CN102141428A

CN102141428A - 单线圈振弦式仪器的频率测量方法和系统

Info

Publication number: CN102141428A
Application number: CN 201010609551
Authority: CN
Inventors: 江修; 沈省三; 毛良明
Original assignee: JIKANG INSTRUMENT(BEIJING) CO Ltd
Current assignee: JIKANG INSTRUMENT(BEIJING) CO Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明涉及一种单线圈振弦式仪器的频率测量方法和系统，该方法首先在单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，驱动钢弦发生机械振动；然后撤销扫频激振信号，频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号；再通过AD转换器对感生电压信号进行数据采集并经数字信号处理器对AD转换器采集的信号进行FFT频谱分析；最后根据极大值法提取出频谱中的主频信号，得到频率测量值。该方法增加了抗干扰能力，提高了单线圈振弦式仪器频率测量的准确性和可靠性。

Description

单线圈振弦式仪器的频率测量方法和系统

技术领域

本发明涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是一种岩土工程的安全监测仪器中的单线圈振弦式仪器的频率测量方法和系统。

背景技术

在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的安全。

振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成。钢弦长度为L，在感知外界作用力F(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等)的时候，钢弦会产生ΔL的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度T的影响，

其中ΔT＝T-T₀，α为线膨胀系数，T₀、α、K均为已知的恒常数。钢弦的机械振动固有频率f可以按如下公式获得：

其中E是钢弦的弹性模量，ρ_v是钢弦的密度，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均为定常数。将上述两个公式进行整理，消除

这一共同变量，得出F是f和T的确定函数，通过测量f和T就能实现F的测量。其中，频率参量f是最为关键的测量因子。

目前安全监测领域使用的振弦式仪器中，按照线圈结构类型存在双线圈振弦式仪器、单线圈振弦式仪器、差动线圈振弦式仪器等多种形式，其中单线圈振弦式仪器在种类、应用范围、数量等多方面均占绝对优势。图1为单线圈振弦式仪器结构示意图，将钢弦1设置在频率测量线圈2和永磁体3构成的磁场中，通过给单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈2两端施加交变的激振电流信号，在永磁体3的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦1发生机械振动，振动的钢弦1在磁场中作切割磁力线运动，在频率测量线圈2中感应出电势，感应电势的频率即为钢弦1的振动频率。传统的频率测量方法采用频率计数法，即采用计数器通过测量感应电势脉冲周期，即可测得钢弦1的振动频率，该方法原理简单直观可行，但在实践上存在抗干扰能力差的问题，不可避免地会把干扰信号以脉冲计数的形式计入测量结果中，导致测量精度和可靠性的下降。而岩土工程的安全监测对安全监测仪器的可靠性以及测量数据的准确性有非常严格的要求，这就要求在测量原理和测量方法上力求先进、力求准确可靠，所以单线圈振弦式仪器采用上述频率测量方法已不能满足测量的要求。

发明内容

本发明针对现有的单线圈振弦式仪器的频率测量采用频率计数法存在的抗干扰能力差，导致测量精度和可靠性下降的问题，提供一种新型单线圈振弦式仪器的频率测量方法，该方法从测量原理上更符合单线圈振弦式仪器的工作原理，增加了抗干扰能力，提高了单线圈振弦式仪器频率测量的准确性和可靠性。本发明还涉及一种单线圈振弦式仪器的频率测量系统。

本发明的技术方案如下：

一种单线圈振弦式仪器的频率测量方法，首先在单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，在永磁体的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦发生机械振动，其特征在于，还包括下述步骤：

A、撤销扫频激振信号，钢弦的机械振动形成单一频率的驻波，频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号；

B、通过AD转换器对感生电压信号进行数据采集；

C、通过数字信号处理器对AD转换器采集的信号进行FFT频谱分析；

D、根据极大值法提取出频谱中的主频信号，得到频率测量值。

在执行完步骤A后还包括将感生电压信号放大整形的步骤，此时步骤B为通过AD转换器对放大整形后的感生电压信号进行数据采集。

将单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈的两端连接到信号发生器的输出端，信号发生器产生交变的扫频激振信号施加到频率测量线圈两端。

在钢弦发生机械振动后，通过线路选择开关切断信号发生器与频率测量线圈之间的连接，同时把频率测量线圈连接到放大整形电路的输入端，所述放大整形电路将感生电压信号进行放大整形。

步骤B中所述的AD转换器为高精度、高速AD转换器。

一种单线圈振弦式仪器的频率测量系统，其特征在于，包括激振装置、开关电路和拾振装置，所述拾振装置包括依次连接的AD转换器、数字信号处理器和主频提取装置，所述开关电路分时段将激振装置和AD转换器分别与单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈相连；所述分时段是指：开关电路先连通激振装置和频率测量线圈，激振装置在频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，在永磁体的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦发生机械振动；开关电路再切断激振装置与频率测量线圈之间的连接，钢弦的机械振动形成单一频率的驻波，频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号；开关电路再连通频率测量线圈和AD转换器，所述AD转换器采集频率测量线圈两端形成的感生电压信号，并传输至数字信号处理器进行FFT频谱分析，所述主频提取装置根据极大值法提取出频谱中的主频信号，得到频率测量值。

所述拾振装置还包括放大整形电路，所述放大整形电路设置于开关电路和AD转换器之间，所述放大整形电路将频率测量线圈两端形成的感生电压信号放大整形后再输入AD转换器进行数据采集。

所述激振装置包括信号发生器，所述频率测量线圈的两端连接至信号发生器的输出端，所述信号发生器产生交变的扫频激振信号施加到频率测量线圈两端。

所述AD转换器为高精度、高速AD转换器。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的单线圈振弦式仪器的频率测量方法，在频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号后，钢弦发生机械振动，然后撤销扫频激振信号，使得频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号，并通过AD转换器对感生电压信号进行数据采集，再通过数字信号处理器进行FFT频谱分析，根据极大值法提取出频谱中的主频信号，从而得到频率测量值。该方法通过AD转换器对感生电压信号进行数据采集，将感生电压信号转化为数字信号，并通过数字信号处理器采用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)实现了频率测量线圈感生电压信号的完整频谱分析技术，获得该感生电压信号的频谱分析结果，提高了该方法测量的准确性和可靠性。由于采用了极大值法作为频谱中的主频信号提取的判据，减少了误判的可能性。因为数字信号处理器将感生电压信号从时域转化为频域信号，由于干扰信号的随机性，决定了其在频谱中不可能成为极大值点，所以通过极大值法能够可靠实现干扰信号的剔除。避免了现有的单线圈振弦式仪器的频率测量采用频率计数法会将干扰信号以脉冲计数的形式计入测量结果中，导致测量精度和可靠性的下降的问题，本发明的该方法获取的主频信号作为最终频率测量结果，准确、可靠地实现单线圈振弦式仪器频率参数测量，从测量原理上更符合单线圈振弦式仪器的工作原理，增加了抗干扰能力，提高了单线圈振弦式仪器频率测量的准确性和可靠性。

本发明涉及的单线圈振弦式仪器的频率测量系统，包括激振装置、开关电路和拾振装置，拾振装置包括AD转换器、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)和主频提取装置，由开关电路进行线路选择，分时段将激振装置和单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈相连，或将频率测量线圈和AD转换器相连；即开关电路先将激振装置和频率测量线圈连通，激振装置在频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，驱动钢弦发生机械振动；开关电路切断激振装置与频率测量线圈之间的连接，频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号；开关电路再连通频率测量线圈和AD转换器，AD转换器采集频率测量线圈两端形成的感生电压信号，并传输至DSP进行FFT频谱分析，最终由主频提取装置根据极大值法提取出频谱中的主频信号，得到频率测量值。激振装置进行激振，AD转换器、DSP和主频提取装置进行拾振，开关电路进行激振和拾振之间的切换，较传统的频率计数的方式能够获得更准确、更稳定的测量结果，尤其是提高了信号测量的抗干扰能力，能够满足岩土工程的安全监测对安全监测仪器的可靠性以及测量数据的准确性的严格要求。

附图说明

图1为单线圈振弦式仪器结构示意图。

图2为本发明单线圈振弦式仪器的频率测量方法的优选流程图。

图3为在频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号波形图。

图4为撤销扫频激振信号后频率测量线圈两端形成的感生电压信号波形图。

图5为FFT频谱分析的流程图。

图6为FFT频谱分析后获得的频谱图。

图7为本发明单线圈振弦式仪器的频率测量系统的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1-钢弦；2-频率测量线圈；3-永磁体；4-激振装置；5-拾振装置；M-极大值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图2为本发明单线圈振弦式仪器的频率测量方法的优选流程图。该方法包括下述步骤：

A、在图1所示的单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈2两端施加交变的扫频激振信号，具体实施步骤可以将频率测量线圈2的A、B两端连接到信号发生器的输出端，信号发生器产生交变的扫频激振信号施加到频率测量线圈2两端，其交变的扫频激振信号波形如图3所示，频率测量线圈2由于施加了交变的扫频激振信号因而有交变电流流过，在永磁体3的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦1发生机械振动；

B、撤销扫频激振信号，即断开信号发生器与频率测量线圈2之间的连接关系；适当等待一段时间，让钢弦1的机械振动形成单一频率的驻波，由于钢弦1机械振动、交变切割磁力线，在频率测量线圈2两端形成图4所示的与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号，其波形为衰减振荡波形；

C、将感生电压信号放大整形，可通过放大整形电路，放大整形电路将该感生电压信号从5mV放大到2～3V；

D、通过高精度、高速AD转换器对放大整形后的感生电压信号进行数据采集，可采集8000个以上的感生电压信号作为采集样本，采集输出为一组数据采集样本数组；

E、通过DSP将高精度、高速AD转换器得到的采集样本数组形成输入采样数据序列，并根据频谱数据序列进行FFT频谱分析，FFT频谱分析流程图如图5所示，将输入采样数据序列按照编码逆序排列并输入采样数据，再采用蝶形算法实现快速傅立叶变换，从而获得该信号的频谱分析结果，其频谱如图6所示；

F、根据极大值法从频谱图中提取出幅值极大值点M，点M对应的频率值f就是频谱中的主频信号，由于频率测量线圈2两端形成的感生电压信号的频率与钢弦1机械振动频率一致，故点M对应的频率值f也就是本次测量得到的频率测量值。

本发明还涉及一种单线圈振弦式仪器的频率测量系统，其优选结构示意图如图7所示。该系统包括激振装置4、开关电路和拾振装置5，其中，激振装置4包括信号发生器，拾振装置5包括依次连接的放大整形电路、高精度、高速AD转换器、数字信号处理器和主频提取装置，开关电路分时段将信号发生器和放大整形电路分别与单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈相连。分时段具体为开关电路作为激振和拾振的线路选择开关电路，当开关电路连通信号发生器和频率测量线圈时，频率测量线圈2的A、B两端连接至信号发生器的输出端；当开关电路切断信号发生器与频率测量线圈之间的联系后，可连通频率测量线圈和放大整形电路，即将频率测量线圈的A、B两端连接到放大整形电路的输入端。

该频率测量系统的完成测量过程如下：通过开关电路把频率测量线圈连接到信号发生器的输出端，即连通激振装置准备激振，信号发生器产生如图3所示的交变的扫频激振信号，作用到频率测量线圈上；频率测量线圈由于施加了交变扫频激振信号因而有交变电流流过，在永磁体的作用下，产生交变的电磁力，驱动钢弦发生机械振动。在钢弦产生机械振动后，由开关电路切断信号发生器与频率测量线圈之间的联系，同时把频率测量线圈连接到放大整形电路的输入端，即连通拾振装置准备拾振。适当等待一段时间，让钢弦的机械振动形成单一频率的驻波，由于钢弦振动、交变切割磁力线，在频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号(感生电压信号波形如图4所示)。该感生电压信号经放大整形电路后输出给高精度、高速AD转换器进行数据采集，并输出一组数据采集样本数组。数据采集样本数组在DSP的控制下形成输入采样数据序列，DSP按照图5所示流程进行FFT频谱分析，即通过快速傅立叶变换的分析计算获得信号频谱数据序列，根据频谱数据序列可获得图6所示频谱图，实现频率测量线圈感生电压信号的完整频谱分析。然后由主频提取装置根据极大值法从频谱图中提取出幅值极大值点M作为频谱中的主频信号，作为最终频率测量结果，实现单线圈振弦式仪器频率参数的测量。

本发明涉及的频率测量方法以及频率测量系统激振和拾振分时进行(在测量方法中先激振，后拾振；在测量系统中激振装置和拾振装置依次工作)，能够准确、可靠地得到频率测量线圈上产生的感生电压信号频率值，由于频率测量线圈两端形成的感生电压信号的频率与钢弦机械振动频率一致，故以拾取频谱主频的方式获得最终测量结果，实现了单线圈振弦式仪器的频率参数的测量，并且从测量原理上更符合单线圈振弦式仪器的工作原理，较之传统的频率计数方式能获取更准确、更稳定的测量结果，其测量精度可达到0.1Hz，分辨力达到0.01Hz，更重要的是提高了信号测量的抗干扰能力。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims

1.一种单线圈振弦式仪器的频率测量方法，首先在单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，在永磁体的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦发生机械振动，其特征在于，还包括下述步骤：

B、通过AD转换器对感生电压信号进行数据采集；

2.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，在执行完步骤A后还包括将感生电压信号放大整形的步骤，此时步骤B为通过AD转换器对放大整形后的感生电压信号进行数据采集。

3.根据权利要求2所述的频率测量方法，其特征在于，将单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈的两端连接到信号发生器的输出端，信号发生器产生交变的扫频激振信号施加到频率测量线圈两端。

4.根据权利要求3所述的频率测量方法，其特征在于，在钢弦发生机械振动后，通过线路选择开关切断信号发生器与频率测量线圈之间的连接，同时把频率测量线圈连接到放大整形电路的输入端，所述放大整形电路将感生电压信号进行放大整形。

5.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，步骤B中所述的AD转换器为高精度、高速AD转换器。

6.一种单线圈振弦式仪器的频率测量系统，其特征在于，包括激振装置、开关电路和拾振装置，所述拾振装置包括依次连接的AD转换器、数字信号处理器和主频提取装置，所述开关电路分时段将激振装置和AD转换器分别与单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈相连；所述分时段是指：开关电路先连通激振装置和频率测量线圈，激振装置在频率测量线圈两端施加交变的扫频激振信号，在永磁体的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦发生机械振动；开关电路再切断激振装置与频率测量线圈之间的连接，钢弦的机械振动形成单一频率的驻波，频率测量线圈两端形成与钢弦机械振动频率一致的感生电压信号；开关电路再连通频率测量线圈和AD转换器，所述AD转换器采集频率测量线圈两端形成的感生电压信号，并传输至数字信号处理器进行FFT频谱分析，所述主频提取装置根据极大值法提取出频谱中的主频信号，得到频率测量值。

7.根据权利要求6所述的频率测量系统，其特征在于，所述拾振装置还包括放大整形电路，所述放大整形电路设置于开关电路和AD转换器之间，所述放大整形电路将频率测量线圈两端形成的感生电压信号放大整形后再输入AD转换器进行数据采集。

8.根据权利要求6或7所述的频率测量系统，其特征在于，所述激振装置包括信号发生器，所述频率测量线圈的两端连接至信号发生器的输出端，所述信号发生器产生交变的扫频激振信号施加到频率测量线圈两端。

9.根据权利要求6所述的频率测量系统，其特征在于，所述AD转换器为高精度、高速AD转换器。