CN108151643A - 一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置 - Google Patents

一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，属于大型结构体健康监测技术领域。本发明的方法包括如下步骤：将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上；使用相位补偿型自适应激频方法激励并维持钢弦以其固有频率稳定共振；采集钢弦振动时产生的电动势信号和温度；基于幅值比插值的加窗FFT算法对共振信号进行处理，估算所采集信号中幅值最大信号分量的频率，作为钢弦实时共振频率；根据钢弦实时共振频率与所得钢弦此时的温度进行温度补偿，得到钢弦的实时应变ε，进而得到待测结构体的实时应变εs。还公开实现上述一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置。本发明有测量周期短、精度高的优点。

Description

一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，属于大型结构体健康监测技术领域。
背景技术
随着经济和科学技术的快速发展，越来越多的大型复杂工程结构体得以兴建，如大跨度桥梁、大型水利工程、高层建筑、海洋平台等，这些工程结构体对保障人民生命、财产安全具有重要意义。在几十年、甚至上百年的使用期当中，环境、载荷的长期作用，自然灾害的突发都会对结构体造成不可避免的影响，导致损伤累积，甚至有可能在极端情况下引发灾难性事故。为保证大型结构体的安全使用，建立可靠的结构体健康监测系统十分必要。
目前对于现场环境复杂、持续时间较长且量测过程中始终要以初始零点作为起点的应变监测，基本上采用基于振弦式传感器的监测设备。基于振弦式传感器的监测设备的基本工作原理是：通过对振弦式传感器内的钢弦施加一系列频率连续变化的电磁脉冲，激励振弦式传感器内的钢弦产生共振，在给定时间内对共振信号波形数进行计数，可以算得振弦式传感器内的钢弦的固有频率的平均值，由固有频率的变化量可求出振弦式传感器内的钢弦所受到的张力，进而可得到结构体的应变(参考专利：钢弦式传感器智能测频系统，1527061)。然而在动载实验等场合中，常常需要进行动态测量，即快速而精确的测量结构体的应变或应力等信息，原本的测量方法对振弦式传感器进行一次扫频激励需要一定的时间，导致测量周期过长，且利用波形计数的方法测量频率误差很大，并不能满足要求。因此，目前工业领域主要是运用振弦式传感器做静态测量，测量频率不超过1Hz。
发明内容
为了解决现有对大型结构体应变测量技术中测量周期过长、测量不精确、不适用于动态测量的问题，本发明提出一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置要解决的技术问题是实现对结构体应变的动态测量，具有测量周期短、精度高的优点。本发明尤其适用于大型结构体，大型结构体指大跨度桥梁、大坝、隧道等大体积、大载荷的建筑设施。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，包括如下步骤：
步骤一、将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上。
步骤二、使用相位补偿型自适应激频方法激励并维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振；采集钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号和温度，即得到钢弦的共振信号和此时的温度数据。
步骤二具体实现方法如下：
步骤2.1、向振弦式传感器输出扫频激励信号，激励传感器内钢弦共振；
步骤2.2、等待共振信号波形稳定后，记下之后预设的几个波形周期，由记录下的周期计算出波形的平均频率作为振弦式传感器内钢弦的当前共振频率；
步骤2.3、根据步骤2.2计算出的振弦式传感器内钢弦的当前共振频率，查表得到信号处理电路模块对应不同频率信号的输出相移，依照与振弦式传感器内钢弦的共振信号同频率同相位的原则输出复激励信号；
步骤2.4、在步骤2.2共振波形信号稳定后，同时采集振弦式传感器内钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号以及温度，即得到钢弦的共振信号及温度补偿所用的温度数据。
步骤2.5、重复步骤2.2-2.4，维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振，持续采集钢弦的共振信号和温度数据。
步骤三、基于幅值比插值的加窗FFT算法对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号进行处理，在每一时段估算出所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率；
步骤三具体实现方法如下：
步骤3.1、对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号加窗；
步骤3.1所述的加窗优选加汉宁窗。
步骤3.2、对步骤3.1加窗后的信号进行快速傅里叶变换；
步骤3.3、在步骤3.2得到的幅值谱中，选取具有最大幅值点的谱线及其两侧的谱线；记下最大幅值点的谱线及其两侧的谱线对应的频率和幅值；
步骤3.4、使用基于幅值比的插值算法对步骤3.3得到的频率和幅值进行处理，即能够估算出当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率；
步骤3.4所述基于幅值比的插值算法公式为：
其中，
为所求的实时共振频率，即当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率估算值，
nm为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线的序数，
Δf为频率分辨率，即相邻两条谱线间隔，
S[nm]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线对应的幅值。
S[nm-1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线左侧的谱线对应的幅值。
S[nm+1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线右侧的谱线对应的幅值。
步骤四、根据步骤三所得振弦式传感器内钢弦的实时共振频率与步骤二所得振弦式传感器内钢弦此时的温度进行温度补偿，得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，进而得到待测结构体的实时应变εs。
步骤四具体实现方法如下：
步骤4.1：步骤三求出的振弦式传感器内钢弦的实时共振频率为步骤二得到的振弦式传感器内钢弦此时的温度为T，未对传感器施加外力时振弦传感器内钢弦的共振频率为f0，选定f0时测得振弦传感器内钢弦的温度为T0，所用传感器标定的常值系数为ks，振弦式传感器内钢弦所用材料的常数值热膨胀系数为α，被测结构体的热膨胀系数为β。
步骤4.2、根据步骤4.1中的T、f0、T0、ks、α、β，带入频率与应变变换公式即求出振弦式传感器内钢弦的实时应变ε。
步骤4.3、根据步骤4.2得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，对大型结构体进行受力分析得到振弦传感器内钢弦的应变ε与待测结构体的应变εs之间的关系，进而通过振弦传感器内钢弦的实时应变ε得到待测结构体的实时应变εs。
本发明还公开实现上述一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，能够实现对结构体实时应变εs的动态测量，具有测量周期短、精度高的优点。本发明尤其适用于大型结构体，大型结构体指大跨度桥梁、大坝、隧道等大体积、大载荷的建筑设施。
本发明还公开实现上述一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置，包括振弦式传感器和采集单元和PC机。所述的采集单元主要由信号处理电路模块、模数转换器及其外围电路、微控制器及其外围电路、数据传输电路模块组成。
振弦式传感器用于获取振弦传感器内钢弦的共振信号和温度数据。
采集单元内信号处理模块用于对振弦式传感器内钢弦的共振信号进行放大和滤波，以及提高微控制器输出的激频信号的驱动能力。
采集单元内的模数转换器用于将经过信号处理模块放大和滤波后的振弦式传感器内钢弦的共振信号转变为数字量并将其输出至微控制器。
采集单元内的微控制器用于实现步骤二激励并维持振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振，并采集振弦式传感器内钢弦的共振信号，并依靠内部模数转换器读取振弦式传感器内钢弦的温度数据。
采集单元内的数据传输电路模块用于将微控制器所采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号和温度数据发送给PC机。
PC机用于实现步骤三得到振弦式传感器内钢弦当前的共振频率，进而根据步骤四得到待测结构体的应变。
将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上。振弦式传感器通过接插件与采集单元内的信号处理电路模块以及微控制器相连，信号处理电路模块与微控制器和模数转换芯片相连，微控制器按照步骤二激励振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振、读取共振信号、并读取振弦式传感器内钢弦的温度数据，数据传输电路模块将微控制器所采集的数据发送给PC机，并接收PC机的配置指令，对采集频率和采集持续时间进行配置，PC机按照步骤三得到振弦式传感器内钢弦的共振频率，并根据步骤四得到待测结构体的应变。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，采用相位补偿型自适应激频方式，相较现有的全频段扫频方式，能够提高起振速度，缩短测量周期。
2、本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，利用基于幅值比插值的加窗FFT算法，计算出振弦式传感器内钢弦当前的共振频率，相较于现有的波形计数法计算频率，计算精度大大提高。
3、本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，测量周期短，计算精度高，适用于对大型结构体应变进行动态测量。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法流程图；
图2为本发明公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置结构图；
图3为用实验装置测量得到的应变—时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例公开的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法及装置，具体实现步骤如下：
一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、将振弦式传感器固定于实验装置上，实验装置可以为振弦式传感器施加一个周期性变化的应力。将振弦式传感器接入采集单元，打开采集单元和PC机的电源，并运行PC机上的软件，建立采集单元和PC机之间的WIFI通讯连接，并设定采集速率为20kHz，采集时间持续5s；
步骤二、使用相位补偿型自适应激频方法激励并维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振；采集钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号，即得到钢弦的共振信号和温度数据。
步骤二具体实现方法如下：
步骤2.1、向振弦式传感器输出200～2200Hz的扫频激励信号，激励传感器内钢弦共振；
步骤2.2、对共振信号的波形数进行计数，计到27个波形后共振信号波形稳定下来，测量之后的3个波形的周期，由这3个周期计算出它们的平均频率作为振弦式传感器内钢弦的当前共振频率；
步骤2.3、根据步骤2.2计算出的振弦式传感器内钢弦的当前共振频率，查表得到信号处理电路模块对应不同频率信号的输出相移，依照与振弦式传感器内钢弦的共振信号同频率同相位的原则输出复激励信号；
步骤2.4、在步骤2.2共振波形信号稳定后，同时采集振弦式传感器内钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号以及温度，即得到钢弦的共振信号及温度补偿所用的温度数据。
步骤2.5、重复步骤2.2-2.4，维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振，同时持续采集钢弦的共振信号和温度数据，将数据封装成TCP/IP包，使用WIFI方式将所采集数据发送给PC机，使用PC机上的软件接收并存储数据，直到采集时间5s到。
步骤三、在PC机的软件中使用基于幅值比插值的加窗FFT算法，对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号进行处理，在每一时段估算出所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率；
步骤三具体实现方法如下：
步骤3.1、对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号加上汉宁窗；
步骤3.2、对步骤3.1加窗后的信号进行快速傅里叶变换；
步骤3.3、在步骤3.2得到的幅值谱中，选取具有最大幅值点的谱线及其两侧的谱线；记下最大幅值点的谱线及其两侧的谱线对应的频率和幅值；
步骤3.4、使用基于幅值比的插值算法对步骤3.3得到的频率和幅值进行处理，即能够估算出当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率；
步骤3.4所述基于幅值比的插值算法公式为：
其中，
为所求的实时共振频率，即当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率估算值，
nm为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线的序数，
Δf为频率分辨率，即相邻两条谱线间隔，
S[nm]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线对应的幅值。
S[nm-1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线左侧的谱线对应的幅值。
S[nm+1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线右侧的谱线对应的幅值。
步骤四、在PC机的软件中根据步骤三所得振弦式传感器内钢弦的实时共振频率与步骤二所得振弦式传感器内钢弦此时的温度进行温度补偿，得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，进而得到待测结构体的实时应变εs。
步骤四具体实现方法如下：
步骤4.1：步骤三求出的振弦式传感器内钢弦的实时共振频率为步骤二得到的振弦式传感器内钢弦此时的温度为T，未对传感器施加外力时振弦传感器内钢弦的共振频率为f0，选定f0时测得振弦传感器内钢弦的温度为T0，所用传感器标定的常值系数为ks，振弦式传感器内钢弦所用材料的常数值热膨胀系数为α，被测结构体的热膨胀系数为β。
步骤4.2、根据步骤4.1中的T、f0、T0、ks、α、β，带入频率与应变变换公式即求出振弦式传感器内钢弦的实时应变ε。
步骤4.3、根据步骤4.2得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，对实验装置进行受力分析得到振弦传感器内钢弦的应变ε与实验装置的应变εs之间的关系为εs＝ε，进而通过振弦传感器内钢弦的实时应变ε得到待测结构体的实时应变εs。在PC机上显示实验装置的应变—时间曲线如图3所示。
本发明还公开实现上述一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置，如图2所示，包括振弦式传感器和采集单元和PC机。所述的采集单元主要由信号处理电路模块、模数转换器及其外围电路、微控制器及其外围电路、数据传输电路模块组成。其中模数转换器选用AD7176，微控制器选用STM32F103，数据传输选用型号为WM_G_MR_09的WIFI芯片；
振弦式传感器用于获取振弦传感器内钢弦的共振信号和温度数据。
采集单元内信号处理模块用于对振弦式传感器内钢弦的共振信号进行放大和滤波，以及提高微控制器输出的激频信号的驱动能力。
采集单元内的模数转换器用于将经过信号处理模块放大和滤波后的振弦式传感器内钢弦的共振信号转变为数字量并将其输出至微控制器。
采集单元内的微控制器用于实现步骤二激励并维持振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振，并采集振弦式传感器内钢弦的共振信号，并依靠内部模数转换器读取振弦式传感器内钢弦的温度数据。
采集单元内的数据传输电路模块用于将微控制器所采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号和温度数据发送给PC机。
PC机用于实现步骤三得到振弦式传感器内钢弦当前的共振频率，进而根据步骤四得到待测结构体的应变。
将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上。振弦式传感器通过接插件与采集单元内的信号处理电路模块以及微控制器相连，信号处理电路模块与微控制器和模数转换芯片相连，微控制器按照步骤二激励振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振、读取共振信号、并读取振弦式传感器内钢弦的温度数据，数据传输电路模块使用WIFI方式将微控制器所采集的数据发送给PC机，并接收PC机的配置指令，对采集频率和采集持续时间进行配置，PC机按照步骤三得到振弦式传感器内钢弦的共振频率，并根据步骤四得到待测结构体的应变。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上；
步骤二、使用相位补偿型自适应激频方法激励并维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振；采集钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号和温度，即得到钢弦的共振信号和此时的温度数据；
步骤三、基于幅值比插值的加窗FFT算法对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号进行处理，在每一时段估算出所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率；
步骤四、根据步骤三所得振弦式传感器内钢弦的实时共振频率与步骤二所得振弦式传感器内钢弦此时的温度进行温度补偿，得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，进而得到待测结构体的实时应变εs。
2.如权利要求1所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：步骤二具体实现方法如下，
步骤2.1、向振弦式传感器输出扫频激励信号，激励传感器内钢弦共振；
步骤2.2、等待共振信号波形稳定后，记下之后预设的几个波形周期，由记录下的周期计算出波形的平均频率作为振弦式传感器内钢弦的当前共振频率；
步骤2.3、根据步骤2.2计算出的振弦式传感器内钢弦的当前共振频率，查表得到信号处理电路模块对应不同频率信号的输出相移，依照与振弦式传感器内钢弦的共振信号同频率同相位的原则输出复激励信号；
步骤2.4、在步骤2.2共振波形信号稳定后，同时采集振弦式传感器内钢弦振动时切割磁感线产生的电动势信号以及温度，即得到钢弦的共振信号及温度补偿所用的温度数据；
步骤2.5、重复步骤2.2-2.4，维持振弦式传感器中的钢弦以其固有频率稳定共振，持续采集钢弦的共振信号和温度数据。
3.如权利要求2所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：步骤三具体实现方法如下，
步骤3.1、对步骤二采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号加窗；
步骤3.2、对步骤3.1加窗后的信号进行快速傅里叶变换；
步骤3.3、在步骤3.2得到的幅值谱中，选取具有最大幅值点的谱线及其两侧的谱线；记下最大幅值点的谱线及其两侧的谱线对应的频率和幅值；
步骤3.4、使用基于幅值比的插值算法对步骤3.3得到的频率和幅值进行处理，即能够估算出当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率，作为传感器内钢弦的实时共振频率。
4.如权利要求3所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：步骤四具体实现方法如下：
步骤4.1：步骤三求出的振弦式传感器内钢弦的实时共振频率为步骤二得到的振弦式传感器内钢弦此时的温度为T，未对传感器施加外力时振弦传感器内钢弦的共振频率为f0，选定f0时测得振弦传感器内钢弦的温度为T0，所用传感器标定的常值系数为ks，振弦式传感器内钢弦所用材料的常数值热膨胀系数为α，被测结构体的热膨胀系数为β；
步骤4.2、根据步骤4.1中的T、f0、T0、ks、α、β，带入频率与应变变换公式即求出振弦式传感器内钢弦的实时应变ε；
步骤4.3、根据步骤4.2得到振弦传感器内钢弦的实时应变ε，对大型结构体进行受力分析得到振弦传感器内钢弦的应变ε与待测结构体的应变εs之间的关系，进而通过振弦传感器内钢弦的实时应变ε得到待测结构体的实时应变εs。
5.如权利要求4所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：步骤3.4所述基于幅值比的插值算法公式为，
其中，
为所求的实时共振频率，即当前时段所采集信号中幅值最大的信号分量的频率估算值，
nm为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线的序数，
Δf为频率分辨率，即相邻两条谱线间隔，
S[nm]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线对应的幅值；
S[nm-1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线左侧的谱线对应的幅值；
S[nm+1]为FFT变换结果中具有最大幅值点的谱线右侧的谱线对应的幅值。
6.如权利要求5所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法，其特征在于：步骤3.1所述的加窗选加汉宁窗。
7.实现如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量方法的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置，其特征在于：包括振弦式传感器和采集单元和PC机；所述的采集单元主要由信号处理电路模块、模数转换器及其外围电路、微控制器及其外围电路、数据传输电路模块组成；
振弦式传感器用于获取振弦传感器内钢弦的共振信号和温度数据；
采集单元内信号处理模块用于对振弦式传感器内钢弦的共振信号进行放大和滤波，以及提高微控制器输出的激频信号的驱动能力；
采集单元内的模数转换器用于将经过信号处理模块放大和滤波后的振弦式传感器内钢弦的共振信号转变为数字量并将其输出至微控制器；
采集单元内的微控制器用于实现步骤二激励并维持振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振，并采集振弦式传感器内钢弦的共振信号，并依靠内部模数转换器读取振弦式传感器内钢弦的温度数据；
采集单元内的数据传输电路模块用于将微控制器所采集的振弦式传感器内钢弦的共振信号和温度数据发送给PC机；
PC机用于实现步骤三得到振弦式传感器内钢弦当前的共振频率，进而根据步骤四得到待测结构体的应变。
8.如权利要求7所述的一种基于振弦式传感器的动态数据测量装置，其特征在于：将振弦式传感器固定于待测结构体的测点上；振弦式传感器通过接插件与采集单元内的信号处理电路模块以及微控制器相连，信号处理电路模块与微控制器和模数转换芯片相连，微控制器按照步骤二激励振弦式传感器内钢弦以其固有频率稳定共振、读取共振信号、并读取振弦式传感器内钢弦的温度数据，数据传输电路模块将微控制器所采集的数据发送给PC机，并接收PC机的配置指令，对采集频率和采集持续时间进行配置，PC机按照步骤三得到振弦式传感器内钢弦的共振频率，并根据步骤四得到待测结构体的应变。
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