻率信號(hào)(一般為mV級(jí)正弦波)，廣泛應(yīng)用于巖土、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)工程測試中。

鋼弦式傳感器的一般工作原理是：鋼弦放置在磁場中，用一定方式對(duì)鋼弦加以激振后，鋼弦將會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)的鋼弦在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，因此，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)(鋼弦切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生微弱電信號(hào))的頻率就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，鋼弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力成線性關(guān)系，因此測得鋼弦的共振頻率即可求出待測鋼弦的繃緊程度(張拉應(yīng)力)，利用這一特性，制作出各式各樣的傳感器，如壓力、位移等，壓力或位移的改變導(dǎo)致鋼弦繃緊程度發(fā)生變化，其共振頻率也相應(yīng)發(fā)生改變，測量頻率值即可計(jì)算出傳感器所受的壓力或位移值。鋼弦的“繃緊”程度即是鋼弦的應(yīng)力狀態(tài)，鋼弦應(yīng)力與其共振頻率滿足公式

上式中：

f：鋼弦的頻率值

L：鋼弦長度

σ：鋼弦所受到的張拉應(yīng)力

ρ：鋼弦材料的密度

對(duì)于已經(jīng)制作完成的鋼弦傳感器，鋼弦的長度、鋼弦材料的密度為已知量，故此，鋼弦受到的張拉應(yīng)力與鋼弦共振頻率有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，張拉應(yīng)力受到傳感器外部環(huán)境的影響(如壓力)而改變，從而通過頻率值即可計(jì)算出外部環(huán)境的值。

這類傳感器有兩種形式：一種是雙線圈，其中一個(gè)線圈是激振線圈，激振振弦讓鋼弦振動(dòng)起來，另一個(gè)是拾振線圈，它是能把振弦的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的裝置；另一種是單線圈，這種傳感器激振線圈和拾振線圈為同一個(gè)線圈，激振和拾振分時(shí)進(jìn)行，先激振，后拾振。單線圈振弦式傳感器使用中主要解決兩個(gè)問題：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起來；第二，拾振方法，包括拾振線圈中的微弱電動(dòng)勢(shì)的拾取得到電動(dòng)勢(shì)的頻率和頻率量測量兩部分。

振弦式讀數(shù)儀主要解決兩個(gè)問題：怎樣讓鋼弦振起來以及怎樣獲取鋼弦振起來后產(chǎn)生的頻率值。本發(fā)明要解決的主要問題是對(duì)鋼弦振起來后產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種振弦式傳感器的信號(hào)處理裝置，其集成度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、接口多樣，可方便的接入到已有信息化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從人工測試到全自動(dòng)無人值守測試的快速轉(zhuǎn)變，同時(shí)還可在測量過程中對(duì)傳感器進(jìn)行有效性檢測、信號(hào)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，大大降低人工投入和勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了測量效率，降低了振弦傳感器的應(yīng)用難度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種振弦式傳感器的信號(hào)處理裝置，其包括探測識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、初步計(jì)算模塊、精度評(píng)定模塊、校正計(jì)算模塊、平滑濾波模塊；

探測識(shí)別模塊，其配置來在完成傳感器激勵(lì)后指定條件滿足時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)幅度探測器，由信號(hào)幅度控測器檢查正弦波信號(hào)峰值是否處于信號(hào)幅值上、下限寄存器規(guī)定的范圍，若是則開始傳感器信號(hào)采集工作；

數(shù)據(jù)采集模塊，其配置來在需要時(shí)將信號(hào)幅度探測器探測到的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)字通訊接口輸出為頻譜數(shù)據(jù)，頻譜數(shù)據(jù)輸出時(shí)單點(diǎn)數(shù)據(jù)包含時(shí)間數(shù)據(jù)和幅值數(shù)據(jù)；

初步計(jì)算模塊，其配置來進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除、頻率初步計(jì)算、信號(hào)質(zhì)量評(píng)定；

精度評(píng)定模塊，其配置來將實(shí)際采樣數(shù)、信號(hào)峰值、信號(hào)衰減速率、原始樣本質(zhì)量、計(jì)算樣本質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)采樣數(shù)量、優(yōu)質(zhì)數(shù)量比率、干擾信號(hào)比率與原始樣本質(zhì)量、計(jì)算樣本質(zhì)量共同表征傳感器信號(hào)質(zhì)量和測試現(xiàn)場傳輸線路受干擾的程度；

校正計(jì)算模塊，其配置來對(duì)環(huán)境溫度的影響進(jìn)行校正，并對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)硬件導(dǎo)致溫度改變而產(chǎn)生的影響進(jìn)行校正；

平滑濾波模塊，其配置來對(duì)當(dāng)前計(jì)算得出的溫度修正頻率值與以往的歷史數(shù)據(jù)做比較。

本發(fā)明通過探測識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、初步計(jì)算模塊、精度評(píng)定模塊、校正計(jì)算模塊、平滑濾波模塊來對(duì)鋼弦振起來后產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，所以集成度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、接口多樣，可方便的接入到已有信息化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從人工測試到全自動(dòng)無人值守測試的快速轉(zhuǎn)變，同時(shí)還可在測量過程中對(duì)傳感器進(jìn)行有效性檢測、信號(hào)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，大大降低人工投入和勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了測量效率，降低了振弦傳感器的應(yīng)用難度。

還提供了這種振弦式傳感器的信號(hào)處理裝置的處理方法，該方法包括以下步驟：