CN103998905B - 用于测量振动物体频率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于测量振弦测量仪中的弦的频率的系统和方法。该系统可以包括信号发生器，用于产生频率与弦振动的频率相匹配的信号；和激励单元，用于激励弦以增加弦振动的振幅。所述激励单元可以利用所述信号激励弦。所述系统可以进一步包括信号门，该信号门用于控制何时将所述信号发送到所述激励单元。

Description

用于测量振动物体频率的系统和方法

背景技术

技术领域

本发明通常涉及传感器。更具体地，本发明的实施方案涉及振弦测量仪。

相关技术

振弦测量仪广泛地用于各种应用中，包括在包含建筑物、桥梁、坝、桩、隧道衬砌、管道、锚等在内的许多建筑项目中测量各种性能和力的大小。该测量仪已经适于监测应力、应变、挠度、压力、位移、液位、角运动和温度。虽然进步的技术已经产生了其它类型的传感器，但是由于该传感器的长期可靠性，振弦测量仪经常被认为是用在许多装置中的最佳传感器。

振弦测量仪通常基于振弦原理工作，该原理规定，当弦被拨动时以其共振频率振动。共振频率由下式确定：

$v=\frac{n}{2l}\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\μ}}}$

其中，υ是以周期/时间计的频率，n是基本(非谐振的)振动模式的1个周期，l是弦的长度，σ是以力/面积计的弦张力(或应力)，且μ是以质量/长度计的弦的长度密度。测量仪可以构建为使得弦在焊接或以其它方式附接到结构构件的小直径、薄壁管中保持张力。电磁线圈可以用于拨动或激励弦并测量振动频率。然后，通常通过采用一系列校准因子，将频率用于计算任意数目的结构构件的物理性质。

在常规的系统中，利用频率的宽频谱来激励弦，并且测量弦的共振频率。在可采取二次测量之前，在允许或迫使弦停止振动之后，对弦进行二次激励。当需要连续采取振弦的多种测量时，这种时间延迟可能是不理想的。

本文中要求保护的主题并不限于解决任意缺点的实施方案或只在上述那些环境中工作的实施方案。相反地，该背景仅仅提供为示出可以实施本文中所描述的一些实施方案的一个示范性技术领域。

发明内容

提供发明内容部分是为了介绍以下在具体实施方案部分中进一步描述的简化形式的概念的选择。发明内容部分并非旨在确定要求权利的主题的关键特征或基本特性，也非旨在帮助确定要求权利的主题的范围。

公开了一种用于测量振弦测量仪中的弦的频率的系统。该系统包括：用于产生其频率与弦的频率相匹配的信号的信号发生器和用于激励弦以增加弦的振幅的激励单元。信号发生器可以控制信号的振幅，并且由此控制弦的振幅。激励单元可以利用信号激励弦。所述系统可以进一步包括用于控制何时将信号发送到激励单元的信号门。在一些实施方案中，所述信号可以产生为具有与弦的相位相匹配的相位。

在一些实施方案中，所述系统可以进一步包括用于确定弦的频率和相位的频率测定仪。在一些实施方案中，所述系统可以进一步包括数据控制器，其用于接收和存储弦来自频率测定仪的频率，并指示信号门向激励单元发送信号。信号门可以在信号的周期期间的任意时刻向激励单元发送信号。信号门也可以控制发送到激励单元的信号的周期数，以由此控制弦的振幅。另外，信号门可以间歇地向激励单元发送信号，但是具有足够的再发生(recurrence)以维持弦的持续振动。

在一些实施方案中，所述系统可以进一步包括检测单元，其用于检测弦的运动，并向频率测定仪发送检测信号。信号门可以交替地进行向频率测定仪发送检测信号和向激励单元发送信号两者。此外，检测单元和激励单元可以都包含线圈，并且可以共享同一个线圈。

还公开了一种测量振弦测量仪中振弦的频率的激励系统。该系统可以包括：用于产生与振弦的频率和相位相匹配的激励信号的信号发生器和用于当弦在振弦周期期间的任意时刻振动时激励振弦的激励单元。激励单元可以利用激励信号来激励振弦。激励振弦可以增加振弦的振幅，同时保持振弦的频率和相位。所述系统可以进一步包括用于控制将来自信号发生器的激励信号转发到激励单元的信号门。该信号门可以间歇地转发激励信号，但是具有足够的再发生以维持弦的持续振动。

在一些实施方案中，激励单元包含线圈。线圈可以利用激励信号来激励振弦和检测弦的振动。此外，信号门可以交替地向激励单元中的线圈转发激励信号和转发来自线圈的振动检测信号，该振动检测信号用于计算弦的频率。

系统也可以包括如上所述的多个激励系统和连接到激励系统中的每一个的信号门的数据控制器。该数据控制器可以将时间同步的激励信号发送到信号门中的每一个，以控制激励信号向每个激励系统的激励单元的传递。

也公开了一种用于增加振弦的振幅的方法。该方法可以包括计算弦的频率和产生其频率与弦的频率相匹配的激励信号。该方法可以进一步包括，利用激励信号激励弦以增加该弦的振幅和选通激励信号以在选通信号未被接收时阻止激励信号激励弦。在一些实施方案中，该方法可以进一步包括计算弦的相位，使得激励信号产生为具有与所述弦的相位相匹配的相位。

在一些实施方案中，激励弦可以发生在当弦在该弦的周期期间的任意时刻振动时进行。另外，弦可以被激励预定数目的弦的周期。而且，选通信号可以被间歇地接收以使得能够在接收选通信号之间检测弦的运动，但是通常足以维持弦的持续振动。

在振弦的振幅增加之后，可以测量弦的共振频率。共振频率可以用于各种目的。例如，测量仪可以被连接到结构构件，共振频率可以用于测量或估算系统中的物理特性，例如应变、应力、负载、挠度、流体或气体压力、位移、液位、角转动、流体流动、降水量、风速、降雨量、或雪水当量。在其它配置中，测量仪可以是独立的，这意味着测量仪并不连接到任何结构构件，例如在其中测量仪测量温度或压力的配置中。

本发明的其它特征和优势会在随后的描述中阐述，从描述中部分会是明显的，或者可以通过实施本发明而获知。本发明的特征和优势可以借助于特别在所附的权利要求书中指出的仪器和组合来实施和获得。从以下描述和所附的权利要求中，本发明的这些和其它特征会变得更为明显，或者可以通过如下文阐述的本发明的实施而得知。

附图说明

为了进一步阐明本发明的上述和其它优势和特征，将参照在附图中示出的其实施方案更加详细地描述本发明。可以理解，这些附图仅仅描述本发明的典型实施方案，因而不能被认为是限制本发明的范围。将通过使用附图以更多的特性和细节描述和解释本发明，其中：

图1示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统；

图2示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图3示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图4示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图5示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图6示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图7示出根据一些实施方案的振弦测量仪系统的各种组件；

图8示出根据一些实施方案的由单个数据控制器控制的多振弦测量仪系统；

图9示出一种用于在根据一些实施方案的振弦测量仪系统中振动弦的方法。

具体实施方式

公开的实施方案涉及振弦测量仪，以及用于在弦振动时激励弦以使得能够进行振弦共振频率的测量的方法。如以上简要描述的，公开的实施方案可能适于与振弦测量仪相关的使用。更具体地说，公开的实施方案可以用于在振弦测量仪中激励振弦。可以通过利用与振弦的频率和相位相匹配的信号来激励振弦，也就是说振弦的振幅可能增大。为了激励弦，弦的频率可以被测量，并转换为数字化数据。该数字化数据可以转换为振弦的共振频率、相位和振幅的精确估算。可以生成与振弦频率和相位相匹配的激励信号。该激励信号可以施加到振弦以增加振弦的振幅。增加振弦的振幅可以允许更精确地估算振弦的共振频率。振弦振幅的增加可以由激励信号的振幅和激励信号用于激励振弦的周期的持续时间或数目来控制。此外，激励信号可以间歇地施加，但是有足够的再发生以维持弦的持续振动。保持弦的持续振动可以减小弦的共振频率连续测量之间所需的周期。

如上所述，振弦的共振频率可以用于计算或估算任意数目的物理特性，包括但不限于应变、应力、负载、挠度、气压、流体压力、位移、液位、角转动、温度、风速、流体流动、降水量、雪水当量等或其任意组合。

图1示出适于关于本发明使用的振弦测量仪的一个实施方案的示意图。本领域技术人员应理解，利用本公开内容的益处，示例性实施方案对于多种变化的振弦式传感器以及产生与共振频率相关的数据的其它类型的传感器的可适用性。如以下会更具体地讨论的，本发明的方法和系统可以与任意数目的振弦配置一起使用。

例如，振弦测量仪也可以用在测量仪未连接到任何结构构件的配置中。例如，温度计可以通过测量和计算振弦和固定振弦的材料两者(两者在本领域中都被认为是“测量仪”的组件)不同的热膨胀系数来计算测量仪周围的温度。在另一个配置中，振弦可以测量系统的压力，而没有附接至任何结构构件。在压力测量仪的配置中，测量仪包括一端固定且另一端连接到隔板的振弦。当隔板响应于压力的变化弯曲时，测量仪测量系统的压力。因而，振弦测量仪可以用在与本发明相关联的任意数目的配置中，并且不限于其中测量仪附接到结构构件的配置。

图1示出用于在根据一些实施方案的振弦测量仪中测量弦的频率的系统。具体地，图1示出用于在附接至结构以测量该结构上应变的振弦测量仪中测量弦的频率的系统。应该理解，图1仅仅是振弦测量仪系统的一个实例，且所描述的系统可以用在任意的振弦测量仪配置中或其它振动系统中。

图1示出振弦式应变测量仪100，其包括张紧在两个固定装置190之间的弦180，该固定装置190附接到混凝土、岩石、土壤或被测量的结构构件192。应变测量仪100进一步包括联合工作以激励弦180并测量弦180的共振频率的弦控制器110和弦界面160。弦180在其振动时的位移由虚线182示出。根据振弦原理，不论是由于膨胀、压缩或其它原因，如果固定装置190之间的距离“L”变化，则弦180上的应变或张力会变化。弦180张力的变化导致弦180的共振频率的变化。

当测量弦180的振动频率时，经由线缆132将信号传输到数据采集单元，例如记录测量结果并且向弦控制器110提供用户界面的数据控制器170。数据控制器170由此使得使用者能够命令弦控制器110初始化和测量弦180的振动。

如前所述，振弦测量仪100的具体元件和配置可以在不脱离本公开内容的范围的情况下进行修改。例如，振弦的一端可以附接到隔板来测量压力，或在另一配置中，在设计为测量温度的系统中，振弦的两端可以都附接到膨胀系数与振弦不同的材料。在这些配置中的每一个中，振弦被激励，且其响应以与图1中示出的配置相似的方式来测量和传输。

图2示出根据一些实施方案的弦测量仪系统200的各种组件的示意图。系统200包括弦控制器210、激励单元250、检测单元260和数据控制器270。弦控制器210包括频率测定仪220、信号发生器230和信号门240。频率测定仪220向数据控制器270和信号门240发送信号和从它们接收信号。频率测定仪220也向信号发生器230发送信号。信号发生器230向信号门240发送信号。信号门240向激励单元250转发信号，并从检测单元260和数据控制器270接收信号。

在一些实施方案中，在数据控制器270的指示下，弦控制器210工作，以交替地激励在构件290之间张紧的弦280和测量弦280的频率。在一些实施方案中，数据控制器270可以指示弦控制器210持续地工作。在这些实施方案中，弦控制器210激励弦280，测量弦280的频率，或进行两者。在一些实施方案中，弦控制器210独立地工作来激励弦280并测量弦280的频率。

为了测量弦280的频率，检测单元260检测弦280的运动，并将运动信号发送给信号门240。信号门240将运动信号转发给频率测定仪220。频率测定仪220分析来自检测单元260的运动信号，并确定振弦280的频率、相位和振幅。

在一些实施方案中，振弦280的频率之后被发送给信号发生器230。另外地或可选地，振弦280的相位被发送给信号发生器230。信号发生器230利用弦280的频率、相位或频率和相位两者来产生与振弦280的频率、相位或两者相匹配的激励信号。激励信号用于增加振弦280的共振频率的振幅，而不改变振弦280的频率或相位。增加振弦280的振幅可以确保当检测单元260检测到振弦280的运动时，弦280以其共振频率持续振动。此外，增加振弦280的振幅也可以使得检测单元260能够更精确地检测弦280的运动，这样可以导致弦280的频率更精确的测量结果。

如果激励信号的频率或相位与振弦280的频率和相位不匹配，则振弦280的振幅可能不会增加，且在某些情况下，振弦280的振幅可能被抑制。此外，如果信号发生器230不产生与振弦280的频率和相位相匹配的激励信号，则信号发生器230必须利用多种不同频率的信号例如频率扫描来增加弦280的振幅。产生激励信号的这种扫描可能比利用与弦280的频率和相位相匹配的激励信号来激励弦280花费更多的时间。

一旦弦280的频率已经被测量并用于产生激励信号，该激励信号可以用于根据数据控制器270的指示来激励弦280。在一些实施方案中，信号发生器230可以根据数据控制器270的指示向信号门240输出激励信号，并且信号门240可以根据数据控制器270的指示将激励信号转发至激励单元250。

在一些实施方案中，信号发生器230向信号门240输出连续的激励信号。信号门240在从信号发生器240接收到连续的激励信号时可仅允许预定数目的周期的激励信号被转发到激励单元250。例如，信号门240可以将0、0.5、1、1.5、2或任意其它分数或数目的周期的激励信号传递到激励单元250。在一些实施方案中，转发到激励单元250的激励信号的周期数目可以控制振弦280振幅的增加。在一些实施方案中，单个周期、单个周期的部分或无激励信号可以被传递到激励单元250，以降低使振弦280的振幅增加到损坏振弦280的程度的风险。

为了仅将预定数目的周期或部分周期的激励信号转发到激励单元250，信号门240依赖于由频率测定仪220输出的振弦280的频率信息。利用此信息，信号门240可以开始在激励信号的周期期间的任意时刻转发激励信号，并且仍然只转发预定数目的周期或部分周期的激励信号，这是因为信号门240知道激励信号的准确周期。信号门240在激励信号的周期期间的任意时刻转发激励信号的能力使其由与激励信号不同步的外部源所控制，例如数据控制器270。

在一些实施方案中，数据控制器270可通过控制激励信号的振幅和激励信号施加到激励单元250的周期数来控制振弦280被激励多少。在一些实施方案中，弦控制器210能够通过控制激励信号的振幅和激励信号被施加到激励单元250的周期数来控制振弦280被激励的程度。在任一种情况下，弦控制器210或数据控制器270可以基于由频率测定仪220确定的振弦280的当前振幅来确定激励弦280的量。

在一些实施方案中，当信号门240向激励单元250转发激励信号时，信号门240截止来自检测单元260的信号。在一些实施方案中，检测单元260和激励单元250可以是相同的单元且需要使用信号门240以交替地转发来自组合单元的运动数据信号和向该组合单元转发激励信号。

在通过向激励单元250转发激励信号激励弦之后，弦控制器210再次开始测量振弦280的频率。为了如之前所述地测量振弦280的频率，信号门240截止激励信号，并向频率测定仪220转发来自检测单元260的运动信号，以使得能够确定振弦280的频率。弦控制器210持续测量弦280的频率，直至数据控制器270再次发送信号来激励弦280。

在一些实施方案中，当弦控制器210接收信号来激励弦280时，弦280可能不振动。在这种情况下，因为弦的共振频率还没有被确定，所以由信号发生器230输出的激励信号还没有振弦280的共振频率。为了使弦振动，信号发生器230向信号门240发送具有如下文所述的多频率组分的激励信号。信号门240向激励单元250转发激励信号。激励单元250利用激励信号来激励或拨动弦280，使弦280以弦280的共振频率振动。

数据控制器270也可以向弦控制器210发送确定信号来使弦控制器210向数据控制器270发送弦280的频率。在一些实施方案中，在接收到确定信号之后，频率测定仪220可以利用之前收集的来自检测单元260的运动数据来确定振弦280的频率。该确定的频率之后被发送到数据控制器270。在一些实施方案中，在接收到确定信号之后，频率测定仪220可以收集来自检测单元260的运动数据以确定振弦280的频率。所确定的频率之后被发送到数据控制器270。在一些实施方案中，在确定弦280的频率之前，弦280可以进一步被激励以增加振弦280的振幅。

如示出和描述的，数据控制器270可以控制弦控制器210的工作。弦控制器210可以发送基于来自数据控制器270的信号的振弦280的频率。弦控制器210还可以控制振弦280何时基于来自数据控制器270被进一步激励。数据控制器270可以发送信号来激励振弦280，该信号具有足够的再发生以维持弦280的持续振动。在一些实施方案中，弦控制器210独立地工作，以激励弦280和测量弦280的频率。

在一些实施方案中，数据控制器270界面可以配置为与使用者进行交互。例如，数据控制器270可以是计算机，其接收关于何时确定弦280的频率的信息，并向使用者转发该信息。在另一个实例中，数据控制器270可以是计算机或一些其它设备，其编程为以特定的时间间隔或在特定的条件下获得测量结果，例如当接收信号时、在特定的时间、或基于一些其它条件。在一些实施方案中，数据控制器270可以借助于线、网络例如802.11网络、蓝牙网络、或利用一些其它连接来耦连到频率测定仪220。

图3示出根据一些实施方案的弦测量仪系统300中的各种组件的示意图。系统300包括耦连到数据控制器270的弦控制器305。除了信号发生器330不同于图2的信号发生器230之外，弦控制器305包括在图2的弦控制器210中含有的各种组件。信号发生器330可以包括作为“反射”弦280振动的镜像振荡器310、数模转换器(DAC)320和放大器332。镜像振荡器310可以接收来自频率测定仪220的频率指示信号。指示信号被镜像振荡器310使用于产生代表振幅的数字信号，所述数字信号被发送到DAC320。DAC320将数字振幅转换为模拟振幅。镜像振荡器310基于指示信号改变数字信号。因此，DAC320输出与振弦280的频率和相位相匹配的离散正弦信号。该正弦信号通过放大器332，该放大器放大正弦信号且作为低通滤波器来减小由数模转换产生的任何不需要的高频部分。放大器332将正弦信号传递到信号门240。

如上所述，当弦280不振动时，信号发生器330产生激励弦280的激励信号。然而，当弦280不振动时，信号发生器330不能产生与弦280的共振频率相匹配的激励信号。为了激励弦280，信号发生器330可以产生任何激励信号。因为激励信号是离散产生的持续时间有限的正弦信号，所以激励信号的波谱可以具有足够的音调来充分激励弦280以引起弦280的共振运动，使得检测单元260能够测量弦280的运动，并且由此确定或估算弦280的频率。在一些实施方案中，为了首先激励弦280，信号发生器330可以产生与由信号发生器330产生的上一个激励信号的频率相匹配的激励信号。在一些实施方案中，预定的激励信号可以首先用于激励弦280，其可包括但不限于频率扫描。

在一些实施方案中，放大器332可以为可调节的增益放大器。当激励不振动的弦280时，放大器的增益可以调节为较高增益，使得激励信号以弦280的共振频率具有足够的能量来充分激励弦280，以使得弦280的运动能够被检测到。在弦280振动后，在一些实施方案中，放大器332的增益可以根据激励信号应该激励振弦280的程度来进行调节。此外，在一些实施方案中，因为正弦激励信号的主频率为共振频率，且高振幅激励信号可能将大量能量转移到弦280从而使得弦280过分振动而损坏，所以可能必须调节增益。

在一些实施方案中，信号发生器330中的组件可以由分离的部件形成。在一些实施方案中，信号发生器330中的组件可以由单个部件或部件的一些组合形成。例如，镜像振荡器310可以以现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、处理器或一些其它器件形成。DAC320和放大器331可以两者均为或只有其中之一可以为单个组件、集成到FPGA或ASIC中、与镜像振荡器310集成到FGPA和ASIC中、或以其它方式配置。此外，在一些实施方案中，镜像振荡器310和DAC320可以结合为单个器件。还应理解，信号发生器330的组件可以由模拟部件例如电压控制振荡器和放大器形成。

图4示出根据一些实施方案的弦测量仪系统400各种组件的示意图。系统400包括耦连到数据控制器270的弦控制器405。除了弦控制器405中的频率测定仪420不同于图2的频率测定仪220之外，弦控制器405包括图2的弦控制器210中含有的各种组件。频率测定仪420可以包括处理器410、模数转换器(ADC)422、放大器430和电流电压转换器440。

电流电压转换器440接收作为来自信号门240的电流的运动数据信号，并将其转换为电压。转换器440可以利用电阻器网络或一些其它装置来将电流转换为电压。电压运动数据信号被放大器430放大，被ADC422转换为数字信号，并且被发送到处理器410。处理器410对数字运动数据信号进行采样，并分析数字运动数据信号来确定弦280的频率。在分析数字运动数据信号来确定弦280的频率之前，处理器410可以采样并存储来自弦280的一个或更多个周期的多个数字运动数据信号。

例如，可以通过将数字运动数据信号从时域变换到频谱来分析一个或更多个数据信号。根据一个实施方案，该变换利用傅里叶变换，更具体地利用快速傅里叶变换来完成。频谱可以用于确定振弦的共振频率。根据一个实施方案，利用插值法，更具体地，插值法可以为谱插值法。换言之，插值法可以用于确定激励弦的共振频率，其然后可以用于计算结构构件的各种性能。

有利地，该方法能够基于频率成分从噪声中区分出信号。例如，在影响共振频率的测量之前，频率非常不同的噪声源可能接近与弦共振相同的振幅。因为噪声通常不接近相同的振幅，所以可以基于频率成分将噪声从共振信号中区分出来。弦频谱分析的该实例有利地提供了改善的对原本会影响共振测量的外部噪声源的抑制，并提高了测量的精确度。如何利用插值法来确定频率的更详细解释在美国专利号7779690中描述，该专利通过引用以其全文并入本文。

在一些实施方案中，频率测定仪420中的组件可以由分立的部件形成。在一些实施方案中，频率测定仪420中的组件可以由单个部件或部件的一些组合形成。例如，处理器410可以为独立的微处理器或在FPGA或ASIC中形成的微处理器。ADC422和放大器430两者均可以为或仅其中之一可以为独立组件、集成到FPGA或ASIC中、与处理器410集成到FGPA和ASIC中、或以其它方式配置。此外，在一些实施方案中，频率测定仪420可以与信号发生器230一起集成到FPGA或ASIC中。

图5示出根据一些实施方案的弦测量仪系统500的各种组件的示意图。系统500包括耦连到数据控制器270的弦控制器505。弦控制器505包括图2的弦控制器210中含有的各种组件。系统500中的激励单元550不同于图2中的激励单元250。激励单元550可以包括线圈510。当激励信号通过线圈510时，产生电磁场。根据场的方向，该场推动或拉动弦280，使弦280振动。如果激励信号的频率等于弦280的共振频率，则电磁场以与弦280相同的频率脉动。因此，激励电磁场以弦280的共振频率增加弦280的振幅，而不改变或更改弦280的频率。如果电磁脉冲与弦280的频率不相同，则该脉冲可能抑制或阻止弦280的振动。此外，如果脉冲与弦280有相位差，则该脉冲可能抑制或阻止弦280的振动。在任一情况下，弦280的振幅都不会增加而是减小。应当理解，可以使用各种其它组件来激励弦280。

图6示出根据一些实施方案的弦测量仪系统600中各种组件的示意图。系统600包括耦连到数据控制器270的弦控制器605。弦控制器605包括图2的弦控制器210中含有的各种组件。系统600中的检测单元660不同于图2的检测单元260。检测单元660可以包括围绕磁体620的线圈610。当弦280振动并朝向和远离磁体620摆动时，磁体620周围的磁场改变。磁场的改变在线圈610中引起电流，该电流随后作为运动数据信号被发送到频率测定仪220。应当理解，可以使用各种其它组件来检测弦280的运动。此外，在一些实施方案中，图5的激励单元550和检测单元660可以结合。在这些实施方案中，检测单元260的线圈610可以与如图5中示出的激励单元550中的线圈510相同。

图7示出根据一些实施方案的弦测量仪系统700的各种组件的示意图。系统700包括耦连到数据控制器270的弦控制器705。除了弦控制器705中的信号门740不同于图2的信号门240之外，弦控制器705包括图2的弦控制器210中含有的各种组件。信号门740可以包括信号路由器710如多路转换器、和逻辑块720。逻辑块720耦连到信号路由器710，并控制信号路由器710何时向激励单元250转发激励信号和向频率测定仪220转发运动数据信号。逻辑块720可以接收来自数据控制器270的信号，并基于这些信号指示信号路由器710转发运动数据信号、激励信号或两者。逻辑块720的实施使得数据控制器270能够在与弦控制器305的成分不同的频率下工作。

逻辑块720还指示信号路由器710控制转发多少周期的激励信号。为了控制被转发的周期数目，逻辑块720接收来自频率测定仪220的频率指示信号，同样的频率指示信号被发送到信号发生器230。逻辑块720利用频率指示信号来确定由信号发生器230产生的激励信号的频率。知道了激励信号的频率，逻辑块720可以指示信号路由器710转发预定周期数目的激励信号。此外，逻辑块720可以允许激励信号在其周期的任意时刻和因而在弦280振动期间的任意时刻开始被转发，并仍然只允许预定数目的周期被转发。

在其中激励单元250和检测单元260是同一个单元的一些实施方案中，信号路由器710作为多路转换器来控制是否转发激励信号或运动数据信号。例如，当激励信号被转发时，信号路由器710使信号发生器230与结合的激励和检测单元相连，并且同时将频率测定仪220与结合的激励和检测单元断开。当运动数据信号被转发时，信号路由器710使频率测定仪220与结合的激励检测单元相连，并且同时将信号发生器230从结合的激励和检测单元断开。此外，信号路由器710可以将结合的激励和检测单元与信号发生器230和频率测定仪220两者断开。

在一些实施方案中，信号门740中的组件可以由分离的部件形成。在一些实施方案中，信号门740中的组件可以由单个部件形成。例如，逻辑块720可以形成于FPGA或ASIC中。信号路由器710可以是独立组件、集成到FPGA或ASIC中、与处理器逻辑块720集成到FGPA和ASIC中、或以其它方式配置。此外，在一些实施方案中，信号门740可以与信号发生器230、频率测定仪220或两者集成到FPGA或ASIC中。

图8示出根据一些实施方案的包含由单个数据控制器控制的多个弦控制器的系统800。系统800包括连接到第一、第二和第三弦控制器820、822、824的数据控制器810。弦控制器820、822、824中的每一个与图2中示出的弦控制器210相似，且每一个都具有与图2中示出的信号门240相似的信号门。因此，基于来自数据控制器810的信号，由每个弦控制器820、822、824产生的激励信号可以用于同时激励由每个弦控制器820、822、824分别振动的弦830、832、834。此外，利用信号门，运动数据信号可以基于来自数据控制器810的信号通过每个弦控制器820、822、824同时获得。因此，振弦830、832、834的时间同步激励和时间同步测量可以基于来自数据控制器810的信号通过弦控制器820、822、824来实施。

图9示出根据一些实施方案用于增加振弦振幅的方法900。方法900通过间歇地增加弦的振幅或激励弦来使得弦持续振动。在间歇的激励之间，可以检测振弦的运动和计算振弦的频率。通过使用间歇的激励，可以利用结合的激励和检测单元。

方法900可以包括计算910振弦的频率和计算920振弦的相位。在计算振弦的频率和相位之后，产生930激励信号，在一些实施方案中该激励信号可以是正弦信号，且其频率和相位与振弦的频率和相位相匹配。然后当弦在振弦周期的任意时刻振动时，利用激励信号来增加振弦的振幅，激励940振弦。

为了控制振弦的响应大小，也就是振弦的振幅，振弦可以通过选通激励信号而仅被激励预定数目的周期的激励信号。例如，在一些实施方案中，振弦可以被激励0、0.5、1、1.5、2或3个周期的激励信号。另外地或可选地，激励信号的振幅可以基于振弦的期望振幅来调节。此外，由于信号的频率和相位与振弦的相匹配，所以振弦的频率不会改变。

通过选通激励信号，与激励信号不同步的数据控制器可以控制何时振弦被激励时。这使得多个振弦测量仪的时间同步激励。此外，在一些实施方案中，运动数据信号可以由与振弦不同步的数据控制器选通和控制。这允许了多个振弦测量仪的时间同步测量。

应当理解，上述功能可以用数字组件、模拟组件或其结合来实施。此外，已经描述了关于振弦测量仪的各种实施方案。本文中描述的原理可以应用于其它共振结构，例如石英晶体微天平中。因而，公开的发明可以在不偏离其精神或本质特性的情况下以其它具体形式实施。此外，所述实施方案在所有方面都被认为是示例性而非限制性的。本发明的范围因此由所附的权利要求而不是由前面的描述所指明。落入该权利要求等价的意义和范围内的所有变化都包含在其范围之内。

Claims (17)

1.一种用于测量振弦测量仪中的弦的频率的系统，所述系统包括：

信号发生器，用于产生频率与所述弦的频率相匹配的信号；

激励单元，用于激励所述弦以增加所述弦的振幅，所述激励单元利用所述信号激励所述弦；

信号门，用于控制何时将所述信号发送到所述激励单元；

频率测定仪，用于确定所述弦的频率和相位；和

检测单元，用于检测所述弦的运动并向所述频率测定仪发送检测信号，

其中所述信号门间歇地向所述激励单元发送所述信号，但是具有足够的再发生以维持所述弦的持续振动。

2.权利要求1所述的系统，其中，所述信号产生为具有与所述弦的相位相匹配的相位。

3.权利要求1所述的系统，还包括数据控制器，用于从所述频率测定仪接收和存储所述弦的频率，并指示所述信号门向所述激励单元发送所述信号。

4.权利要求1所述的系统，其中，所述信号发生器控制所述信号的振幅，并且由此控制所述弦的振幅。

5.权利要求1所述的系统，其中，所述信号门在所述信号的周期期间的任意时刻向所述激励单元发送所述信号。

6.权利要求1所述的系统，其中，所述信号门控制被发送到所述激励单元的信号的周期的数目，并且由此控制所述弦的振幅。

7.权利要求1所述的系统，其中，所述信号门交替地进行向所述频率测定仪发送所述检测信号和向所述激励单元发送所述信号两者。

8.权利要求7所述的系统，其中，所述检测单元和所述激励单元都包含线圈，其中，检测单元线圈和激励单元线圈是相同的线圈。

9.一种用于激励振弦测量仪中的振弦的激励系统，所述系统包括：

信号发生器，用于产生与所述振弦的频率和相位相匹配的激励信号；

激励单元，用于当所述弦振动时在所述振弦的周期期间的任意时刻激励所述振弦，所述激励单元利用所述激励信号激励所述振弦，其中，激励所述振弦使所述振弦的振幅增加，同时保持所述振弦的频率和相位；

信号门，用于控制来自所述信号发生器的激励信号向所述激励单元的转发，其中，所述信号门间歇地转发所述激励信号，但是有足够的再发生以维持所述弦的持续振动；

频率测定仪，用于确定所述弦的频率和相位；和

检测单元，用于检测所述弦的运动并向所述频率测定仪发送检测信号。

10.权利要求9所述的系统，其中，所述激励单元包含线圈，其中，所述线圈利用所述激励信号来激励所述振弦并且检测所述弦的振动。

11.权利要求10所述的系统，其中，所述信号门交替地进行从所述激励单元向所述线圈转发激励信号和转发来自所述线圈的振动检测信号两者，其中，所述振动检测信号用于计算所述弦的频率。

12.一种用于控制多个振弦测量仪的振动的系统，所述系统包括：

如权利要求9中所记载的多个激励系统；和

数据控制器，其连接到所述多个激励系统的每一个的信号门，其中，所述数据控制器向信号门中的每一个发送时间同步的激励信号，以控制所述激励信号向每个所述激励系统的激励单元的传递。

13.一种用于在包括振弦测量仪的系统中增加振弦的振幅的方法，所述方法包括：

计算所述弦的频率；

产生频率与所述弦的频率相匹配的激励信号；

利用所述激励信号激励所述弦以增加所述弦的振幅；和

选通所述激励信号，以在选通信号未被接收时阻止所述激励信号激励所述弦，

其中所述选通信号被间歇地接收以使得能够在接收选通信号之间检测所述弦的运动，以及

其中所述选通信号被接收为足以维持所述弦的持续振动。

14.权利要求13所述的方法，还包括计算所述弦的相位，其中，所述激励信号产生为具有与所述弦的相位匹配的相位。

15.权利要求13所述的方法，其中，在所述弦振动时激励所述弦。

16.权利要求15所述的方法，其中，在所述弦的周期期间的任意时刻激励所述弦。

17.权利要求16所述的方法，其中，在所述选通信号被接收之后，所述弦被激励预定数目的弦的周期。