CN105987711A - 针对振弦式传感器的数据采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对振弦式传感器的数据采集方法和装置，其中，所述装置包括：控制器；与所述控制器电连接且用于为振弦式传感器提供低电压激励信号的激发电路；与所述控制器电连接且用于检测和调理振弦式传感器的频率信号的信号检测调理电路；用于将激发电路和信号检测调理电路二者与不同振弦式传感器连接的多个通道；与所述控制器电连接且用于在所述控制器的控制下控制所述多个通道的连通和切断的驱动电路。采用本发明，不仅能针对多个振弦式传感器进行数据采集，提高采集效率，还能降低系统功耗和对振弦式传感器的损伤。

Description

针对振弦式传感器的数据采集方法和装置

技术领域

本发明涉及传感器领域，更具体而言，涉及一种针对振弦式传感器的数据采集方法和装置。

背景技术

随着振弦传感器的广泛应用，对振弦传感器的采集精度、稳定度、可靠性以及自动采集的要求也越来越高。

为了测量出振弦的固有频率，必须设法激发振弦振动，而为了保证传感器的可靠起振以保证采集精度，在现有技术中多采用提高激发电压的方式。这种方式存在以下弊端：激发电压越高，对传感器的损伤越大，容易导致传感器疲劳，降低使用寿命；升压装置相对复杂，不利于设备简化；激发电压越高，系统功耗越大，而高功耗的采集装置在应用上具有较大的局限性。例如，现有的在线式采集技术，其激发电压和系统整体功耗都比较高，需要市电补充电量或定期更换电池，给设备的应用带来了很大的局限性。

此外，目前已公开的采集装置/采集技术在一次采集过程中只能完成对一支传感器的数据采集，例如现有的手持式读数仪。这大大降低了针对振弦式传感器的数据采集效率。

发明内容

本发明提供一种针对振弦式传感器的数据采集方法和装置，不仅能够对多个振弦式传感器进行数据采集，提高数据采集效率，还能降低整体功耗和对振弦式传感器的损伤。

一方面，本发明实施例提供一种针对振弦式传感器的数据采集装置，包括：

控制器；

与所述控制器电连接且用于为振弦式传感器提供低电压激励信号的激发电路；

与所述控制器电连接且用于检测和调理振弦式传感器的频率信号的信号检测调理电路；

用于将激发电路和信号检测调理电路二者与不同振弦式传感器连接的多个通道；

与所述控制器电连接且用于在所述控制器的控制下控制所述多个通道的连通和切断的驱动电路。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，所述装置还包括：与所述控制器电连接且用于所述控制器与第三方装置进行数据传输的数据传输接口。

可选地，在本实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括：与所述驱动电路电连接，并且用于不同振弦式传感器之间的信号隔离以及所述激发电路和信号检测调理电路二者与各振弦式传感器之间的信号隔离，以及，用于在所述驱动电路的驱动下连通或切断所述激发电路和信号检测调理电路二者与振弦式传感器之间的连接的通道切换与信号隔离电路。

可选地，在本实施例的各种实现方式中，所述振弦式传感器包括：单线圈振弦式传感器和双线圈振弦式传感器。

另一方面，本发明实施例提供一种基于前文的数据采集装置进行数据采集的方法，包括：

控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号；

信号检测调理电路检测和调理所述振弦式传感器在所述低电压激励信号作用下产生的频率信号；

控制器基于信号检测调理电路调理后的频率信号进行数据处理。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，所述控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号，包括：所述控制器通过激发电路向所述连通有振弦式传感器的通道依次发送不同频段的低电压扫频信号。进一步地，所述控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理，可包括：所述控制器采用单周期法采集所述振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值；根据所述振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值，确定所述振弦式传感器的固有频率。

可选地，在本实施例的另一种实现方式中，所述控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号，包括：所述控制器通过激 发电路向所述连通有振弦式传感器的通道发送低电压定频激励信号，所述低电压定频激励信号的频率为预先确定的所述振弦式传感器的固有频率。进一步地，所述控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理，包括：所述控制器采用单周期法采集所述振弦式传感器在所述低电压定频激励信号作用下的输出频率值；根据所述振弦式传感器在所述低电压定频激励信号作用下的输出频率值进行判断，如果该输出频率值与所述固有频率的偏差不满足预设条件，或，如果该输出频率值所反映的振动状态未达到共振状态，则通过激发电路向所述连通有振弦式传感器的通道发送对应于所述固有频率的频段的低电压扫频信号，以便重新确定所述振弦式传感器的固有频率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)相对于现有的采用升压方式进行数据采集的技术而言，能够简化数据采集装置的结构。

2)通过为振弦式传感器提供低电压激励信号，降低了系统功耗和对振弦式传感器的损伤。在降低功耗的基础上，有利于将本发明提供的装置或方法应用于各种不同的场景，避免了因功耗问题带来的应用方面的局限性。

3)通过所述多个通道能够对多个振弦式传感器进行数据采集，提高数据采集效率；通过驱动电路驱动通道切换与信号隔离电路，能够灵活地控制各通道的连通和切断，从而针对性地对任意振弦式传感器进行数据采集。

4)采用不同频段的低电压扫频信号分频段地激发振弦式传感器，能够快速、准确地确定振弦式传感器的固有频率。

5)通过采用单周期采集方法，能够实现信号的快速拾取，并且使得本发明提供的装置不仅适用于单线圈振弦式传感器的信号采集，还适用于双线圈振弦式传感器的信号采集。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的数据采集装置的示意图；

图2是根据本发明的实施例2的数据采集装置的示意图；

图3A是根据本发明的实施例3的数据采集装置的示意图；

图3B是根据本发明的一种实施例的数据采集装置的示意图；

图4是根据本发明的实施例4的一种数据采集方法的流程示意图；

图5A是根据本发明的实施例5的一种数据采集方法的流程示意图；

图5B是一种扫频信号以及控制器采集到的信号的示意图；

图6是根据本发明的实施例6的一种数据采集方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的各个方面进行详细阐述。其中，众所周知的电路、连接方式、通信方式或数据处理过程没有示出或未作详细说明。并且，所描述的特征、架构或功能可在一个或一个以上实施方式中以任何方式组合。本领域技术人员应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。还可以容易理解，本文所述和附图所示的各实施方式中的模块或单元或步骤可以按各种不同配置进行组合和设计。

【实施例1】

图1是根据本发明的实施例1的数据采集装置的示意图。数据采集装置1用于针对振弦式传感器进行数据采集。参照图1，数据采集装置1包括控制器10、激发电路20、信号检测调理电路30、驱动电路40和多个通道，下面分别进行说明。

控制器10用于进行数据处理、程序存储与执行等方面的处理。激发电路20和信号检测调理电路30均与控制器10电连接。其中，激发电路20用于为振弦式传感器提供低电压激励信号，低电压激励信号包括低电压扫频信号和满足激发频率的低电压激励信号。信号检测调理电路30用于检测和调理振弦式传感器的频率信号，例如，检测振弦式传感器在低电压激励信号作用下产生的频率信号，并将检测到的频率信号转换为控制器10可处理的形式。

需要说明的是，本实施例中提及的“低电压激励信号”是指激励信号的激励电压为低电压，其中，“低电压”优选为5V或5V左右，例如，3～8V(例如，4V、6V、7V)等。当然，如果不考虑功耗问题和传感器的使用寿命问题，在其它实施例中也可以采用较高的激励电压(例如，高于8V)。此外，在其它实施例中还可以采用更低的电压(例如，低于3V)。

在本实施例中，数据采集装置1具有用于将激发电路20和信号检测调理电路30二者与不同振弦式传感器连接的多个通道。如图1所示，激发电路20和信号检测调理电路30与激励线圈的连接构成通道。与控制器10电连接的 驱动电路40，则用于在控制器10的控制下控制所述多个通道的连通和切断。

也就是说，本实施例中的数据采集装置1能够针对多个振弦式传感器进行数据采集，而不限于单个振弦式传感器。关于具体的数据采集方法将在下文进行说明。

采用本实施例提供的数据采集装置1，一方面，通过激发电路20为振弦式传感器提供低电压激励信号，降低了系统功耗和对振弦式传感器的损伤；另一方面，通过所述多个通道能够对多个振弦式传感器进行数据采集(例如，逐个地进行数据采集)，无需单个振弦式传感器地安装与拆卸，提高数据采集效率。

【实施例2】

图2是根据本发明的实施例2的数据采集装置的示意图。数据采集装置2用于针对振弦式传感器进行数据采集。参照图2，数据采集装置2除了包括控制器10、激发电路20、信号检测调理电路30、驱动电路40和多个通道之外，还包括通道切换与信号隔离电路50。

通道切换与信号隔离电路50与驱动电路40电连接，用于不同振弦式传感器之间的信号隔离以及激发电路20和信号检测调理电路30二者与各振弦式传感器之间的信号隔离，以及，用于在驱动电路40的驱动下连通或切断激发电路20和信号检测调理电路30二者与振弦式传感器之间的连接。在本实施例中，通道切换与信号隔离电路50可以看作所述多个通道的一部分，用于控制各通道的连通以及信号传输方式。

关于对所述多个通道的控制，更具体而言，控制器10按照内部程序指令发送通道选通信号作用于驱动电路40，驱动电路40驱动通道切换与信号隔离电路50，从而实现对各通道的连通与切断的控制。

本实施例提供的数据采集装置2，通过驱动电路40驱动通道切换与信号隔离电路50能够灵活地控制各通道的连通和切断，从而针对性地对任意振弦式传感器进行数据采集。

【实施例3】

图3A是根据本发明的实施例3的数据采集装置的示意图，数据采集装置3用于针对振弦式传感器进行数据采集。参照图3A，数据采集装置3除了包 括控制器10、激发电路20、信号检测调理电路30、驱动电路40和多个通道之外，还包括数据传输接口60。

数据传输接口60与控制器10电连接，用于控制器10与第三方装置进行数据传输。例如，控制器10通过数据传输接口60将自身保存的数据发送给外部采集装置，第三方装置通过数据传输结构60向控制器10写入用于承载采集策略的程序等。

为了降低功耗，数据采集装置3在通过数据传输接口60将采集到的数据传输给第三方装置之后，可以自动进入休眠状态并等待第三方装置的下一次采集命令。

本实施例提供的数据采集装置3能够通过数据传输接口60与外部通信，便于本领域技术人员将数据采集装置3灵活地应用于不同场景，应用范围广。

除了上述实施例，在本发明的另一种实施例中，例如图3B所示，数据采集装置可以同时具有控制器10、激发电路20、信号检测调理电路30、驱动电路40、多个通道、通道切换与信号隔离电路50和数据传输接口60。对于各部分的说明请参见前文相关说明，此处不赘述。

在本发明的各种装置实施例中，振弦式传感器可以是激励线圈和信号拾取线圈为同一线圈的单线圈振弦式传感器，也可以是双线圈振弦式传感器。一般地，双线圈振弦式传感器的工作流程如下：激励信号从激励线圈输入，传感器的输出信号从另外一个信号读取线圈拾取，信号拾取线圈的感应信号被放大后又送至激励线圈去补充振动的能量。其中，信号拾取线圈拾取的感应信号一部分被专门的放大电路放大以后用于激励和补充弦振动的能量，另一部分则需要信号检测及调理电路处理处理后实现信号的采集。而本实施例提供的数据采集装置在采用单周期采集方法时，可以实现信号的快速拾取，并用拾取信号直接驱动激励信号发生电路进而作用于双线圈振弦传感器的激励线圈，实现对振弦振动的能量的补充，从而通过简单的电路实现对双线圈振弦式传感器的信号采集。

在本发明的各种装置实施例中，数据采集装置可以采集多支振弦式传感器产生的频率信号，因此，当需要在复杂被测结构的相关组件的不同位置布置相对较多的传感器时，或者，当需要对被测结构获取基于不同振弦传感器的更多参数时，或者，当利用振弦传感器输出结果进行分析计算需要其它辅助参数时，本发明提供的装置都可以以最低的代价提供完整的解决方案。

【实施例4】

图4是根据本发明实施例的一种数据采集方法的流程示意图，所述方法具体是基于本发明实施例提供的数据采集装置对振弦式传感器进行数据采集的方法，参照图4，所述方法包括：

400：控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，数据采集装置在上电之后检测各通道的连通情况，即检测哪个/哪些通道连通有振弦式传感器，并向连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号。更具体而言，例如，逐个地为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，低电压激励信号包括低电压扫频信号和满足预先确定的固有频率(即，以预先确定的固有频率作为激发频率)的低电压定频激励信号，下文将就此进行详细说明。

402：信号检测调理电路检测和调理振弦式传感器在低电压激励信号作用下产生的频率信号。

404：控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理。例如，保存信号检测调理电路调理后的频率信号、基于调理后的频率信号进行计算确定下一次激励的激发频率、基于调理后的频率信号进行计算确定振弦式传感器的固有频率等。

采用本实施例提供的方法，一方面，通过采用低电压激励信号进行数据采集，在降低系统功耗的同时减少对于振弦式传感器的损伤；另一方面，能够对多个振弦式传感器进行数据采集，提高数据采集效率。

【实施例5】

图5A是根据本发明实施例的一种数据采集方法的流程示意图，所述方法具体是基于本发明实施例提供的数据采集装置对振弦式传感器进行数据采集的方法，参照图5A，所述方法包括：

500：控制器通过激发电路向连通有振弦式传感器的通道依次发送不同频段的低电压扫频信号。也就是说，本实施例中的低电压扫频信号可以分为多个频段，针对任一振弦式传感器，按频段将不同频段的低电压扫频信号依次 提供给该振弦式传感器。

502：信号检测调理电路检测和调理振弦式传感器在各频段的扫频信号的作用下产生的频率信号。调理后的信号由信号检测调理电路发送至控制器。

504：控制器基于采集到的频率信号进行数据处理，例如，进行以确定振弦式传感器的固有频率为目的的数据处理。

具体而言，控制器采用单周期法采集振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值，并根据振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值，确定振弦式传感器的固有频率。例如，控制器采集并记录振弦式传感器对应于3个频段的共30个输出频率值(1个频段对应10个输出频率值)，根据每个频段的输出频率值的变化情况判断振弦式传感器在每个频段的振动状态，选取振动状态最优(即，最接近共振状态)的频段中的输出频率值进行计算(例如，求平均值)得到固有频率。控制器保存该振弦式传感器的固有频率，并且可以将当前确定的固有频率作为下次激振该振弦式传感器的激发频率。

其中，所述单周期法是指利用高速计数器配合单片机的上升下降沿外部中断触发功能，精确测量两个上升沿或者两个下降沿之间的时间，通过计算得到待测信号的频率。

示例性地，一种扫频信号以及控制器采集到的信号的示意图如图5B所示。

本实施例提供的方法可以理解为实施例4的一种具体实现方式，其中，控制器进行数据处理的结果为每个振弦式传感器的固有频率，也可以作为下次激发各振弦式传感器的激发频率。

采用本实施例提供的方法，通过分频段地发送低电压扫频信号，不仅能够节省功耗、降低对振弦式传感器的损伤，还有利于控制器追踪振弦式传感器在扫频激励过程中的频率变化以及准确识别振弦式传感器的共振状态。在准确确定固有频率的同时，为后续更可靠地起振振弦式传感器提供了频率参考。

【实施例6】

图6是根据本发明实施例的一种数据采集方法的流程示意图，所述方法具体是基于本发明实施例提供的数据采集装置对振弦式传感器进行数据采集的方法，参照图6，所述方法包括：

600：控制器通过激发电路向连通有振弦式传感器的通道发送低电压定频激励信号，该低电压定频激励信号的频率为预先确定的所述振弦式传感器的固有频率。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，所述固有频率可以通过实施例5确定。

602：信号检测调理电路检测和调理振弦式传感器在低电压定频激励信号作用下产生的频率信号。

604：控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理。

更具体而言，控制器采用单周期法采集振弦式传感器在低电压定频激励信号作用下的输出频率值，并根据采集到的输出频率值进行判断。如果采集到的输出频率值与所述固有频率的偏差不满足预设条件，或者，如果该输出频率值所反映的振动状态未达到共振状态，则说明振弦式传感器发生了变化。

例如，当采集到的输出频率值为一个时，如果其与在先确定的固有频率的偏差超过预设范围，则确定振弦式传感器发生了变化。再例如，当采集到的输出频率值为多个时，如果其中超过设定个数的输出频率值与所述固有频率的偏差超出预设范围，或，如果所述多个输出频率值的平均值与所述固有频率的偏差超出预设范围，则确定振弦式传感器发生了变化。再例如，当采集到的输出频率值为多个时，根据该多个输出频率值确定振弦式传感器的振动状态，如果未达到共振状态，则确定振弦式传感器发生了变化，如果达到共振状态，则确定振弦式传感器未发生变化；等。

需要说明的是，在本实施例中，振弦式传感器的振动状态达到共振状态，并不表示振弦式传感器的振动状态必须与理论上的共振状态完全一致，而是允许合理地偏差。

在确定振弦式传感器发生变化的情况下，控制器通过激发电路向连通有振弦式传感器的通道发送对应于所述固有频率的频段的低电压扫频信号，以便重新确定振弦式传感器的固有频率。之所以发送对应于所述固有频率的频段的低电压扫频信号，是基于振弦式传感器发生变化后的固有频率大多在变化前的固有频率附近的考虑，这样有利于更快地确定变化后的固有频率。当然，在其它实施例中，也可以像实施例5中那样依次发送分频段的低电压扫频信号并进行后续处理。

可选地，在本实施例的一种实现方式中，可以将通过处理604确定的固有频率作为下次激振的激发频率。

采用本实施例提供的方法，能够准确、高效地测定振弦式传感器的固有频率。

以上结合具体实施方式对本发明进行了说明，这些具体实施方式仅仅是示例性的，不能以此限定本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明实质的前提下可以进行各种修改、变化或替换。因此，依照本发明所作的各种等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种针对振弦式传感器的数据采集装置，其特征在于，所述装置包括：

控制器；

与所述控制器电连接且用于为振弦式传感器提供低电压激励信号的激发电路；

与所述控制器电连接且用于检测和调理振弦式传感器的频率信号的信号检测调理电路；

用于将激发电路和信号检测调理电路二者与不同振弦式传感器连接的多个通道；

与所述控制器电连接且用于在所述控制器的控制下控制所述多个通道的连通和切断的驱动电路。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与所述控制器电连接且用于所述控制器与第三方装置进行数据传输的数据传输接口。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与所述驱动电路电连接，并且用于不同振弦式传感器之间的信号隔离以及所述激发电路和信号检测调理电路二者与各振弦式传感器之间的信号隔离，以及，用于在所述驱动电路的驱动下连通或切断所述激发电路和信号检测调理电路二者与振弦式传感器之间的连接的通道切换与信号隔离电路。

4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述振弦式传感器包括：单线圈振弦式传感器和双线圈振弦式传感器。

5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的数据采集装置进行数据采集的方法，其特征在于，所述方法包括：

控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号；

信号检测调理电路检测和调理所述振弦式传感器在所述低电压激励信号作用下产生的频率信号；

所述控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号，包括：

所述控制器通过激发电路向所述连通有振弦式传感器的通道依次发送不同频段的低电压扫频信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理，包括：

所述控制器采用单周期法采集所述振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值；

根据所述振弦式传感器在每个频段的多个输出频率值，确定所述振弦式传感器的固有频率。

8.如权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制器通过激发电路为连通有振弦式传感器的通道提供低电压激励信号，包括：

所述控制器通过激发电路向所述连通有振弦式传感器的通道发送低电压定频激励信号，所述低电压定频激励信号的频率为预先确定的所述振弦式传感器的固有频率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制器采集信号检测调理电路调理后的频率信号并基于采集到的频率信号进行数据处理，包括：

所述控制器采用单周期法采集所述振弦式传感器在所述低电压定频激励信号作用下的输出频率值；

根据所述振弦式传感器在所述低电压定频激励信号作用下的输出频率值进行判断，如果该输出频率值与所述固有频率的偏差不满足预设条件，或，如果该输出频率值所反映的振动状态未达到共振状态，则通过激发电路向所述连通有振弦式传感器的通道发送对应于所述固有频率的频段的低电压扫频信号，以便重新确定所述振弦式传感器的固有频率。