CN106802161A - 振弦式传感器的激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开振弦式传感器的激励方法，当激励电压为高压时采用高压脉冲激励方法，当激励电压为低压时采用固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，下次激励时直接使用最优激励方法进行传感器激励，最优激励方法是当原始信号幅值在达到规定的强度前提下，结合信号幅度探测器和程控放大器反算原始信号幅度且经信号采集评估后各项指标均为优质值。
Description
技术领域
本发明属于电子技术和工程监测的技术领域，具体地涉及振弦式传感器的激励方法，主要用于使振弦式传感器的钢弦振起来。
背景技术
振弦式传感器也叫做钢弦式传感器，是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强(近距离)、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。其输出为频率信号(一般为mV级正弦波)，广泛应用于岩土、混凝土、钢结构工程测试中。
钢弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生振动，振动的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势，感应电势(钢弦切割磁力线，在线圈中产生微弱电信号)的频率就是振弦的共振频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力成线性关系，因此测得钢弦的共振频率即可求出待测钢弦的绷紧程度(张拉应力)，利用这一特性，制作出各式各样的传感器，如压力、位移等，压力或位移的改变导致钢弦绷紧程度发生变化，其共振频率也相应发生改变，测量频率值即可计算出传感器所受的压力或位移值。钢弦的“绷紧”程度即是钢弦的应力状态，钢弦应力与其共振频率满足公式
上式中：
f：钢弦的频率值
L：钢弦长度
σ：钢弦所受到的张拉应力
ρ：钢弦材料的密度
对于已经制作完成的钢弦传感器，钢弦的长度、钢弦材料的密度为已知量，故此，钢弦受到的张拉应力与钢弦共振频率有一一对应关系，张拉应力受到传感器外部环境的影响(如压力)而改变，从而通过频率值即可计算出外部环境的值。
这类传感器有两种形式：一种是双线圈，其中一个线圈是激振线圈，激振振弦让钢弦振动起来，另一个是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转换为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。单线圈振弦式传感器使用中主要解决两个问题：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起来；第二，拾振方法，包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分。
振弦式读数仪主要解决两个问题：怎样让钢弦振起来以及怎样获取钢弦振起来后产生的频率值。本发明是解决第一个问题的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供振弦式传感器的激励方法，其能够根据实际情况采用最优的激励方案，从而和钢弦振动频率读取装置配合使用，达到快速连续测量的目的。
本发明的技术解决方案是：这种振弦式传感器的激励方法，当激励电压为高压时采用高压脉冲激励方法，当激励电压为低压时采用固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，下次激励时直接使用最优激励方法进行传感器激励，最优激励方法是当原始信号幅值在达到规定的强度前提下，结合信号幅度探测器和程控放大器反算原始信号幅度且经信号采集评估后各项指标均为优质值。
本发明采用高压脉冲激励方法、固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，因此能够根据实际情况采用最优的激励方案，从而和钢弦振动频率读取装置配合使用，达到快速连续测量的目的。
附图说明
图1是根据本发明的振弦式传感器的激励方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，这种振弦式传感器的激励方法，当激励电压为高压时采用高压脉冲激励方法，当激励电压为低压时采用固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，下次激励时直接使用最优激励方法进行传感器激励，最优激励方法是当原始信号幅值在达到规定的强度前提下，结合信号幅度探测器和程控放大器反算原始信号幅度且经信号采集评估后各项指标均为优质值。
本发明采用高压脉冲激励方法、固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，因此能够根据实际情况采用最优的激励方案，从而和钢弦振动频率读取装置配合使用，达到快速连续测量的目的。
另外，所述高压脉冲激励方法包括以下步骤：
(1.1)由用户指定期望高压寄存器值、泵压最大时长寄存器值；
(1.2)在MCU控制下，断开高压切换开关；
(1.3)按照寄存器的数值，驱动直流泵压器进行升压，与此同时，高压采样器连续对泵压器的输出电压进行检测，当达到寄存器规定的电压值或泵压时长超过泵压最大时长寄存器值时，跳转到步骤(1.4)；
(1.4)停止泵压；
(1.5)接通高压切换开关，使高电压脉冲信号传输给振弦传感器线圈。线圈对钢弦施放较强磁脉冲，使钢弦产生自振；
(1.6)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析、刷新输出数据，断开高压切换开关。
另外，所述固定频率低压扫频激励法包括以下步骤：
(2.1)MCU读取寄存器扫频起始频率、自增扫频周期数量的值；
(2.2)MCU控制低压扫频器发送指定周期数量的低压激励信号。
另外，所述步进式低压定值扫频激励法包括以下步骤：
(3.1)MCU读取对应的上、下限频率寄存器的值、步进频率值、每个频率重复的周期数量；
(3.2)将扫频频率设置为下限寄存器的值；
(3.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2)；
(3.4)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析，信号质量达到预定要求时，跳转到步骤(3.6)；
(3.5)扫频频率值增加一个步进数量，检查有无超过频率上限寄存器的值，若未超过进行步骤(3.3)，否则进行步骤(3.6)；
(3.6)刷新输出数据，结束本次扫频。
另外，所述渐变式低压扫频激励法包括以下步骤：
(4.1)MCU读取寄存器对应的上、下限频率寄存器的值、步进频率值、每个频率重复的周期数量；
(4.2)将扫频频率设置为下限寄存器的值；
(4.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤2；
(4.4)扫频频率值增加一个步进数量，检查有无超过频率上限寄存器的值，若未超过进行步骤(4.3)，否则进行步骤(4.6)；
(4.5)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析；
(4.6)刷新输出数据，结束本次扫频。
另外，所述步进式低压渐变扫频激励法与所述步进式低压定值扫频激励法步骤相同，只是将每个步进的固定频率值改为本步进段上下限的渐变式低压扫频激励法；将每一个步进的渐变频率扫描过程分为连续的10等分，自动计算出每份的时间长度，每个步进扫描控制在500ms以内。所述二分式低压渐变扫频激励法与所述二分式低压定值扫频激励法步骤相同，只是将原来的二等分后的中值固定值变为此段上下限的渐变式低压扫频激励法；将每一个步进的渐变频率扫描过程分为连续的10等分，自动计算出每份的时间长度，每个步进扫描控制在500ms以内。
另外，所述二分式低压定值扫频激励法包括以下步骤：
(5.1)MCU读取寄存器对应的上、下限频率寄存器的值、每个频率重复的周期数量、精准激励频率范围值；
(5.2)将频率范围平分为两段，分别计算出两段的中间频率值f1、f2；
(5.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2),控制低压扫频器发送指定周期数量的f1频率的激励信号；
(5.4)检测并读取传感器的返回信号，进行信号幅度检测，记录为v1；
(5.5)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2),控制低压扫频器发送指定周期数量的f2频率的激励信号；
(5.6)检测并读取传感器的返回信号，进行信号幅度检测，记录为v2；
(5.7)将v1和v2进行比较，保留值较大的一段频率范围，判断频率范围是否达到精准激励频率范围值，未达到则跳转到步骤(5.2)，达到则跳转到步骤(5.8)；
(5.8)使用步骤(5.7)中保留的频率范围中间值，执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2)，控制低压扫频器发送指定周期数量的激励信号；
(5.9)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析；
(5.10)刷新输出数据，结束本次扫频。
另外，所述低压预激振精准扫频激励法，先使用指定的电压进行一次单脉冲激励，根据返回的粗略信号计算出大致的钢弦自振频率范围，再使用中值进行精准扫频激励。
另外，低压扫频时，使用模块内部时间基准计算扫频频率，内部时间基准应根据对应寄存器进行计时准确度修正，在生成扫频信号前要进行温度补偿修正。
另外，所述同相反馈连续激励法为：滤波放大器与低压扫频器连接，低压扫频器有一路受MCU控制的开关，将放大后的正弦波信号反馈给传感器的线圈，经由高压阻尼传递给振弦传感器的线圈；在读取信号过程中，将上述开关打开一个信号周期的时间，放大后的正弦信号同相反馈施加到传感器线圈上，进行钢弦自振过程中的补充激励，由于此幅值较高的正弦波与传感器正在输出的正弦波相位相同，可实现振动中的二次激励，使钢弦振动不断得到加强，再读取、再开关上述开关，如此周而复始，实现钢弦振动永不停止。
需要特别说明的是，当扫频开始时，若发现当前寄存器参数设置不合理时，会自动启动调整程序。以下列举几种参数不合理的情况：
(1)步进式低压定值扫频激励法时，设置的低压扫频上下限超过200Hz或(和)步进值过小或(和)周期数量过多导致一次扫描激励时长超过500ms时；
(2)步进式低压定值扫频激励法时，设置的步进值过大或(和)周期数量不足导致可能发生遗漏振弦传感器钢弦自有频率而无法激振时。
自动调整程序以步进差控制在5Hz以内并且扫描信号中每5Hz输出信号不低于50个并且总时长不大于500ms为基本原则，将原参数细分为几段递归调用原函数模块，直到读取到符合要求的传感器信号或递归调用结束。
对于内部集成有数字温度传感器DS18B20的一类振弦传感器，本模块支持传感器自振频率存储功能。对于这类传感器的激励和数据读取流程如下：
(1)首先读取温度传感器的全球唯一序列号(64位，由厂家写入，每一支传感器具有全球唯一序列号)；
(2)读取传感器温度；
(3)检索存储器中有无此传感器的自振频率记录，若有，跳转到步骤4，若没有，跳转到步骤(6)；
(4)按照数字温补钢弦激励方法寄存器规定的激励方法进行扫频信号发送；
(5)读取、计算、分析传感器频率信号，更新相关寄存器的值；
(6)若信号质量满足要求，则将当前传感器序列号和自振频率值添加到已有传感器列表。
这种方法可实现快速精准激励传感器。
数字传感器记录表存储于存储器内，包括自振频率数据表和报警信息数据表。
数字传感器是指内部安装有数字温度传感器的一类振弦传感器，使用数字温度传感器DS18B20的全球唯一序列号识别传感器。
自振频率数据表结构如表1。
| 序列号 | 自振频率上限 | 自振频率下限 |
表1
当传感器正确激励后，固件程序记录下最终使用的激励方法，写入只读寄存器“最优激励方法”，下次激励时直接使用“最优激励方法”进行传感器激励。最优的原则是连续3次读取频率后的数据误差在频率容限范围内，且用时最短。
最优激励法和钢弦自振抑制寄存器配合使用，达到快速连续测量的目的。
具体来说，快速测量通过以下几个层面的方法来实现：
1.通过下次激励时直接使用“最优激励方法”，使用最简单的一种方法来激励传感器，节省了激励传感器花费的时间。
2.使用“钢弦自振抑制”方法让传感器快速结束自振，以便更早更快的进行下一次激励。
3.对含有数字温度传感器的振弦传感器，利用数字温度传感器DS18B20自身的全球唯一码进行识别，从模块内部存储区检索此识别码传感器的自振频率。对于这类传感器的激励和数据读取流程如下：
(1)首先读取温度传感器的全球唯一序列号(64位，由厂家写入，每一支传感器具有全球唯一序列号)；
(2)读取传感器温度；
(3)检索存储器中有无此传感器的自振频率记录，若有，跳转到步骤4，若没有，跳转到步骤6；
(4)按照数字温补钢弦激励方法寄存器规定的激励方法进行扫频信号发送；
(5)读取、计算、分析传感器频率信号，更新相关寄存器的值；
(6)若信号质量满足要求，则将当前传感器序列号和自振频率值添加到已有传感器列表。
这种方法可实现快速精准激励传感器。
4.采用用户可选择的另一种方法：实现振动中的二次激励，使钢弦振动不断得到加强，再读取、再开关上述开关，如此周而复始，实现钢弦振动永不停止。这种方法可使振弦传感器读取频率大大提高。
5.经过大量实验，发现了如下规律，对上述“二次激励”方法进行了改进，使测量速率提高了一个数量级。
规律如下：
(1)强迫振动现象真实存在，强迫振动持续时长在不同的条件下有显著不同；
(2)强迫振动的频率向钢弦自振频率变化时，其持续时长与激励信号的强度和频率有关，当激励信号的频率与传感器钢振自振频率十分接近时，强迫振动的时间很短；
(3)使用与钢弦自振频率接近且同相的再激励信号激励传感器，“强迫振动”在第二、三个周期时迅速接近于自振频率，误差在激励频率与自振频率之差的1/10以内，由于再激励信号的频率几乎就是自振频率，故此，可以认为再激励后第二、三个传感器信号即是自振频率；
(4)基于以上试验得出的规律性结论，可得到上述公式的修正公式
(单周期信号次再激励)
(多周期信号再激励)
上式中
f：传感器钢弦的自振频率
n：再激励信号周期数量
当自振频率为500Hz时，采用1个周期再激励信号，直接周期法计算频率，数据读取频率为125Hz。采用3个周期再激励信号时，数据读取频率为83.3Hz。
当自振频率为5000Hz时，采用1个周期再激励信号，直接周期法计算频率，数据读取频率为1250Hz。采用3个周期再激励信号时，数据读取频率为833.3Hz。
快速振弦频率读取技术，使传感器的应用范围得到进一步扩展，可用于振动测量中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.振弦式传感器的激励方法，其特征在于：当激励电压为高压时采用高压脉冲激励方法，当激励电压为低压时采用固定频率低压扫频激励法、步进式低压定值扫频激励法、渐变式低压扫频激励法、步进式低压渐变扫频激励法、二分式低压定值扫频激励法、二分式低压渐变扫频激励法、低压预激振精准扫频激励法、同相反馈连续激励法中的一种；当传感器正确激励后，记录下最终使用的激励方法，作为最优激励方法，下次激励时直接使用最优激励方法进行传感器激励，最优激励方法是当原始信号幅值在达到规定的强度前提下，结合信号幅度探测器和程控放大器反算原始信号幅度且经信号采集评估后各项指标均为优质值。
2.根据权利要求1所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述高压脉冲激励方法包括以下步骤：
(1.1)由用户指定期望高压寄存器值、泵压最大时长寄存器值；
(1.2)在MCU控制下，断开高压切换开关；
(1.3)按照寄存器的数值，驱动直流泵压器进行升压，与此同时，高压采样器连续对泵压器的输出电压进行检测，当达到寄存器规定的电压值或泵压时长超过泵压最大时长寄存器值时，跳转到步骤(1.4)；
(1.4)停止泵压；
(1.5)接通高压切换开关，使高电压脉冲信号传输给振弦传感器线圈；线圈对钢弦施放较强磁脉冲，使钢弦产生自振；
(1.6)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析、刷新输出数据，断开高压切换开关。
3.根据权利要求1所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述固定频率低压扫频激励法包括以下步骤：
(2.1)MCU读取寄存器扫频起始频率、自增扫频周期数量的值；
(2.2)MCU控制低压扫频器发送指定周期数量的低压激励信号。
4.根据权利要求3所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述步进式低压定值扫频激励法包括以下步骤：
(3.1)MCU读取对应的上、下限频率寄存器的值、步进频率值、每个频率重复的周期数量；
(3.2)将扫频频率设置为下限寄存器的值；
(3.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2)；
(3.4)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析，信号质量达到预定要求时，跳转到步骤(3.6)；
(3.5)扫频频率值增加一个步进数量，检查有无超过频率上限寄存器的值，若未超过进行步骤(3.3)，否则进行步骤(3.6)；
(3.6)刷新输出数据，结束本次扫频。
5.根据权利要求4所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述渐变式低压扫频激励法包括以下步骤：
(4.1)MCU读取寄存器对应的上、下限频率寄存器的值、步进频率值、每个频率重复的周期数量；
(4.2)将扫频频率设置为下限寄存器的值；
(4.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2)；
(4.4)扫频频率值增加一个步进数量，检查有无超过频率上限寄存器的值，若未超过进行步骤(4.3)，否则进行步骤(4.6)；
(4.5)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析；
(4.6)刷新输出数据，结束本次扫频。
6.根据权利要求5所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述步进式低压渐变扫频激励法与所述步进式低压定值扫频激励法步骤相同，只是将每个步进的固定频率值改为本步进段上下限的渐变式低压扫频激励法；将每一个步进的渐变频率扫描过程分为连续的10等分，自动计算出每份的时间长度，每个步进扫描控制在500ms以内；所述二分式低压渐变扫频激励法与所述二分式低压定值扫频激励法步骤相同，只是将原来的二等分后的中值固定值变为此段上下限的渐变式低压扫频激励法；将每一个步进的渐变频率扫描过程分为连续的10等分，自动计算出每份的时间长度，每个步进扫描控制在500ms以内。
7.根据权利要求6所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述二分式低压定值扫频激励法包括以下步骤：
(5.1)MCU读取寄存器对应的上、下限频率寄存器的值、每个频率重复的周期数量、精准激励频率范围值；
(5.2)将频率范围平分为两段，分别计算出两段的中间频率值f1、f2；
(5.3)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2),控制低压扫频器发送指定周期数量的f1频率的激励信号；
(5.4)检测并读取传感器的返回信号，进行信号幅度检测，记录为v1；
(5.5)执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2),控制低压扫频器发送指定周期数量的f2频率的激励信号；
(5.6)检测并读取传感器的返回信号，进行信号幅度检测，记录为v2；
(5.7)将v1和v2进行比较，保留值较大的一段频率范围，判断频率范围是否达到精准激励频率范围值，未达到则跳转到步骤(5.2)，达到则跳转到步骤(5.8)；
(5.8)使用步骤(5.7)中保留的频率范围中间值，执行固定频率低压扫频激励法的步骤(2.2)，控制低压扫频器发送指定周期数量的激励信号；
(5.9)检测并读取传感器的返回信号，进而进行精度分析；
(5.10)刷新输出数据，结束本次扫频。
8.根据权利要求7所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述低压预激振精准扫频激励法，先使用指定的电压进行一次单脉冲激励，根据返回的粗略信号计算出大致的钢弦自振频率范围，再使用中值进行精准扫频激励。
9.根据权利要求1-8任一项所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：低压扫频时，使用模块内部时间基准计算扫频频率，内部时间基准应根据对应寄存器进行计时准确度修正，在生成扫频信号前要进行温度补偿修正。
10.根据权利要求1所述的振弦式传感器的激励方法，其特征在于：所述同相反馈连续激励法为：滤波放大器与低压扫频器连接，低压扫频器有一路受MCU控制的开关，将放大后的正弦波信号反馈给传感器的线圈，经由高压阻尼传递给振弦传感器的线圈；在读取信号过程中，将上述开关打开一个信号周期的时间，放大后的正弦信号同相反馈施加到传感器线圈上，进行钢弦自振过程中的补充激励，由于此幅值较高的正弦波与传感器正在输出的正弦波相位相同，可实现振动中的二次激励，使钢弦振动不断得到加强，再读取、再开关上述开关，如此周而复始，实现钢弦振动永不停止。
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