CN108375432A - 一种交流式应力测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种交流式应力测量方法及装置，所述方法包括如下步骤，将交流信号通入惠更斯电桥，对惠更斯电桥输出的信号进行相敏检波；所述惠更斯电桥上设置有应变片。解决现有技术中形变量测量受影响大，从而应力测量不够精确的问题。

Description

一种交流式应力测量方法及装置
技术领域
本发明涉及力学测量工具设计领域，尤其涉及一种高精度的应力测量方法及装置。
背景技术
在现有的矿业生产中，大多以井工开采为主，需要在井下开掘大量巷道，巷道支护成为矿业安全生产的重要保证。确保巷道的安全、快速掘进，确保巷道使用期间的畅通、与围岩稳定，确保巷道的支护和维护成本较低等，是建设安全高效矿井的一项重要工作，具有重要意义。国内外的实践证明，锚杆支护是巷道经济、有效的支护方式。因此通过监测煤矿井下巷道围岩内部应力情况，来检测预期支护效果。目前市面上测力的主要方式是通过测量形变体的形变量来测量力的大小。通过对形变体进行供电，当形变体发生形变时，其对应的电阻值会发生变化，通过相关的测量电路测量此时的电阻值，从而计算出此时的受力大小。
发明内容
为此，需要提供一种新型的刚体应力测量的基本装置及方法，解决现有技术中形变量测量受影响大，从而应力测量不够精确的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种交流式应力测量方法，所述方法包括如下步骤，将交流信号通入惠更斯电桥，对惠更斯电桥输出的信号进行相敏检波；所述惠更斯电桥上设置有应变片。
进一步地，包括如下步骤，生成特定频率、相位以及幅值特性的交流信号；将所述交流信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥测量端的输出信号进行相敏检波分析，计算特定频率的信号的幅值、相位。
可选地，包括如下步骤，生成三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号，对三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号进行混频，获得混频信号，将混频信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥侧两端的输出信号进行分路输出，对分路输出结果基于不同频率计算输出信号的幅值、相位。
优选地，还进行步骤，还进行步骤，根据计算输出的信号的相位信息，对其求均方差，剔除偏离标准相位的输出信号数据，计算其余输出信号的幅值，对输出信号幅值与标准施力进行线性拟合，得到二者间的线形关系。
进一步地，所述交流信号通过数模转换模块后通入惠斯通电桥的输入端，所述输出信号通过模数转换模块后进行数字相敏检波分析。
一种交流式应力测量装置，包括交流信号产生模块、惠斯通电桥、数据采集单元；
所述交流信号产生模块与惠斯通电桥输入端连接，所述惠斯通电桥包括在一臂上设置的应变片，所述惠斯通电桥的测量端还与数据采集单元连接。
具体地，还包括相位幅值计算单元，所述相位幅值计算单元与数据采集单元连接，所述相位幅值计算单元接收数据采集单元发送的信号，所述相位幅值计算单元用于计算特定频率信号的幅值和相位。
进一步地，还包括中心控制单元，所述中心控制单元与交流信号产生模块连接，所述中心控制单元用于控制交流信号产生模块产生特定频率、相位及幅值的交流信号；所述中心控制单元还与相位幅值计算单元连接，所述中心控制单元用于控制相位幅值计算单元基于不同频率计算相位和幅值。
进一步地，所述交流信号产生模块为多个，所述相位幅值计算单元为多个。
进一步地，还包括线性拟合模块，还包括线性拟合模块，所述线性拟合模块用于对输出信号幅值与标准施力进行线性拟合，得到二者间的线形关系。
区别于现有技术，上述技术方案通过生成特定频率、相位以及幅值特性的交流信号；将所述交流信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥测量端的输出信号进行分析，排除了电路中存在的噪声信号的干扰，提供了更稳定，更精确的应力测量交流信号输出。
附图说明
图1为具体实施方式所述的应力测量方法流程图；
图2为具体实施方式所述的应力测量装置模块图；
图3为具体实施方式所述的DPSD算法分析图；
图4为具体实施方式所述的惠斯通电桥。
附图标记说明：
200、中心控制单元
201、频率、相位、幅值控制单元；
202、交流信号产生模块；
204、惠斯通电桥；
206、数据采集单元；
208、相位幅值计算单元。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例一种高精度的应力测量方法流程图，本发明方法可以开始于步骤S100，生成特定频率、相位以及幅值特性的交流信号，如可以生成具有特定参数的正弦信号，随后进行步骤S102，将所述交流信号通入惠斯通电桥的输入端，所述惠斯通电桥的四臂中的一臂上设置有应变片，所述应变片为一种力电偶，能够将锚杆的内部应力变化体现为其阻值的变化上，惠斯通的电桥有相对的两端，其中一组为供电端，另外一组为输出端或称之为测量端。本发明方法还进行步骤S104，将惠斯通电桥测量端的输出信号进行分析，计算特定频率的信号的幅值、相位。在一些简化的实施例中，可以直接将任意的交流信号，如民用交流电、通用控制器发生的脉冲信号等直接通入惠更斯电桥，对惠更斯电桥输出的信号进行相敏检波；观察惠斯通电桥上的信号变化即可。通过上述方法，将交流信号通入惠斯通电桥，通过惠斯通电桥测量端的交流信号能够更加灵敏，更加精确地对应力变化进行测量。同时由于生成的交流信号能够以特定频率向外输送，测量端接收到的信号在被进行处理时，只需要对特定频率的交流信号进行分析即可，因此在对待电路本身产生的噪音问题上，本发明方法能够达到抗干扰能力强、精度高、无关因素少分析简便的技术效果。解决了为矿井锚杆等场景下为应力测量提供更加稳定、抗干扰强的交流信号的技术问题。
可选的一些操作例中，为了更好地达到抗干扰，提高数字信号品质的效果，我们的方法还进一步包括如下步骤，通过三个DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)或类似功能模块，来生成三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号，对三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号进行混频，获得混频信号，将混频信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥侧两端的输出信号进行分路输出，对分路输出结果基于不同频率计算输出信号的幅值、相位。如在图2所示的实施例中，输出信号被分为3路，输入到不同的DPSD(Digital phase sensitive detection数字相敏检波)模块中进行分析，DPSD单元能够根据参数设置的不同，分别针对不同频率的输出信号进行计算分析，彼此间相互不受影响，从而达到对三个分路都进行相位、幅值分析的技术效果。
在图2所示的实施例中，本发明展示了一种可用于执行上述方法的系统架构，包括一个中心控制单元，中心控制单元可以细化为一个MCU或一个MCU200与频率、相位、幅值控制单元201的串行结构，中心控制单元用于向DDS输出控制信号，所述DDS在接收到控制信号之后根据信号的携带指令产生特定频率、相位、幅值的交流信号。所述DDS模块还与数模转换模块连接，数模转换模块与惠斯通电桥的输入端连接，惠斯通电桥测量端的输出信号通过模数转换模块与DPSD模块连接，DPSD模块还与中心控制单元连接。我们的方法在一段时间内对输出信号进行N次相敏检波分析，得到N组的幅值和相位信息，三组特定频率的交流信号，对应产生3个N组的幅值和相位信息。依据据噪声信号的相位、幅值变化的随机性以及系统产生特定频率信号幅值、相位稳定性的差异，根据计算输出的3个特定信号的N组相位信息，分别对3个特定信号的相位信息求均方差，剔除偏离标准相位的幅值数据，对其余的幅值进行求均值，得到3个特定频率各自的幅值，再对3个特定频率的幅值求均值得到1个幅值。通过上述装置设计，达到抗干扰能力强、精度高、无关因素少分析简便的技术效果。解决了为矿井锚杆等场景下为应力测量提供更加稳定、抗干扰强的交流信号的技术问题。
其中DPSD的算法可以执行如下，如图3所示：是其中被测信号离散化的第n个数据；cosωn，sinωn是一个已知的系统给出的参考信号
假设：其中en为测量电路中各种干扰信号包括直流偏置信号、热噪声、电磁噪声等，A是被测信号的幅值大小，sn＝cosωn+jsinωn，是某个系统给出的参考信号。将sn与进行互相关，代入互相关函数，
Rxy|n＝1/NΣxmym+n
其中m是被测信号离散化的数据编号；
计算得到
令
则
其中：为被测信号的幅值，为被测信号的相位。
在优选的实施例中，不仅为了提供一个稳定高精度的信号输出，还能够更好地对应力进行测量，我们还进行步骤，S106对上述计算得到的幅值、相位进行线性拟合，拟合条件包括应变片的响应特性参数等。例如，我们在对ADC模块转输入到DPSD的N段信号能够计算得到N个上述被测信号的幅值和相位，结合MCU给出的相位信息，根据对均方差，剔除偏离标准相位的测量值，最后将剩余的幅值进行求均值得到被测信号的幅值。分别基于DDS模块生成的不停的3个频率进行幅值计算，得到3个电压幅值，再求均值得到最终的被测信号的电压幅值。具体的拟合过程中，我们可以在电桥的应变片上施加几组标准应力值进行标定，并记录此时对应的电压幅值，得到若干组数据，通过数学建模进行拟合使得标准应力值和电压幅值值形成一个线性关系,其中应力值与电压幅值应当呈正比关系，则能够得到我们渴求的精准的应力测量结果。
由于交流信号具有频率、相位、幅值特性，本发明方法通过同时控制这3个变量，来确保给电桥的供电信号唯一性，而且排除其他信号的干扰2、能检测出某个频率信号的幅值、相位的电路，由于给电桥供电的信号的频率、幅值、相位都是已知的，因此采集端这边只要通过对已知频率、已知相位信号进行相应的幅值计算，确保接收端和发射端的信息一致性，有效去除其他频率成分的干扰。
本发明还提供一种交流式应力测量装置，一个能产生多个频率交流信号，频率可控，相位可控的信号发射电路，包括交流信号产生模块202、惠斯通电桥204、数据采集单元206；
所述交流信号产生模块202与惠斯通电桥输入端204连接，所述惠斯通电桥包括在一臂上设置的应变片，所述惠斯通电桥的测量端还与数据采集单元206连接。惠斯通电桥的构造图如图4所示，AC两端是供电端，BD两端是测量端，图中的R1、R2、R3、R4可以同为应变片，也可以其中的一个为应变片，均能够起到检测应力的效果。通过上述装置设计，本发明能够达到提供抗干扰能力强，输出波形精度高的应力测量用交流信号的技术效果。
其他一些具体的实施例中，还包括相位幅值计算单元208，所述相位幅值计算单元与数据采集单元连接，所述相位幅值计算单元接收数据采集单元发送的信号，所述相位幅值计算单元用于计算特定频率信号的幅值或相位。
进一步的实施例中，还包括中心控制单元，所述中心控制单元与交流信号产生模块连接，所述中心控制单元用于控制交流信号产生模块产生特定频率、相位及幅值的交流信号；所述中心控制单元还与相位幅值计算单元连接，所述中心控制单元用于控制相位幅值计算单元基于不同频率计算相位或幅值。在本实施例中中心控制单元可以细化一个MCU200与频率、相位、幅值控制单元201。也可以只设计一个MCU 200控制DDS及DPSD模块。中心控制单元可以与多个交流信号产生模块连接，并控制统筹多个相位幅值计算单元根据不同频率计算结果。以上设计更好地解决了应力精确测量的问题。
更进一步的实施例中，还包括线性拟合模块，所述线性拟合模块用于对相位幅值计算单元计算得到的幅值、相位进行线性拟合。通过设计线性拟合模块，能够获得更加精确的应力测量结果。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流式应力测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，将交流信号通入惠更斯电桥，对惠更斯电桥输出的信号进行相敏检波；所述惠更斯电桥上设置有应变片。
2.根据权利要求1所述的交流式应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤，生成特定频率、相位以及幅值特性的交流信号；将所述交流信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥测量端的输出信号进行相敏检波分析，计算特定频率的信号的幅值、相位。
3.根据权利要求2所述的交流式应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤，生成三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号，对三组特定频率、相位以及幅值特性的交流信号进行混频，获得混频信号，将混频信号通入惠斯通电桥的输入端，将惠斯通电桥侧两端的输出信号进行分路输出，对分路输出结果基于不同频率计算输出信号的幅值、相位。
4.根据权利要求2或3所述的交流式应力测量方法，其特征在于，还进行步骤，根据计算输出的信号的相位信息，对求均方差，剔除偏离标准相位的输出信号数据，计算其余输出信号的幅值，对输出信号幅值与标准施力进行线性拟合，得到二者间的线形关系。
5.根据权利要求2所述的交流式应力测量方法，其特征在于，所述交流信号通过数模转换模块后通入惠斯通电桥的输入端，所述输出信号通过模数转换模块后进行数字相敏检波分析。
6.一种交流式应力测量装置，其特征在于，包括交流信号产生模块、惠斯通电桥、数据采集单元；
所述交流信号产生模块与惠斯通电桥输入端连接，所述惠斯通电桥包括在一臂上设置的应变片，所述惠斯通电桥的测量端还与数据采集单元连接。
7.根据权利要求6所述的交流式应力测量装置，其特征在于，还包括相位幅值计算单元，所述相位幅值计算单元与数据采集单元连接，所述相位幅值计算单元接收数据采集单元发送的信号，所述相位幅值计算单元用于计算特定频率信号的幅值或相位。
8.根据权利要求7所述的交流式应力测量装置，其特征在于，还包括中心控制单元，所述中心控制单元与交流信号产生模块连接，所述中心控制单元用于控制交流信号产生模块产生特定频率、相位及幅值的交流信号；所述中心控制单元还与相位幅值计算单元连接，所述中心控制单元用于控制相位幅值计算单元基于不同频率计算相位或幅值。
9.根据权利要求8所述的交流式应力测量装置，其特征在于，所述交流信号产生模块为多个，所述相位幅值计算单元为多个。
10.根据权利要求9所述的交流式应力测量装置，其特征在于，还包括线性拟合模块，所述线性拟合模块用于对输出信号幅值与标准施力进行线性拟合，得到二者间的线形关系。
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