CN104483016B - 一种振动信号的完整采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振动信号的完整采集方法及系统，包括：从初始时刻开始，幅值判断模块比较接收模块所接收到的振动信号的幅值是否大于等于幅值设定阈值，如果大于，则将后续接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次写入到非临时存储区域；如果小于，则通过循环存储器存储振动信号。优点为：实现了振动信号采集系统的提前预采样，从而可得到触发信号到达时的起振点信号的完整性，由于所得到的振动波形数据均为实际采集到的真实数据，而不是通过复原技术获得，因此，保证了首个振动信号所包含的振动信息的精确性，避免对丢失的前端的振动信号进行复原时所引入的噪声和干扰。

Description

一种振动信号的完整采集方法及系统

技术领域

本发明属于振动信号采集技术领域，具体涉及一种振动信号的完整采集方法及系统。

背景技术

振动信号采集系统已广泛应用于多种应用领域，例如，可应用于桥梁等结构健康无损检测领域，通过对采集到的振动信号进行分析，可获得结构质量状态信息，如，估计混凝土构件强度、确定裂缝和断裂程度以及可能发生的质量恶化程度等。

以对桥墩进行无损检测为例，现有振动信号采集系统主要包括振动传感器与振动采集仪，其主要工作过程为：在桥墩的端部布置振动传感器，振动传感器的输出端与振动采集仪连接，振动采集仪预设置采样时间长度以及触发信号幅值；然后，启动振动传感器与振动采集仪，振动传感器实时将采集到的振动信号传输给振动采集仪，振动采集仪对接收到的每个振动信号幅值进行判断，如果所接收到的振动信号幅值小于触发信号幅值，则舍弃该振动信号，如果当某一振动信号幅值大于等于触发信号幅值时，则该振动信号即为触发信号，将接收到触发信号的时刻记为初始采样时间点，初始采样时间点也称为起振点；设初始采样时间点t＝0；然后，从初始采样时间点开始，将后续接收到的每个振动信号均存储，直到从初始采样时间点开始的采样时间长度达到预设置采样时间长度时，停止测量。假设预设置采样时间长度为10.2秒，则可得到图1所示的振动信号采集波形示意图。

结合图1，将初始采样时间点t＝0接收到的第1个振动波信号记为起振点信号，即图1中的振动波Z，其为不完整振动波形，丢失了前端的部分波形，而由于起振点信号也常常包含与结构健康状态密切相关的信息，因此，现有技术中，为解决起振点信号波形不完整的问题，普遍采用以下两种措施：措施一，通过一些数字信号处理技术，实现对振动信号起振点丢失部分的“复原”。该种方式存在的主要问题为：复原后得到的波形仅为理论上推测出的波形，与实际波形之间仍然会存在差异，因此，无法适用于需要对振动信号进行精密分析的应用领域。措施二，在原有采样系统上，额外增加传感器和驱动电路，将振动信号进行延迟，当振动采集仪的采样过程被触发后，再将振动信号输入到振动采集仪并存储。但是，随着振动信号带宽的不断提高，该种方法对振动信号的劣化也越来越严重，降低了振动信号的质量。此外，额外增加传感器和驱动电路，也增加了采样系统的设计复杂度以及采样成本，具有较大的使用局限性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种振动信号的完整采集方法及系统，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种振动信号的完整采集方法，应用于由振动传感器和振动采集仪组成的系统中；所述振动信号的完整采集方法包括以下步骤：

S1，所述振动采集仪预设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

S2，所述振动采集仪和所述振动传感器上电启动后，从t＝0开始，所述振动传感器实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；

S3，所述振动采集仪对所接收到的每个所述振动信号进行分析，获得所述振动信号的幅值M1；

然后，判断M1是否大于等于M，如果M1大于等于M，则所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述振动采集仪将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次存储到非临时存储区域；

如果M1小于M，则所述振动采集仪判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

S4，当达到采样时间长度T后，数据采集过程结束；将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号。

本发明还提供一种振动信号的完整采集系统，包括振动传感器和振动采集仪；

所述振动传感器用于从t＝0开始实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；

所述振动采集仪包括：

初始参数设置模块，用于设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

接收模块，用于从t＝0开始，实时接收所述振动传感器上传的振动信号；

幅值判断模块，用于分析出所述接收模块接收到的每个所述振动信号的幅值M1，然后，判断M1是否大于等于M；

第一写入模块，用于当所述幅值判断模块判断结果为是时，则所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述第一写入模块将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次写入到非临时存储区域；

临时存储控制器，用于当所述幅值判断模块判断结果为否时，所述临时存储控制器接收待写入的振动信号；然后，判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

输出模块，用于当达到采样时间长度T后，将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号；然后，输出所述完整的振动信号。

本发明提供的振动信号的完整采集方法及系统，具有以下优点：

(1)实现了振动信号采集系统的提前预采样，从而可得到触发信号到达时的起振点信号的完整性，由于所得到的振动波形数据均为实际采集到的真实数据，而不是通过复原技术获得，因此，保证了首个振动信号所包含的振动信息的精确性，避免对丢失的前端的振动信号进行复原时所引入的噪声和干扰。

(2)可根据实际测试精度，灵活调整各个初始设置参数，具有使用灵活的优点；而且，还具有整个系统设计简单、开销小的优点。

附图说明

图1为现有技术提供的振动信号采集系统采集到的波形示意图；

图2为本发明提供的振动信号采集方法的流程示意图；

图3为本发明非临时存储区域采集到的振动信号的波形图；

图4为本发明临时存储区域采集到的振动信号的波形图；

图5为本发明临时存储区域采集到的有用的振动信号的波形图；

图6为将图5与图3结合后得到的完整振动信号波形图；

图7为用于与图1对比的本发明振动信号采集系统采集到的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图2所示，本发明提供一种振动信号的完整采集方法，应用于由振动传感器和振动采集仪组成的系统中；所述振动信号的完整采集方法包括以下步骤：

S1，所述振动采集仪预设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

例如，可设置采样时间长度T＝11秒；可临时存储采样数据的上限值N＝20条，即：最多可临时存储20条采样数据；触发前可用数据长度L1为10，即：触发前的最后10条采样数据有效可用。

S2，所述振动采集仪和所述振动传感器上电启动后，从t＝0开始，所述振动传感器实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；其中，采集到的每个振动信号即为一个采样数据。

S3：

S3.1，所述振动采集仪对所接收到的每个所述振动信号进行分析，获得所述振动信号的幅值M1；

S3.2，判断M1是否大于等于M，如果M1大于等于M，则执行S3.3；如果小于，则执行S3.4；

S3.3，所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述振动采集仪将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次存储到非临时存储区域；

例如，t1＝2秒，则：从2秒到11秒之间的所有振动信号均存储到非临时存储区域。可得到图3所示的非临时存储区域采集到的振动信号的波形图。

S3.4，所述振动采集仪判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

也就是说，对于从0-2秒之间接收到的所有振动信号，其幅值均小于M，均为非常微弱的振动信号，本发明中，对于这部分非常微弱的振动信号，采用循环存储器进行存储，假设0-2秒共接收到30个振动信号，分别记为：P1、P2…P30，仍然设上限值N＝20，则：30个振动信号的存储过程为：首先将P1存储到非临时存储区域的位置1，然后，将P2存储到非临时存储区域的位置2，依此类推，将P20存储到非临时存储区域的位置20；此时，非临时存储区域已满，不存在空闲空间；因此，当需要存储P21时，首先将位置1的振动信号P1删除，释放存储空间，且将原位置1更新为位置21，然后，将振动信号P21存储到位置21，依此类推，不断对后续的各个振动信号进行存储，保证临时存储触发信号之前的最近的20个振动信号，通过这20个振动信号，即可保证触发信号到达时的起振点信号的完整性。

在具体实现上，临时存储区域可采用循环存储器实现。

假设在当前采样频率fs下，临时存储区域最大存储的采样数量为M，而M个采样数据的采样时间长度为△t1秒，则在触发信号到达前，可得到临时存储区域所存储的采样数据的波形图，即为图4。当设置触发前可用数据长度为L1时，可计算得到触发前采样时间间隔△t2，因此，在图4中，以t1为起点逆向选取△t2长度的数据，可得到图5所示的采样数据的波形图。

S4，当达到采样时间长度T后，数据采集过程结束；将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号。

如图6所示，为将图5与图3结合后得到的完整振动信号波形图。在图6中，t1为触发信号到达时刻，M为触发信号幅值；传统的振动信号采集方法，只可以采集到从t1到T时间的振动数据，可见，触发信号到达时的起振点信号的波形为非完整波形。而本发明通过对振动信号预采集，可得到触发信号到达时的起振点信号波形为完整波形的波形图。

再例如，对于图1，为采用现有技术提供的振动信号采集系统采集到的波形示意图；而图7为本发明提供的振动信号采集系统采集到的波形示意图；通过比较图1和图7，可以进一步看出，本发明可得到触发信号到达时的起振点信号波形为完整波形的波形图。

实际应用中，根据振动信号测试精度要求，灵活设置各初始参数值，包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；以及，灵活设置振动传感器的采样频率fs。一般情况下，采样频率fs越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号，但是，采样频率fs越高，系统开销越大，因此，需要兼顾计算机存储量和计算工作量，设置适当的采样频率，满足振动信号测试精度要求。同样的，初始参数T、N、M和L1的值，也在采样精度和系统开销之间进行平衡后，灵活选择即可。

参考图7，为本发明振动信号采集系统采集到的波形示意图，PX代表触发信号，由图7可以看出，本发明中，可有效采集并存储触发信号到达之前的预设长度的采样信号，从而可获得触发信号到达时的首个振动信号的完整振动波形。由于所获得的首个振动信号的完整振动波形均为实际采集数据，而不是通过复原技术获得，因此，保证了首个振动信号所包含的振动信息的精确性。另外，本发明仅通过简单的设置一个循环存储器，即可实现触发信号前设置长度采样数据的存储，因此，具有采样系统的设计简单以及采样成本低的优点。

本发明还提供一种振动信号的完整采集系统，包括振动传感器和振动采集仪；

所述振动传感器用于从t＝0开始实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；

所述振动采集仪包括：

初始参数设置模块，用于设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

接收模块，用于从t＝0开始，实时接收所述振动传感器上传的振动信号；

幅值判断模块，用于分析出所述接收模块接收到的每个所述振动信号的幅值M1，然后，判断M1是否大于等于M；

第一写入模块，用于当所述幅值判断模块判断结果为是时，则所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述第一写入模块将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次写入到非临时存储区域；

临时存储控制器，用于当所述幅值判断模块判断结果为否时，所述临时存储控制器接收待写入的振动信号；然后，判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

输出模块，用于当达到采样时间长度T后，将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号；然后，输出所述完整的振动信号。

本发明所提供的振动采集仪所涉及到的各个功能模块，在实际应用中，即可以通过硬件实现，也可以通过软件借助必要的通用硬件平台的方式实现。例如，对于临时存储控制器，可采用存储空间为16byte的前置寄存器，通过一个16位计数器控制前置寄存器的写入地址和读出地址，当系统上电开机后，写入时钟驱动计数器开始计数，并将振动传感器传输的各个未达到触发信号幅值的振动信号依次存入计数器选择的存储地址上；非临时存储区域可采用主寄存器实现，当接收到触发信号时，先关闭前置寄存器的写入功能，然后，将触发信号之后的所有振动信号均存储到主寄存器。

对于幅值判断模块，可采用触发电路实现。

对于输出模块，当需要输出完整的振动信号时，读出时钟开始控制计数器计数，从而从前置寄存器中按顺序读出最近的若干个数据；例如，当采用16byte的前置寄存器时，触发信号到达时，假设前置寄存器的最新数据存储在第11个存储位置，则：首先读出前置寄存器第12个存储位置中的采样数据，之后依次将后续的15个采样数据取出，计数器开始计数的同时，读出时钟也控制着另外一个辅助的16位计数器开始计数，这样，当辅助计数器完成一轮计数后，触发时刻之前的最近的16个采样数据均按照正常时序读出。然后，关闭前置寄存器的输出，接通主寄存器的输出，从而保证采样后的全部数据能够按照正常的时序输出，实现了提前采样的功能。

综上所述，本发明提供的振动信号的完整采集方法及系统，具有以下优点：

(1)实现了振动信号采集系统的提前预采样，从而可得到触发信号到达时的起振点信号的完整性，由于所得到的振动波形数据均为实际采集到的真实数据，而不是通过复原技术获得，因此，保证了首个振动信号所包含的振动信息的精确性，避免对丢失的前端的振动信号进行复原时所引入的噪声和干扰。

(2)可根据实际测试精度，灵活调整各个初始设置参数，具有使用灵活的优点；而且，还具有整个系统设计简单、开销小的优点。

可见，本发明提供的振动信号的完整采集方法及系统，可广泛应用于基桩完整性检测、锚杆(索)长度检测、钢筋笼长度检测等结构测试领域，实现对相关结构的精密测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种振动信号的完整采集方法，其特征在于，应用于由振动传感器和振动采集仪组成的系统中；所述振动信号的完整采集方法包括以下步骤：

S1，所述振动采集仪预设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

S2，所述振动采集仪和所述振动传感器上电启动后，从t＝0开始，所述振动传感器实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；

S3，所述振动采集仪对所接收到的每个所述振动信号进行分析，获得所述振动信号的幅值M1；

然后，判断M1是否大于等于M，如果M1大于等于M，则所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述振动采集仪将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次存储到非临时存储区域；

如果M1小于M，则所述振动采集仪判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

S4，当达到采样时间长度T后，数据采集过程结束；将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号。

2.一种振动信号的完整采集系统，其特征在于，包括振动传感器和振动采集仪；

所述振动传感器用于从t＝0开始实时采集振动信号，并将采集到的振动信号实时传输给所述振动采集仪；

所述振动采集仪包括：

初始参数设置模块，用于设置初始参数值，所述初始参数值包括采样时间长度T、可临时存储采样数据的上限值N、触发信号幅值M以及触发前可用数据长度L1；

接收模块，用于从t＝0开始，实时接收所述振动传感器上传的振动信号；

幅值判断模块，用于分析出所述接收模块接收到的每个所述振动信号的幅值M1，然后，判断M1是否大于等于M；

第一写入模块，用于当所述幅值判断模块判断结果为是时，则所述振动信号即为触发信号，设接收到所述触发信号的时间点为t1，则：所述第一写入模块将从t1时间点至T时间点内接收到的所有振动信号，按各振动信号接收时间的先后顺序，依次写入到非临时存储区域；

临时存储控制器，用于当所述幅值判断模块判断结果为否时，所述临时存储控制器接收待写入的振动信号；然后，判断临时存储区域当前所存储的采样数据的数量是否达到上限值N，如果未达到上限值N，则将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置，即：所述临时存储区域按采样时间的先后顺序，对所存储的采样数据进行排序存储；如果已达到上限值N，则删除所述临时存储区域中排序最靠前的一个采样数据，然后，将当前接收到的所述振动信号存储到所述临时存储区域，且位于所述临时存储区域已存储的采样数据的后面位置；

输出模块，用于当达到采样时间长度T后，将从所述临时存储区域中读取的排序最靠后的长度为L1的采样数据以及从所述非临时存储区域读取的所有采样数据相结合，即得到完整的振动信号；然后，输出所述完整的振动信号。