[發(fā)明專利]一種振弦傳感器激振優(yōu)化方法和振弦采集裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711128606.3
• 申請(qǐng)日: 2017-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN107966223A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李冰;余晶晶;張林;董乾;劉勇;王剛;趙霞;沈克強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/10
• 分類號(hào): G01L1/10;G01H13/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 劉莎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種振弦傳感器激振優(yōu)化方法和振弦采集裝置，屬于傳感器檢測(cè)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

振弦傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的傳感器。當(dāng)金屬弦的長(zhǎng)度確定之后，改變金屬弦的受力狀態(tài)可以改變金屬弦的固有振弦頻率，通過相應(yīng)的檢測(cè)方法測(cè)得金屬弦的固有振弦頻率之后，就可以換算出金屬弦上受到的拉力大小。

振弦傳感器有兩種形式：一種是雙線圈，一種是單線圈。雙線圈里面包含了激勵(lì)線圈和拾振線圈。激勵(lì)線圈用于激勵(lì)振弦，讓振弦振動(dòng)起來；拾振線圈是將振弦的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的裝置。而單線圈中只有一個(gè)線圈，激振和拾振分時(shí)進(jìn)行，先激振，后拾振。

振弦傳感器激振主要有高壓脈沖和低壓掃頻兩種激振方式。高壓脈沖激振方式是通過反激式升壓電路產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)激勵(lì)金屬弦，在高壓脈沖信號(hào)的作用下輸出衰減的正弦電壓信號(hào)。低壓掃頻激振方式是對(duì)振弦傳感器施加低壓方波激勵(lì)信號(hào)，方波頻率段的選擇取決于振弦傳感器的固有頻率。當(dāng)激振信號(hào)的頻率接近傳感器金屬弦的固有頻率時(shí)，金屬弦能夠較快地達(dá)到共振狀態(tài)并輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大的頻率信號(hào)。但這兩種激振方式都有很大的局限性：高壓脈沖激振方式中，金屬弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，信號(hào)不易拾取，測(cè)量精度較差，且高電壓易使金屬弦加速老化，導(dǎo)致振弦傳感器損壞。低壓掃頻激振方式中，雖然采用了低壓激振，保護(hù)了金屬弦，但是掃頻信號(hào)是從頻率下限到頻率上限的連續(xù)脈沖信號(hào)，每個(gè)頻率的脈沖都要持續(xù)若干個(gè)周期，才能保證激振效果，導(dǎo)致激振時(shí)間過長(zhǎng)。

振弦傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于土木、鋼材、水利、礦山等領(lǐng)域。但是，在橋梁健康監(jiān)測(cè)等需對(duì)多個(gè)傳感器同步測(cè)量的場(chǎng)合，目前沒有特別合適的振弦采集裝置。另外，振弦傳感器測(cè)量精度易受環(huán)境溫度的干擾，且其采集裝置基本不支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種振弦傳感器激振優(yōu)化方法和振弦采集裝置。本發(fā)明激振優(yōu)化方法結(jié)合了高壓脈沖和低壓掃頻兩種激振方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅縮短了起振時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間，而且提高了頻率測(cè)量精度。而本發(fā)明振弦采集裝置不僅支持燒寫調(diào)試，支持對(duì)多個(gè)振弦傳感器同步測(cè)量和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，而且能測(cè)量裝置所處的環(huán)境溫濕度，從而判斷其工作條件是否滿足要求。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提出了一種振弦傳感器激振優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟：

(1)采用高壓脈沖的激振方式對(duì)選定的振弦傳感器進(jìn)行激勵(lì)；

(2)對(duì)步驟(1)中高壓脈沖激勵(lì)下的振弦傳感器采集到的振弦采集信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，測(cè)量其信號(hào)頻率，得到預(yù)測(cè)的振弦傳感器共振頻率f1。

(3)記錄步驟(2)中放大濾波后振弦采集信號(hào)的各周期時(shí)長(zhǎng)，并計(jì)算各周期時(shí)長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)方差σ，判斷標(biāo)準(zhǔn)方差σ是否超過容限范圍，若是則返回步驟(1)采用高壓脈沖的激振方式重新對(duì)選定的振弦傳感器進(jìn)行激勵(lì)；否則進(jìn)入步驟(4)；

(4)采用頻率范圍為[f1-△f，f1+△f]的低壓掃頻的激振方式對(duì)步驟(1)中選定的振弦傳感器進(jìn)行激勵(lì)；

(5)對(duì)步驟(4)中低壓掃頻激勵(lì)下的振弦傳感器采集到的振弦采集信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，測(cè)量其信號(hào)頻率，得到振弦傳感器共振頻率的精確值f2。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟(3)中，若重復(fù)采用高壓脈沖的激振方式對(duì)選定的振弦傳感器進(jìn)行激勵(lì)的次數(shù)超過設(shè)定閾值N，且每次計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)方差σ均超過容限范圍，則報(bào)錯(cuò)并結(jié)束測(cè)量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，N的取值范圍為[3，5]。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟(4)中的△f的值根據(jù)實(shí)際情況確認(rèn)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟(4)中的△f是范圍為40Hz-60Hz的帶寬變化值。

另一方面，本發(fā)明還提出了一種基于上述振弦傳感器激振優(yōu)化方法的振弦采集裝置，包括電源管理電路、振弦激勵(lì)采樣電路、微控制單元MCU、無線通信模塊和溫濕度傳感器模塊，其中：

電源管理電路包括電池、電壓轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路和振弦激勵(lì)電路；電壓轉(zhuǎn)換電路，用于將電池的輸出電壓轉(zhuǎn)換成信號(hào)放大濾波電路、發(fā)射通道選擇電路、接收通道選擇電路、熱電偶通道選擇電路、微控制單元MCU、無線通信模塊以及溫濕度傳感器模塊所需的工作電壓；基準(zhǔn)電壓電路，用于產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓；振弦激勵(lì)電路，用于在微控制單元MCU的PWM控制信號(hào)下產(chǎn)生高壓振蕩信號(hào)或者恒流電壓信號(hào)；