CN101571407B - 一种振弦传感器激振方法 - Google Patents
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Abstract
一种振弦传感器激振方法，其主要操作步骤为：用间歇激振方式对振弦传感器的激励线圈进行单次激励，得到低精度的共振频率测量值f1；再计算振动信号各周期间的统计特征，对统计特征进行检验：然后采用频率为f1的信号激励振弦传感器的激励线圈，振弦共振后停止激励，或在f1频率附近的较窄带宽进行扫频激励；最后对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率，得到测量值f2，f2即为振弦共振频率的精确值。本发明起振快，可缩短检测时间，提高工作效率；并且振幅大，可提高激振的可靠性，提高测量精度。适用于水库大坝、桥梁、基坑等工程的应力应变、变形、渗流、液位、温度等的观测中。
Description
技术领域
本发明属于传感器测量范畴，涉及振弦传感器测量系统，特别涉及一种振弦传感器激振方法。
背景技术
由于振弦式传感器输出为频率信号，在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感及电容等因素的影响，具有抗干扰能力强、易于长距离传输的优点，所以被广泛地用于水库大坝、桥梁、基坑等工程的应力应变、变形、渗流、液位、温度等的监测中。振弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生振动，振动的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可以在拾振线圈中感应出电势，感应电势的频率就是振弦的振动频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力具有函数关系，其张力或拉力与传感器所承受的压力或位移成线性关系，因此测得振弦的共振频率即可求出待测物理量(压力或位移等)。这类传感器有两种形式：一种是双线圈，一只是激振线圈，激振振弦让弦振动起来，另一只是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转换为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。为了便于拾取和处理振弦振动信号，需要使振弦具有尽量大的振幅。若激振的时候能使振弦达到共振状态，则可获得较大的振幅。
对于间歇工作的振弦传感器，主要的激振方法有传统的间歇激振方式和常用的扫频激振方式。间歇激振方式的工作原理是：首先，对激振线圈通电，使激振线圈吸住振弦，然后，断开激振线圈的电流，释放振弦使振弦自由振动，此时的振动频率即为共振频率。扫频激振方式的工作原理是：用一串连续的频率信号扫描输出去激励振弦传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态，激励信号停止后，它在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频率。
传统的间歇激振方式激振效果差，激振幅度小，振动持续时间短，不利于拾取和处理振弦振动信号，影响了测量精度。扫频激振方式具有激振可靠的优点，但是由于要扫频激振较宽的频率范围，所以需要较长的激励时间，而且会造成已经共振的振弦在扫频结束时振幅已有所衰减。
发明内容
为了克服现有的激振方式存在上述缺陷的不足，本发明的目的在于：提供一种振弦传感器激振方法，该方法可以提高激振的可靠性以及共振的幅度，并缩短激振时间。振动幅度的提高可增强抗干扰能力、降低信号处理电路成本、增加可用测量时间、提高频率测量精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种振弦传感器激振方法，它包括以下次序的操作步骤：
(1)初振：采用现有的间歇激振方式对振弦传感器的激励线圈进行单次激励；
(2)初测：对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率，得到低精度的共振频率测量值f1；
(3)检验：计算振动信号各周期间的统计特征，对统计特征进行检验：
①检测频率平均值是否在传感器标称工作范围内；
②检测方差是否超过限值；
如果上述检验没有通过则采用扫频激振方式重新进行激振，如果通过了就进入复振过程，如果多次不通过就报错，并结束测量；
(4)复振：采用频率为f1的信号激励振弦传感器的激励线圈，振弦共振后停止激励，或在f1频率附近的较窄带宽进行扫频激励；
(5)复测：对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率，得到测量值f2，f2即为振弦共振频率的精确值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、起振快，缩短检测时间，提高工作效率
主要是由于本发明在复振中采用接近共振频率的信号进行激励，起振时间非常短，可以缩短检测时间，提高工作效率。
2、振幅大，提高激振的可靠性，提高测量精度
本发明在复振中振弦能稳定处于共振状态，振幅大。振幅大可以提高信噪比、增强抗干扰能力、提高激振的可靠性、延长振动持续时间，进而可以测量较多信号周期，可有效提高频率测量精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明振弦传感器激振方法的流程图。
图2是本发明涉及的振弦传感器测量装置的电路原理框图。
图中，1.振弦，2.振弦式传感器，3.线圈，4.模拟开关，5.220欧电阻，6.波形发生器，7.单片机，8.扫频激励电路，9.信号处理电路。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示：
第一步，初振：采用现有的间歇激振方式对振弦传感器的激励线圈进行单次激励；
第二步，初测：对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率。由于间歇激振方式会造成振弦的振幅小、振动持续时间短，在初测过程中仅采用振动初期的质量最好的信号进行短暂测量，获得共振频率初测值f1。由于初测过程中测量到的信号周期数较少，信号幅度较小，测量精度较低，得到的频率初测值f1不精确。
第三步，检验：在初测过程中记录每一个信号周期的周期(T1，T2，…，Tn)，求这一系列频率值的方差δ。假设振弦传感器的标称频率范围是fmin～fmax，则这一系列频率值的平均值f1需满足fmin≤f1≤fmax。同时根据对多种传感器样本的采样，确定传感器在起振良好并达到共振状态的条件下方差不会超过6，设置方差的限值δmax，δ需满足δ≤δmax。如果上述两个条件中任意一个得不到满足，则判定起振失败，需要重新进行初振。重新初振时可采用间歇激振方式，也可以采用扫频激振方式，如采用间歇激振方式重新初振后仍起振失败，则采用扫频激振方式。如果采用扫频激振方式激振失败，则中止激振并报错。
第四步，复振：采用频率为f1的信号激励振弦传感器的激励线圈，可以直接使振弦处于共振状态，起振迅速且振幅大，在振幅不再增加后即可停止激励，激励停止后振动能持续较长时间。在不同共振频率下，激振持续时间都采用激振周期数计算。对于不能反馈振幅的情况，可以给予固定周期数的激振。对于初测误差大于振弦共振带宽的情况，难以确保振弦在f1频率信号激励下能可靠起振，可以在f1频率附近的较窄带宽进行扫频激振。
第五步，复测：复振后振弦能产生大振幅长时间的振动信号，在复测过程中采用较长的测量时间，测量较多信号周期，可以获得高精度的复测值f2，f2即为振弦共振频率的精确值。
本发明的实施依靠如图2所示的硬件装置。该装置由单片机7、扫频激励电路8、信号处理电路9组成。单片机7采用MSP430F1611，通过I/O与扫频激励电路8中的波形发生器6相连。波形发生器6与模拟开关4通过220欧电阻5相连。220欧电阻5分别与波形发生器6的频率输出端和模拟开关4的栅极相连。模拟开关4采用N沟道场效应管IRF7832，源极接地，漏极与振弦式传感器2的线圈3的一端相连。振弦式传感器2的线圈3的另一端与系统+5V电源相连。信号处理电路9的输入端接线圈3的两端，输出接单片机7的频率测量模块。信号处理电路9依次包括采样开关、前置放大器、低通滤波器、高通滤波器、施密特整形器，将传感器返回的mV级信号放大、滤波、整形成为抖动小于0.1Hz的方波频率信号。最后由由单片机7直接对数字频率信号进行处理，计算信号频率。
操作时，第一步初振和第四步复振通过图2中模拟开关4、220欧电阻5、波形发生器6、单片机7实现。单片机7通过数字I/O控制波形发生器6，初振时驱动波形发生器6复位，使波形发生器6输出低电平，这样模拟开关4处于导通状态，振弦式传感器2受5V电源激励，线圈3通电吸紧振弦1，延时10ms，驱动波形发生器6输出高电平，这样模拟开关4截止，振弦式传感器2电源断开，振弦1脱离线圈3吸附而进行自由衰减振荡。第四步复振时，单片机7将第二步初测的并经过第三步检验合格的频率值f1设置给波形发生器6，波形发生器6输出该频率的5VP-P的方波信号，这样振弦式传感器2受到与其固有频率相近的频率信号激励，快速达到共振状态。第二步初测和第五步复测是通过图2中采样开关、前置放大器、低通滤波器、高通滤波器、施密特整形器以及单片机7的捕获模块来完成的。激振以后，延时20ms，打开采样开关，使能检测回路。前置放大器采用4个超低噪声低功耗放大器组成一个差分仪表放大器，输入阻抗为10M，带宽为9.3KHz，具有很高的反馈余量。前置放大器将传感器输入信号中350Hz以上的差模交流信号放大1000倍。信号经过前置放大后进入一个截止频率为6000Hz的8阶联立切比雪夫低通滤波器，然后经过一个增益可调的缓冲/放大器，进入一个截止频率为400Hz的8阶切比雪夫高通滤波器，最后通过施密特整形器将正弦信号转化为相同频率的方波信号，进入单片机7的捕获模块完成振弦共振频率的精确值f2测量。
Claims (2)
1.一种振弦传感器激振方法，其特征在于：它包括以下次序的操作步骤：
(1)初振：采用现有的间歇激振方式对振弦传感器的激励线圈进行单次激励；
(2)初测：对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率，得到低精度的共振频率测量值f1；
(3)检验：计算振动信号各周期间的统计特征，对统计特征进行检验：
①检测频率平均值是否在传感器标称工作范围内；
②检测方差是否超过限值；
如果上述检验没有通过则采用扫频激振方式重新进行激振，如果通过了就进入复振过程，如果多次不通过就报错，并结束测量；
(4)复振：采用频率为f1的信号激励振弦传感器的激励线圈，振弦共振后停止激励，或在f1频率附近的较窄带宽进行扫频激励；
(5)复测：对拾振线圈的信号进行处理并测量信号频率，得到测量值f2，f2即为振弦共振频率的精确值。
2.根据权利要求1所述的振弦传感器激振方法，其特征在于：在步骤(3)中，当对统计特征进行检验没有通过，则采用间歇激振方式重新初振，如仍起振失败则再采用扫频激振方式，如再采用扫频激振失败，则中止激振并报错。
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