CN106706171A - 基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置及测量方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。它包括三弦振弦传感器、信号切换电路、升压模块、仪表放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、DSP控制器；本发明解决了针对多弦传感器的市场应用限制，在传统的测量技术上进行突破，解决了现有设备的测量局限性，能够实现无论是有线、无线监测方案，都可以在不增加硬件成本（测量通道数量、系统复杂度、体积、功耗、线缆铺设等）条件下解决多弦振弦式传感器的测量技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置及测量方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。
背景技术
现有技术：目前针对多根钢弦的振弦式传感器，如锚索计、多弦轴力计、应变计组等振弦原理的传感器，只能够一根钢弦匹配一个数据采集通道，如在地铁基坑监测中，一个监测断面通常需要4个三弦轴力计或多个应变计组，这样就会导致一个监测面至少需要12~16个通道的测量设备，导致成本、功耗、体积变大、走线复杂，非常不利于现场施工以及监测系统的可推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置及测量方法，通过改进传感器的信号线连接方式，只需要一个测量通道进行信号采样，再通过频域的计算方法在一次采集中，得到多根钢弦或多个振弦式传感器的频率值，减少了传感器的信号线缆、减少了采集设备的通道数量、从而解决了上述成本、功耗、体积等问题。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置，它包括三弦振弦传感器、信号切换电路、升压模块、仪表放大器、抗混叠滤波器、模数转换器、DSP控制器；
三弦振弦传感器连接信号切换电路，信号切换电路连接仪表放大器，仪表放大器连接抗混叠滤波器，抗混叠滤波器连接模数转换器，模数转换器连接DSP控制器，所述DSP控制器通过升压模块与信号切换电路连接；
三弦振弦传感器的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路。
一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，三弦振弦传感器的三根钢弦信号通过共用一根信号线连接到信号采集设备，并通过升压模块对其激振产生感应信号，再经过仪表放大器进行放大后再经过抗混叠滤波器进行滤波调理，最后通过模数转换器采样得到量化的数字信号经过DSP控制器进行FFT计算，并得出多根钢弦的频率值。
进一步的，三弦振弦传感器的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路。
进一步的，DSP控制器对模数转换器采集到的时域离散信号进行FFT运算并在频域中得到三根钢弦的频率值。
进一步的，升压模块经过信号切换电路对三弦振弦传感器进行激振。
进一步的，三弦振弦传感器产生的感应信号经过信号切换电路切换到仪表放大器。
本发明的原理，本发明原理介绍：因为振弦式传感器是通过电磁感应的原理，把钢弦的振动转换成交流弱电信号。它内部有两个核心部件，一个是线圈，一个是两端张紧的钢弦，钢弦与传感器的受力主体连接，当外界的被测结构物应力应变发生变化时，传递到钢弦上就是钢弦张力的变化，这个张力的大小跟钢弦振动的频率大小满足经典弦公式的要求，即T=4*m*ι2*f2
T―钢弦拉力
m―钢弦单位长度质量
ι―有效计算长度
f―一阶频率
线圈有两个作用，一个是作为激振器将采集设备发来的激振信号转换成对钢弦的垂直方向的拉力，类似于用手拨吉他的弦，这样就会把当前钢弦的固有频率给激发起来，另一个作用是作为拾振器将被磁化并且有阻尼振动的钢弦产生的感应电压信号发送给采集仪输入端。因为多根钢弦各自的振动是相互独立的机械运动，属于钢弦自身的固有频率，互不相关，所以可以将多弦传感器的线圈并联在一起，并通过同一个激振信号将所有钢弦同时激振，这样每根钢弦都激振起来后，各自在各自的钢弦的固有频率上振动并产生感应交流信号，每根钢弦的感应信号都使用公用的信号线进行传输，这样信号由原来的独立传输，变为线性叠加的方式传输，即x（t）= x1（t）+ x2（t）+ x3（t）+···。虽然叠加后的时域信号无法通过常规的时域信号处理方式如过零点检测、上升沿检测、脉宽检测等手段测量出每根钢弦的频率值，但是可以采用频谱转换技术（FFT），把采集设备通过模数转换器采样到的多个传感器的时域离散叠加信号转换到频谱中，并通过排序找最值算法得到目标信号的频率值，从而通过一次采样得到多根钢弦或多个传感器的频率值。本发明就是采用该方法，能够通过一次激振，同时测量多根钢弦的频率值，在不改变采集电路的基础上，还减少了传感器的线缆，如传统的三弦锚索计，共三个线圈，把一根线作为公共端的话也至少需要4芯线缆，而采用本方法的并联方式，三弦锚索计只需要两根线即可，而且能够实现三根弦的同步测量，减少了测量时间。这样通过上述方法，在测量多弦振弦式传感器时，无需升级测量系统增加额外的成本。
本发明的有益效果：
本发明专利解决了针对多弦传感器的市场应用限制，在传统的测量技术上进行突破，解决了现有设备的测量局限性，能够实现无论是有线、无线监测方案，都可以在不增加硬件成本（测量通道数量、系统复杂度、体积、功耗、线缆铺设等）条件下解决多弦振弦式传感器的测量技术难题。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明的FFT频域图；
图3为本发明的DSP程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述:
一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置，它包括三弦振弦传感器1、信号切换电路2、升压模块3、仪表放大器4、抗混叠滤波器5、模数转换器6、DSP控制器7；
三弦振弦传感器1连接信号切换电路2，信号切换电路2连接仪表放大器4，仪表放大器4连接抗混叠滤波器5，抗混叠滤波器5连接模数转换器6，模数转换器6连接DSP控制器7，所述DSP控制器7通过升压模块3与信号切换电路2连接；
三弦振弦传感器1的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路2。
一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，三弦振弦传感器1的三根钢弦信号通过共用一根信号线连接到信号采集设备，并通过升压模块3对其激振产生感应信号，再经过仪表放大器4进行放大后再经过抗混叠滤波器5进行滤波调理，最后通过模数转换器6采样得到量化的数字信号经过DSP控制器7进行FFT计算，并得出多根钢弦的频率值。
三弦振弦传感器1的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路2。
DSP控制器7对模数转换器6采集到的时域离散信号进行FFT运算并在频域中得到三根钢弦的频率值。
升压模块3经过信号切换电路2对三弦振弦传感器1进行激振。
三弦振弦传感器1产生的感应信号经过信号切换电路2切换到仪表放大器4。
本发明原理介绍：因为振弦式传感器是通过电磁感应的原理，把钢弦的振动转换成交流弱电信号。它内部有两个核心部件，一个是线圈，一个是两端张紧的钢弦，钢弦与传感器的受力主体连接，当外界的被测结构物应力应变发生变化时，传递到钢弦上就是钢弦张力的变化，这个张力的大小跟钢弦振动的频率大小满足经典弦公式的要求，即T=4*m*ι2*f2
T―钢弦拉力
m―钢弦单位长度质量
ι―有效计算长度
f―一阶频率
线圈有两个作用，一个是作为激振器将采集设备发来的激振信号转换成对钢弦的垂直方向的拉力，类似于用手拨吉他的弦，这样就会把当前钢弦的固有频率给激发起来，另一个作用是作为拾振器将被磁化并且有阻尼振动的钢弦产生的感应电压信号发送给采集仪输入端。因为多根钢弦各自的振动是相互独立的机械运动，属于钢弦自身的固有频率，互不相关，所以可以将多弦传感器的线圈并联在一起，并通过同一个激振信号将所有钢弦同时激振，这样每根钢弦都激振起来后，各自在各自的钢弦的固有频率上振动并产生感应交流信号，每根钢弦的感应信号都使用公用的信号线进行传输，这样信号由原来的独立传输，变为线性叠加的方式传输，即x（t）= x1（t）+ x2（t）+ x3（t）+···。虽然叠加后的时域信号无法通过常规的时域信号处理方式如过零点检测、上升沿检测、脉宽检测等手段测量出每根钢弦的频率值，但是可以采用频谱转换技术（FFT），把采集设备通过模数转换器采样到的多个传感器的时域离散叠加信号转换到频谱中，并通过排序找最值算法得到目标信号的频率值，从而通过一次采样得到多根钢弦或多个传感器的频率值。本发明就是采用该方法，能够通过一次激振，同时测量多根钢弦的频率值，在不改变采集电路的基础上，还减少了传感器的线缆，如传统的三弦锚索计，共三个线圈，把一根线作为公共端的话也至少需要4芯线缆，而采用本方法的并联方式，三弦锚索计只需要两根线即可，而且能够实现三根弦的同步测量，减少了测量时间。这样通过上述方法，在测量多弦振弦式传感器时，无需升级测量系统增加额外的成本。
本系统具体实现方式：多弦传感器（一般为3、4、6弦居多），在生产时，就将所有的线圈同名端并联在一起，另一端并联在一起，需避免三个线圈的同名端因没有接在一起而导致可能的信号相位差引起的抵消，最终传感器对外就是两根线缆。
信号链的前端是通过一个信号切换电路实现激振电压和信号采集进行切换的，按照采集过程，先将升压模块的输出电压加载到多弦传感器，并分别通过线圈同时激振多根钢弦，多根钢弦产生的叠加信号通过信号线返回到信号切换电路，同时DSP控制器将信号切换电路切换到仪表放大器，仪表放大器将传感器信号进行放大处理，提高信噪比便于后端电路处理。放大后的信号再经过抗混叠滤波器，一般设置为振弦式传感器的上限频率，如4000Hz作为抗混叠滤波器的截止频率，用于滤除信号带宽之外的干扰及噪声。经过放大滤波后的信号最后通过模数转换器进行采样编码并传输给DSP控制器。
DSP控制器能够实现高速硬件浮点计算，利于计算N值比较大的FFT运算，同时兼顾功耗和成本。
在DSP内部的信号处理时，如果两根或多根钢弦的振动频率接近或相同，那么在筛选最大值算法上，需要考虑该情况，一般信号经过放大后，幅值远大于本底噪声，可以通过设置噪声容限电压范围进行判断是信号还是噪声，如果最大幅值小于传感器的钢弦数量，那么说明有两根及以上的钢弦振动频率重叠，但这对我们最终的数据是没有任何影响的，因为我们取的是多根钢弦的平均值。
附图2显示了三根钢弦振动的频率再经过DSP内部FFT运算后的频谱图，可以明显的看到三根钢弦的频率值，这个频率值可以通过内部算法得到。
Claims (6)
1.一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量装置，其特征在于：它包括三弦振弦传感器（1）、信号切换电路（2）、升压模块（3）、仪表放大器（4）、抗混叠滤波器（5）、模数转换器（6）、DSP控制器（7）；
三弦振弦传感器（1）连接信号切换电路（2），信号切换电路（2）连接仪表放大器（4），仪表放大器（4）连接抗混叠滤波器（5），抗混叠滤波器（5）连接模数转换器（6），模数转换器（6）连接DSP控制器（7），所述DSP控制器（7）通过升压模块（3）与信号切换电路（2）连接；
三弦振弦传感器（1）的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路（2）。
2.一种基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，其特征在于：三弦振弦传感器（1）的三根钢弦信号通过共用一根信号线连接到信号采集设备，并通过升压模块（3）对其激振产生感应信号，再经过仪表放大器（4）进行放大后再经过抗混叠滤波器（5）进行滤波调理，最后通过模数转换器（6）采样得到量化的数字信号经过DSP控制器（7）进行FFT计算，并得出多根钢弦的频率值 。
3.根据权利要求2所述的基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，其特征在于：三弦振弦传感器（1）的三路信号并联成一路连接到采集装置的信号切换电路（2）。
4.根据权利要求2所述的基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，其特征在于：DSP控制器（7）对模数转换器（6） 采集到的时域离散信号进行FFT运算并在频域中得到三根钢弦的频率值。
5.根据权利要求2所述的基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，其特征在于：升压模块（3）经过信号切换电路（2）对三弦振弦传感器（1）进行激振。
6.根据权利要求2所述的基于频谱计算的多弦振弦式传感器的测量方法，其特征在于：三弦振弦传感器（1）产生的感应信号经过信号切换电路（2）切换到仪表放大器（4）。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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