[發明專利]一種自適應掃頻激勵的弦式無線傳感器

在審

• 申請號: 202210246726.8
• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號: CN114485735A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 劉洋;王凱田
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01D5/00
• 分類號: G01D5/00;G01H1/00;G08C17/02
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李智慧

本發明公開了一種自適應掃頻激勵的弦式無線傳感器，所述弦式無線傳感器包括傳感器、激振系統、拾振系統和無線Lora收發系統，所述傳感器貼附于被測物體的表面或埋置于被測物體內部，利用激振系統激勵傳感器內部主體振弦發生振動，當振弦處于自由振動階段時，利用拾振系統獲取振弦的自由振動頻率信息，并將獲取的頻率信息轉換為相應的物理量變化，最后通過無線Lora收發系統將拾振系統獲取的數據發送到目標服務器。本發明集弦式傳感器、激振系統、拾振系統和無線Lora收發系統為一體，融合頻段劃分、分階段掃頻、拾振優化等算法，擴展了振弦采集儀的傳感器兼容性，便于工程安全監測系統中振弦類傳感器的大規模集成應用。

技術領域

本發明屬于土木工程結構運營安全智能監測領域，涉及一種自適應掃頻激勵的弦式無線傳感器。

背景技術

振弦傳感器可用于建筑體壓力、沉降、滲壓、變形等物理量的監測，是工程質量與健康監測中應用較為廣泛的一類傳感器，其對應的采集裝置為振弦采集儀。振弦采集儀可以將振弦傳感器的毫伏級模擬信號進行放大與轉換，將轉換后的頻率數據以數字的形式進行存儲與分析。

現有的振弦式采集儀大部分采用低壓掃頻激振工作原理進行設計，相比于傳統的高壓撥弦激振工作原理，低壓掃頻具有電路結構簡單、運行電壓安全、輸出模擬信號幅值大、時間長、頻率測量精度高等特點，同時相比于高壓撥弦會加速傳感器線圈老化，低壓掃頻可以有效的保護線圈，延長弦式傳感器的使用壽命。

現有振弦采集儀在小范圍掃頻時往往可以獲得比較滿意的結果，但是對于掃頻范圍較大的情況，采集儀會因掃頻激振時間過長導致采集誤差過大或者根本無法獲取振動信號。并且現有的采集儀與弦式傳感器是分離式的設計，采集時需要現場連接，人工采集，使用不便。

發明內容

為了解決現有弦式傳感器掃頻時間過長、采集誤差大、使用不方便等問題，本發明提供了一種自適應掃頻激勵的弦式無線傳感器。自適應掃頻激勵可以通過設定掃頻區間閾值的方式將掃頻區間分為多個掃頻區段，同時通過改變掃頻脈沖序列遞增步長將激振過程分為預掃頻激振與復掃頻激振兩個階段，兩階段掃頻激振實現在傳感器工作參數未知情況下的自適應掃頻激振。此外，該無線傳感器還對拾振系統進行了優化，提高了測頻數據的準確性，縮短了測量時間。同時還融合了Lora無線技術，通過Lora無線網絡實現數據的遠程采集與傳輸。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種自適應掃頻激勵的弦式無線傳感器，包括傳感器、激振系統、拾振系統和無線Lora收發系統，其中：

所述傳感器貼附于被測物體的表面或埋置于被測物體內部，利用激振系統激勵傳感器內部主體振弦發生振動，當振弦處于自由振動階段時，利用拾振系統獲取振弦的自由振動頻率信息，并將獲取的頻率信息轉換為相應的物理量變化，最后通過無線Lora收發系統將拾振系統獲取的數據發送到目標服務器。

一種利用上述弦式無線傳感器進行基于反饋策略的自適應掃頻激勵的方法，包括如下步驟：

步驟一：傳感器首次上電時，根據設定的掃頻區間的長度，智能選擇全頻段掃頻或分頻段掃頻；確定好掃頻區間后，選擇預掃頻步長，在掃頻區間內進行預掃頻激勵；預掃頻結束后，在共振點的附近利用小步長進行快速復掃頻，用以獲取更精確的測量結果，其中：

所述預掃頻步長為1Hz到10Hz之間，可以根據實際測量情況智能調整步長大小，初次預掃頻激勵時可以按照1Hz增量從1Hz步長到10Hz步長分別掃頻，檢測主體振弦的最大振動幅值，從而確定傳感器的最佳預掃頻步長；

所述復掃頻步長固定為0.1Hz；

步驟二：步驟一中的掃頻激勵結束并成功激振后，通過主控芯片控制激勵系統關閉，拾振系統打開，通過拾振系統不斷獲取振動的波形信息，根據優化的拾振算法找到振動過程中的自由振動階段，計算振動頻率，并將振動頻率保存在板載flash存儲芯片中；

步驟三：通過無線Lora技術實現傳感器的無線組網，根據Lora網關的指令遠程進行數據的采集工作，并最終通過無線Lora收發系統將采集數據發送到Lora網關；