CN102353442B - 一种振弦式仪器的激振方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种振弦式仪器的激振方法和装置，该方法首先基于数字合成原理产生频率可调的正弦波形数据；通过并行DA转换器将该正弦波形数据转换为正弦波形信号；滤波电路滤掉高次谐波，将正弦波形信号平滑成光滑的正弦波形信号；再将光滑的正弦波形信号施加在振弦式仪器的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。该方法产生的频率可调的正弦波形激振信号，提高了激励信号的精确控制能力，解决了传统激振方法采用脉冲方波所产生的各种局限性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是应用于岩土工程的安全监测仪器中的振弦式仪器的激振方法和装置。
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均为已知定常数。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，ρv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。可见，钢弦的振动固有频率参量f是最为关键的测量因子。
目前测量钢弦的频率参量f通常采用激振拾振的方法，将钢弦设置在频率测量线圈和永磁体构成的磁场中，通过激振方法使钢弦振起来，共振的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，并通过拾振方法拾取频率测量线圈中由于钢弦的机械振动而产生的微弱电动势的频率，进而得到钢弦的固有频率。其中，采用何种激振方法使钢弦振起来是测量钢弦的频率参量f所要解决的重要问题。
传统的激振钢弦的方法，由图1所示，微机系统中的单片机I/O口按照一定的频率（这个频率可以是传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值）产生脉冲方波的激振信号，该脉冲方波的激振信号波形如图2所示，该激振信号通过光电隔离电路和基本功放电路放大后，激振电流流过频率测量线圈，激振电流产生的交变磁场激励钢弦1振动。激振线圈通过的脉动电流频率通过微机系统调节。由图2可知，传统的激振方法产生的激振波形由数字系统产生，是幅度一定、频率可调的方波，这种方波的激振有如下不足：（1）由于方波谐波成分比较复杂，导致激振时引入谐波，如产生影响比较大的三倍频，对钢弦的激振不利，造成钢弦1不能可靠起振，迅速达到谐振状态；（2）对于一种仪器，产生脉冲方波的幅度是一定的，导致该方法对某些激振比较困难的仪器或比较容易起振的仪器存在不能使之可靠起振或过度激振的问题。
发明内容
本发明针对现有的振弦式仪器的激振方法产生脉冲方波会引入谐波造成钢弦不能可靠起振的问题，提出了一种新型的振弦式仪器的激振方法，该方法能够获得频谱单一的正弦波激励信号，提高了激励信号的精确控制能力。本发明还提供一种振弦式仪器的激振装置。
本发明的技术方案如下：
一种振弦式仪器的激振方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
A、基于数字合成原理采用相互连接的逻辑控制器件和波形存储器产生频率可调的正弦波形数据，通过并行DA转换器将产生的正弦波形数据转换为正弦波形信号；
B、滤波电路滤掉高次谐波，将正弦波形信号平滑成光滑的正弦波形信号；
C、将光滑的正弦波形信号施加在振弦式仪器中的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。
步骤A所述的逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，所述相位累加器与波形存储器相连，微处理器将正弦波形数据通过逻辑控制模块写入波形存储器，并写入频率控制字至频率控制字寄存器，以控制产生波形的频率，在参考时钟的作用下，相位累加器对输入的频率控制字进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，所述波形存储器输出正弦波形数据，通过微处理器更新频率控制字，得到频率可调的正弦波形数据。
所述逻辑控制器件为FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微处理器将正弦波形数据通过FPGA/CPLD写入波形存储器，在参考时钟的作用下，输入的频率控制字由相位加法器进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器的地址；和/或所述滤波电路为低通椭圆滤波器。
在执行步骤A的同时还执行下述步骤：
A’、通过幅度控制电路实现正弦波形数据的幅度调节，所述幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字以改变串行DA转换器的输出电压，将串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制步骤A中的并行DA转换器的参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节。
在完成步骤B后再将正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，然后执行步骤C，将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。
一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，所述微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，所述波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；所述正弦波形数据输入至并行DA转换器并转换为正弦波形信号输出，所述正弦波形信号输入至滤波电路平滑成光滑的正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述光滑的正弦波波形施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。
所述逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，所述逻辑控制模块分别与微处理器和波形存储器相连，所述频率控制字寄存器与微处理器相连，所述相位累加器与波形存储器相连，微处理器将正弦波形数据通过逻辑控制模块写入波形存储器，在参考时钟的作用下，对输入的频率控制字寄存器中的频率控制字进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，通过更新频率控制字，控制波形的频率，得到频率可调的正弦波形数据。
所述逻辑控制器件为FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微处理器将正弦波形数据通过FPGA/CPLD写入波形存储器，在参考时钟的作用下，通过相位加法器对输入的频率控制字进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器的地址；和/或所述滤波电路为低通椭圆滤波器。
还包括幅度控制电路，所述幅度控制电路的输入端与微处理器相连，输出端与并行DA转换器的输入端相连，所述幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字以改变串行DA转换器的输出电压，所述串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制并行DA转换器的参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节。
还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与滤波电路的输出端相连，所述功率放大电路将滤波电路输出的正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，所述功率放大电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。
本发明的技术效果如下：
本发明提供的振弦式仪器的激振方法，基于数字合成原理采用相互连接的逻辑控制器件和波形存储器产生频率可调的正弦波形数据，并依次通过并行DA转换器和滤波电路得到频谱单一的光滑的正弦波形信号，将其施加在振弦式仪器中的频率测量线圈两端，作为正弦波激励信号，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。该方法把数字合成技术应用于产生激振波形，由于采用频谱单一的正弦波的激励方法，解决了现有的振弦式仪器的激振方法产生的脉冲方波的频谱中含有谐波，导致钢弦不能可靠起振和含有杂波的问题，本发明的钢弦激振方法产生的正弦波频率可在线调节，正弦波频谱单一，无谐波干扰，将其施加在振弦式仪器中的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，使得钢弦能够可靠起振，并提高了激励信号的精确控制能力。
本发明所述激振方法中的逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器。逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器由FPGA/CPLD实现，采用FPGA/CPLD实现的相位累加器对输入的频率控制字进行累加。频率控制字由微处理器写入到FPGA/CPLD中，可以通过更新频率控制字，控制波形的频率，得到频率可调的正弦波。基于FPGA/CPLD实现的数字合成原理得到正弦波，解决了传统激振方法采用数字系统产生的脉冲方波所带来的局限性。
本发明的激振方法包括通过幅度控制电路实现光滑的正弦波波形的幅度调节的步骤，该方法对某些激振比较困难或比较容易的仪器，在微处理器的控制下，可以自适应地提高或降低激振正弦波波形的幅度，解决了传统激振方法采用幅度一定方波所产生的各种局限性，避免了不能激振或过度激振的问题，提高了振弦式仪器激振的可靠性和稳定性。
将幅度调节后的正弦波形信号进行功率放大，使之具有适当的驱动能力，能够更好地驱动正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，提高了起振性能。
本发明提供的振弦式仪器的激振装置，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；将读出的该波形数据经后续的并行DA转换器转换为相应的电压信号即正弦波形信号；滤波电路把DA转换器转化的阶梯状模拟电压信号即正弦波形信号平滑成光滑的正弦波形信号；滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述光滑的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。本发明的该装置较传统的基于微处理器I/O口产生的幅度不可调的脉冲激励波形，能够获得频谱更单一、幅度可以通过幅度控制电路在线调节的正弦波激励信号，提高了激振信号的精确控制能力，解决了传统激振方法采用脉冲方波所产生的各种局限性。
附图说明
图1为传统的激振钢弦的实现方法示意图。
图2为传统的扫频激振信号波形图。
图3为本发明振弦式仪器的激振方法优选流程图。
图4为FPGA/CPLD实现的数字合成的工作流程图。
图5为本发明激振方法生成的扫频激振正弦波信号波形图。
图6为本发明振弦式仪器的激振装置优选结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
图3为本发明振弦式仪器的基于数字合成的正弦波激振信号的方法优选流程图，该方法包括下述步骤：
A、微处理器将正弦波的波形数据（即将要产生的正弦波的波形数据）通过FPGA/CPLD写入波形存储器RAM中，波形存储器RAM用于存储波形数据；该FPGA/CPLD包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）以及FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）均为可编程逻辑器件，当然也可以选择包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器的其它逻辑控制器件，本实施例中的逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器由FPGA/CPLD实现。微处理器将频率控制字K写入FPGA/CPLD内的频率控制字寄存器中，通过更新频率控制字K来控制波形的频率，得到频率可调的正弦波；启动N位的相位累加器，相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，相位累加器的工作流程如图4所示：在参考时钟fx的控制下，相位加法器对输入的频率控制字K进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器RAM的地址，波形存储器输出正弦波的波形数据；其中A为相位累加器实际寻址波形存储器RAM的位数，D为波形存储器RAM中数据的位数，故N位的相位累加器舍弃的位数为N－A；在参考时钟fx的控制下，通过并行DA转换器将波形存储器RAM输出的正弦波的波形数据转换为相应的模拟电压信号即正弦波形信号；
A’、在执行步骤A的同时执行该步骤：通过幅度控制电路实现正弦波形数据的幅度调节，该幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，波形幅度的控制可以由微处理器数字控制，按照需要通过微处理器更新幅度控制字写入幅度控制电路中的串行DA转换器，从而改变串行DA转换器的输出电压，将串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端（即DA转换器输入引脚的基准参考电压端）来控制步骤A中的并行DA转换器参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节；
结合步骤A和A’，所述微处理器可以由单片机实现，它是激振部分的主控制器，同时也是拾振部分的主控制器，在激振部分主要负责激振波形写入，频率控制字和幅度控制数据的写入以及激振和拾振的协调与控制；
B、低通椭圆滤波器滤掉高次谐波，将并行DA转换器输出的呈阶梯状的模拟电压信号即正弦波形信号平滑成光滑的正弦波波形信号；
C、将滤波后的正弦波形信号进行功率放大，使其具有适当的驱动能力，将功率放大后的正弦波形信号送入激振线圈，即将其施加在振弦式仪器的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振，其扫频激振的正弦波信号波形如图5所示。
本发明还涉及一种新型的振弦式仪器的激振装置，其优选结构示意图如图6所示，包括依次连接的微处理器、FPGA或CPLD、波形存储器RAM、并行DA转换器、低通椭圆滤波器和功率放大电路，还包括幅度控制电路，幅度控制电路的输入端与微处理器相连，输出端与并行DA转换器的输入端相连。CPLD/FPGA包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，逻辑控制模块分别与微处理器和波形存储器相连，频率控制字寄存器与微处理器相连，相位累加器分别与频率控制字寄存器和波形存储器相连，微处理器（单片机）将要产生的波形数据通过FPGA/CPLD中的逻辑控制模块写入波形存储器RAM，在参考时钟的作用下，相位累加器对输入的频率控制字K进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，读取波形存储器的波形数据；通过更新频率控制字，控制波形的频率，得到频率可调的正弦波形数据；该正弦波的波形数据输入至并行DA转换器并转换为模拟电压信号即正弦波形信号输出；幅度控制电路进行波形幅度调节，具体为：幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字改变串行DA转换器的输出电压，将串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制并行DA转换器的参考电压，按照需要产生相应幅度的激励波形；模拟电压信号输入至低通椭圆滤波器，低通椭圆滤波器滤掉高次谐波，将并行DA转换器输出的阶梯状的模拟电压信号平滑成光滑的正弦波形信号；滤波电路的输出端连接至功率放大电路的输入端，功率放大电路对滤波后的正弦波形信号进行功率放大，以提供适当的驱动能力；功率放大电路的输出端与振弦式仪器中的频率测量线圈两端相连，从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈2的A、B两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。该激振装置能够获得频谱更单一、幅度可以在线调节的正弦波激励信号，激励信号产生后进行后续的放大整形以及完成频率的测量。
本发明所述的振弦式仪器的激振方法和装置，均适用于激振各种振弦式仪器，如激振单线圈振弦式仪器，以及激振双线圈振弦式仪器等。需要补充说明的是，对于双线圈振弦式仪器，由于其频率测量线圈包括激振线圈和拾振线圈，说明书所述频率测量线圈实为激振线圈，即将最终的正弦波形信号施加在激振线圈两端。
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 (10)
1.一种振弦式仪器的激振方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
A、基于数字合成原理采用相互连接的逻辑控制器件和波形存储器产生频率可调的正弦波形数据，通过并行DA转换器将产生的正弦波形数据转换为正弦波形信号；
B、滤波电路滤掉高次谐波，将正弦波形信号平滑成频谱单一的光滑的正弦波形信号；
C、将频谱单一的光滑的正弦波形信号施加在振弦式仪器中的频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。
2.根据权利要求1所述的振弦式仪器的激振方法，其特征在于，步骤A所述的逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，所述相位累加器与波形存储器相连，微处理器将正弦波形数据通过逻辑控制模块写入波形存储器，并写入频率控制字至频率控制字寄存器，以控制产生波形的频率，在参考时钟的作用下，相位累加器对输入的频率控制字进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，所述波形存储器输出正弦波形数据，通过微处理器更新频率控制字，得到频率可调的正弦波形数据。
3.根据权利要求2所述的振弦式仪器的激振方法，其特征在于，所述逻辑控制器件为FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微处理器将正弦波形数据通过FPGA/CPLD写入波形存储器，在参考时钟的作用下，输入的频率控制字由相位加法器进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器的地址；和/或所述滤波电路为低通椭圆滤波器。
4.根据权利要求2所述的振弦式仪器的激振方法，其特征在于，在执行步骤A的同时还执行下述步骤：
A’、通过幅度控制电路实现正弦波形数据的幅度调节，所述幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字以改变串行DA转换器的输出电压，将串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制步骤A中的并行DA转换器的参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节。
5.根据权利要求1至4之一所述的振弦式仪器的激振方法，其特征在于，在完成步骤B后再将正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，然后执行步骤C，将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。
6.一种振弦式仪器的激振装置，其特征在于，包括依次连接的微处理器、逻辑控制器件、波形存储器、并行DA转换器和滤波电路，所述微处理器将波形数据通过逻辑控制器件写入波形存储器，所述波形存储器输出频率可调的正弦波形数据；所述正弦波形数据输入至并行DA转换器并转换为正弦波形信号输出，所述正弦波形信号输入至滤波电路平滑成频谱单一的光滑的正弦波形信号，所述滤波电路的输出连接至振弦式仪器的频率测量线圈两端，从而将所述频谱单一的光滑的正弦波波形施加在频率测量线圈两端，在永磁体的作用下产生交变电磁力，驱动钢弦产生谐振。
7.根据权利要求6所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述逻辑控制器件包括逻辑控制模块、相位累加器和频率控制字寄存器，所述逻辑控制模块分别与微处理器和波形存储器相连，所述频率控制字寄存器与微处理器相连，所述相位累加器与波形存储器相连，微处理器将正弦波形数据通过逻辑控制模块写入波形存储器，在参考时钟的作用下，对输入的频率控制字寄存器中的频率控制字进行累加，并且将相位累加器的输出作为读取波形存储器的地址，通过更新频率控制字，控制波形的频率，得到频率可调的正弦波形数据。
8.根据权利要求7所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，所述逻辑控制器件为FPGA或CPLD，所述相位累加器包括相位加法器和相位寄存器，微处理器将正弦波形数据通过FPGA/CPLD写入波形存储器，在参考时钟的作用下，通过相位加法器对输入的频率控制字进行累加，并且将相位寄存器的输出作为读取波形存储器的地址；和/或所述滤波电路为低通椭圆滤波器。
9.根据权利要求8所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，还包括幅度控制电路，所述幅度控制电路的输入端与微处理器相连，输出端与并行DA转换器的输入端相连，所述幅度控制电路包括串行DA转换器以及由运算放大器组成的跟随器，通过微处理器更新幅度控制字以改变串行DA转换器的输出电压，所述串行DA转换器输出至跟随器产生幅度控制信号，再将其输入至并行DA转换器的参考电压端来控制并行DA转换器的参考电压，以实现输出波形数据的幅度调节。
10.根据权利要求6至9之一所述的振弦式仪器的激振装置，其特征在于，还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与滤波电路的输出端相连，所述功率放大电路将滤波电路输出的正弦波形信号进行功率放大以具有驱动能力，所述功率放大电路的输出端与频率测量线圈两端相连从而将功率放大后的正弦波形信号施加在频率测量线圈两端。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: JIKANG INSTRUMENT CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: JIKANG INSTRUMENT(BEIJING) CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
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