CN109506716B - 一种振弦式采集终端及其激发频段采集方法 - Google Patents

一种振弦式采集终端及其激发频段采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种振弦式采集终端，包括控制器、信号激励电路、振弦传感器、通道选择电路、信号回收电路、电源、NB‑IOT数据传输单元和设备自我管理单元。本发明还提供了振弦式采集终端激发频段采集方法，通过按固定步长调整脉冲激励电压的自适应的激励方法和二次扫频激发的方式，精确的测出振弦传感器的激发频率的频段和激励信号电压，这些参数更加适合振弦传感器的实际工况，可改善常规传感器激发参数一成不变、传感器不易激发导致监控数据不完整、传感器过度激发导致寿命缩短或损坏以及激励信号设置不合理导致信号回收质量差等状况，提高传感器的使用寿命，节省维护成本。

Description

一种振弦式采集终端及其激发频段采集方法
技术领域
本发明涉及工程测量技术领域，尤其涉及一种振弦式采集终端及其激发频段采集方法。
背景技术
振弦式传感器是一种用于测试压力、位移等物理量的传感器件。随着现代传感测量技术、材料及生产工艺的发展，振弦式传感器开始完善并满足工厂应用的需求。振弦式传感器具有准确度高、长期稳定性好、结构简单、制作安装方便、输出为频率信号便于远距离传输而不带来误差，适合远程监控和长期监测等。鉴于以上优点，振弦式传感器广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、机械船舶、水库大坝等测试系统中。
大部分振弦传感器的监测时间长达数年，对传感器的长期可靠性、稳定性的要求很高。振弦传感器数据获取主要存在如下缺陷：传感器不易激发、传感器过度激发受损、信号回收质量差以及数据难以管理等，导致需要长期监测的项目数据获取困难，数据管理繁琐、数据不直观等问题，振弦传感器的工作地点大都比较偏远，设备故障后的维护十分不便。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种具有较好的现场生存能力、具有超远距离数据传输功能、利用自适应激励和采样频率扫频确定有效激励频段、传感器使用寿命长的振弦式采集终端及其激发频段采集方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种振弦式采集终端，包括控制器(1)、信号激励电路(2)、振弦传感器(3)、通道选择电路(4)、信号回收电路(5)和电源(6)，所述控制器(1)的输出端与信号激励电路(2)的输入端电性连接，信号激励电路(2)的输出端与信号回收电路(5)的输入端均与通道选择电路(4)电性连接，通道选择电路(4)还与振弦传感器(3)电性连接，信号回收电路(5)的输出端与控制器(1)电性连接；其特征在于：还包括NB-IOT数据传输单元(7)和设备自我管理单元(8)，NB-IOT数据传输单元(7)的输入端与控制器(1)的输出端电性连接；设备自我管理单元(8)的输出端与控制器(1)的输入端电性连接，电源(6)与控制器(1)、信号激励电路(2)、振弦传感器(3)、通道选择电路(4)、信号回收电路(5)、NB-IOT数据传输单元(7)和设备自我管理单元(8)电性连接；
所述控制器(1)用于通过信号激励电路(2)为振弦传感器(3)提供脉冲激励信号，并接收信号回收电路(5)输入的激发频率信号；信号激励电路(2)用于为振弦传感器(3)提供脉冲激励信号；通道选择电路(4)用于将脉冲激励信号输送至振弦传感器(3)，并将振弦传感器(3)的发出的激发频率信号输送至信号回收电路(5)；信号回收电路(5)接收振弦传感器(3)的发出的激发频率信号，经放大、滤波后发送给控制器(1)。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述控制器(1)为STM32F103VET6。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述NB-IOT数据传输单元(7)为Hi2110、Hi2150或者RoseFinch7100。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述设备自我管理单元(8)包括温湿度传感器、光敏传感器和电量传感器，温湿度传感器和光敏传感器均与控制器(1)信号连接；电量传感器与电源(6)电性连接。
另一方面，本发明提供了一种振弦式采集终端的激发频段采集方法，包括以下步骤：
S1：控制器(1)通过信号激励电路(2)提供振弦传感器(3)的初始脉冲激励信号；
S2：振弦传感器(3)在当前激励信号下进行试探性激发，如果在规定时间内信号回收电路(5)接收到振弦传感器(3)发出的对应的激发频率信号，则将检测到的激发频率信号回传给控制器(1)，由控制器(1)对激发频率信号进行信号质量分析；如果在规定时间内信号回收电路(5)未接收到振弦传感器(3)发出的激发频率信号，则控制器(1)控制信号激励电路(2)将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S3：控制器(1)根据信号回收电路(5)发出的激发频率信号判断信号质量，如果信号质量合格，则储存当前脉冲激励电压数值，并根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围；如果激发频率信号质量不合格，则控制器(1)控制信号激励电路(2)将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S4：根据上一步计算得出的脉冲激励信号的频率的范围，选择该范围的左半段频率段，由控制器(1)通过信号激励电路(2)进行二次扫频激发；
S5：通过完整扫描上一步频段内的所有频率，筛选出能够获得质量合格的脉冲激励信号的频率，从而确定振弦传感器(3)脉冲激励频率段和脉冲激发电压。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述初始脉冲激励信号为10V的脉冲信号，初始脉冲激励信号的输出功率为0.05W。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述脉冲激励信号的电压增加固定数值的幅度为10V/次。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述控制器(1)进行信号质量分析，是通过判断控制器(1)接收的激发频率信号有无256个有效波形，来确定激发频率信号是否合格。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述控制器(1)根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围是通过将当前脉冲激励信号进行傅里叶级数展开，得到不同频率、不同振幅的正弦波的集合以及脉冲激励信号各分量的频域关系，振幅最大的正弦波的频率即为中心频率，以该中心频率为中心来确定脉冲激励信号的频率范围，中心频率的范围为(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率+3000Hz)。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述二次扫频激发是通过信号激励电路(2)改变脉冲激励信号的频率，按照计算得到脉冲激励信号的频率范围的左半段，即(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率)范围内进行各频率的多次激发，各频率的激发次数由该频率对应的傅里叶级数展开后的振幅数值确定；由信号回收电路(5)接收到振弦传感器(3)发出的对应的信号，并输送控制器(1)进行激发频率信号质量判断，如果信号质量合格，则储存该脉冲激励信号的频率，重复上述步骤，进行下个频率的激发，以此类推，直至完成脉冲激励信号的频率范围的左半段的全部频率的激发和质量判断，得到有效的脉冲激励信号的频段和电压。
本发明提供的振弦式采集终端及其激发频段采集方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)振弦式采集终端自身集成了温湿度传感器、光敏传感器和电量传感器，增强对外部环境的感知能力，可长期监控设备运行状况，便于维护人员了解现场工况；
(2)振弦式采集终端采用自适应激励方法和二次扫频激发，精确的测出振弦传感器的脉冲激励信号的频段和电压，这些参数更加适合振弦传感器的实际工况，可改善常规传感器激发参数一成不变、传感器不易激发导致监控数据不完整、传感器过度激发导致寿命缩短或损坏以及激励信号设置不合理导致信号回收质量差等状况，提高传感器的使用寿命，节省维护成本；
(3)自适应激励方法是采用初始脉冲激励信号逐步尝试试探性激发，通过激发频率信号的质量，来确定合适的脉冲激励信号的频段和电压；
(4)二次扫频激发是对计算得到脉冲激励信号中心频率为范围中心，并对其左半段进行扫频验证，获得最佳的脉冲激励信号频段，以便使振弦式传感器输出的激励信号质量稳定可靠，改善现有数据采集终端数据不可靠的情况；
(5)采用NB-IOT数据传输单元进行超远距离信号传输，具有建设成本低、信号传输质量可靠、传输速度快的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明振弦式采集终端的系统结构示意图；
图2为本发明振弦式采集终端的一种信号激励电路的结构图；
图3为本发明振弦式采集终端的一种信号回收电路的结构图；
图4为本发明振弦式采集终端的激发频段采集方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种振弦式采集终端，包括控制器1、信号激励电路2、振弦传感器3、通道选择电路4、信号回收电路5、电源6、NB-IOT数据传输单元7和设备自我管理单元8。
控制器1的输出端与信号激励电路2的输入端电性连接，信号激励电路2的输出端与信号回收电路5的输入端均与通道选择电路4电性连接，通道选择电路4还与振弦传感器3电性连接，信号回收电路5的输出端与控制器1电性连接；NB-IOT数据传输单元7的输入端与控制器1的输出端电性连接；设备自我管理单元8的输出端与控制器1的输入端电性连接，电源6与控制器1、信号激励电路2、振弦传感器3、通道选择电路4、信号回收电路5、NB-IOT数据传输单元7和设备自我管理单元8电性连接。
控制器1用于通过信号激励电路2为振弦传感器3提供脉冲激励信号，并接收信号回收电路5输入的激发频率信号。如图2所示，信号激励电路2用于为振弦传感器3提供脉冲激励信号；通道选择电路4用于将脉冲激励信号输送至振弦传感器3，并将振弦传感器3的发出的激发频率信号输送至信号回收电路5。如图3所示，信号回收电路5接收振弦传感器3的发出的激发频率信号，经放大、滤波后发送给控制器1。
控制器1为STM32F103VET6。STM32系列单片机是使用ARM公司的cortex-M3为核心生产的32bit系列的单片机，具有最多112个的快速I/O端口，片内资源丰富。
NB-IOT数据传输单元7为华为海思的Hi2110、Hi2150或者中兴微RoseFinch7100。NB-IOT数据传输单元7可经UART端口与控制器1实现串口通信，还可实现与远程控制端的数据传输，实现自动化检测和无人检测。
设备自我管理单元8包括温湿度传感器、光敏传感器和电量传感器，温湿度传感器和光敏传感器均与控制器1信号连接；电量传感器与电源电性连接。温湿度传感器和光敏传感器均可与控制器1的I/O连接，感知振弦式采集终端附近的工况，如终端是否被强制开启、是否进水等，便于设备管理人员及时维护。电量传感器可监控电源的续航状况。
本发明还提供了一种振弦式采集终端的激发频段采集方法，包括以下步骤：
S1：控制器1通过信号激励电路2提供振弦传感器3的初始脉冲激励信号；
S2：振弦传感器3在当前激励信号下进行试探性激发，如果在规定时间内信号回收电路5接收到振弦传感器3发出的对应的激发频率信号，则将检测到的激发频率信号回传给控制器1，由控制器1对激发频率信号进行信号质量分析；如果在规定时间内信号回收电路5未接收到振弦传感器3发出的激发频率信号，则控制器1控制信号激励电路2将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S3：控制器1根据信号回收电路5发出的激发频率信号判断信号质量，如果信号质量合格，则储存当前脉冲激励电压数值，并根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围；如果激发频率信号质量不合格，则控制器1控制信号激励电路2将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S4：根据上一步计算得出的脉冲激励信号的频率的范围，选择该范围的左半段频率段，由控制器1通过信号激励电路2进行二次扫频激发；
S5：通过完整扫描上一步频段内的所有频率，筛选出能够获得质量合格的脉冲激励信号的频率，从而确定振弦传感器3脉冲激励频率段和脉冲激发电压。
初始脉冲激励信号为10V的脉冲信号，初始脉冲激励信号的输出功率为0.05W。初始脉冲激励信号的范围为500-6000Hz。初始脉冲激励信号是在500-6000Hz内进行分段激励，如最初从500Hz-1000Hz开始进行激励，如果脉冲激励信号经过电压调整始终质量不合格，则步进500Hz即1000Hz-1500Hz进行再次激励，直至在500-6000Hz范围内全部激励完毕。
脉冲激励信号的电压增加固定数值的幅度为10V/次。即每次电压步进的幅度为10V，最高为150V。
上述控制器1进行信号质量分析，是通过判断控制器1接收的激发频率信号有无256个有效波形，来确定激发频率信号是否合格。波形判断可以利用控制器1的计数器来计算固定时间内的有效上升沿数量是否达标，来确定激发频率信号质量。
上述控制器1根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围是通过将当前脉冲激励信号进行傅里叶级数展开，得到不同频率、不同振幅的正弦波的集合以及脉冲激励信号各分量的频域关系，振幅最大的正弦波的频率即为中心频率，以该中心频率为中心来确定脉冲激励信号的频率范围，中心频率的范围为(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率+3000Hz)。当前脉冲激励信号进行傅里叶级数展开后，在频域关系中，能很直观的看到频率分量与振幅的关系，即频率数值和频率对应的振幅。
上述二次扫频激发是通过信号激励电路2改变脉冲激励信号的频率，按照计算得到脉冲激励信号的频率范围的左半段，即(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率)范围内进行各频率的多次激发，各频率的激发次数由该频率对应的傅里叶级数展开后的振幅数值确定；由信号回收电路5接收到振弦传感器3发出的对应的信号，并输送控制器1进行激发频率信号质量判断，如果信号质量合格，则储存该脉冲激励信号的频率，重复上述步骤，进行下个频率的激发，以此类推，直至完成脉冲激励信号的频率范围的左半段的全部频率的激发和质量判断，得到有效的脉冲激励信号的频段和电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种振弦式采集终端，包括控制器(1)、信号激励电路(2)、振弦传感器(3)、通道选择电路(4)、信号回收电路(5)和电源(6)，所述控制器(1)的输出端与信号激励电路(2)的输入端电性连接，信号激励电路(2)的输出端与信号回收电路(5)的输入端均与通道选择电路(4)电性连接，通道选择电路(4)还与振弦传感器(3)电性连接，信号回收电路(5)的输出端与控制器(1)电性连接；其特征在于：还包括NB-IOT数据传输单元(7)和设备自我管理单元(8)，NB-IOT数据传输单元(7)的输入端与控制器(1)的输出端电性连接；设备自我管理单元(8)的输出端与控制器(1)的输入端电性连接，电源(6)与控制器(1)、信号激励电路(2)、振弦传感器(3)、通道选择电路(4)、信号回收电路(5)、NB-IOT数据传输单元(7)和设备自我管理单元(8)电性连接；
所述控制器(1)用于通过信号激励电路(2)为振弦传感器(3)提供脉冲激励信号，并接收信号回收电路(5)输入的激发频率信号；信号激励电路(2)用于为振弦传感器(3)提供脉冲激励信号；通道选择电路(4)用于将脉冲激励信号输送至振弦传感器(3)，并将振弦传感器(3)的发出的激发频率信号输送至信号回收电路(5)；信号回收电路(5)接收振弦传感器(3)的发出的激发频率信号，经放大、滤波后发送给控制器(1)；
所述振弦式采集终端进行激发频段采集方法，包括以下步骤：
S1：控制器(1)通过信号激励电路(2)提供振弦传感器(3)的初始脉冲激励信号；
S2：振弦传感器(3)在当前激励信号下进行试探性激发，如果在规定时间内信号回收电路(5)接收到振弦传感器(3)发出的对应的激发频率信号，则将检测到的激发频率信号回传给控制器(1)，由控制器(1)对激发频率信号进行信号质量分析；如果在规定时间内信号回收电路(5)未接收到振弦传感器(3)发出的激发频率信号，则控制器(1)控制信号激励电路(2)将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S3：控制器(1)根据信号回收电路(5)发出的激发频率信号判断信号质量，如果信号质量合格，则储存当前脉冲激励电压数值，并根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围；如果激发频率信号质量不合格，则控制器(1)控制信号激励电路(2)将当前脉冲激励信号的电压增加固定数值，再次进行试探性激发；
S4：根据上一步计算得出的脉冲激励信号的频率的范围，选择该范围的左半段频率段，由控制器(1)通过信号激励电路(2)进行二次扫频激发；
S5：通过完整扫描上一步频段内的所有频率，筛选出能够获得质量合格的脉冲激励信号的频率，从而确定振弦传感器(3)脉冲激励频率段和脉冲激发电压；
其中，控制器(1)根据当前脉冲激励信号计算得到脉冲激励信号的频率的范围是通过将当前脉冲激励信号进行傅里叶级数展开，得到不同频率、不同振幅的正弦波的集合以及脉冲激励信号各分量的频域关系，振幅最大的正弦波的频率即为中心频率，以该中心频率为中心来确定脉冲激励信号的频率范围，中心频率的范围为(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率+3000Hz)；
二次扫频激发是通过信号激励电路(2)改变脉冲激励信号的频率，按照计算得到脉冲激励信号的频率范围的左半段，即(脉冲激励信号中心频率-3000Hz，脉冲激励信号中心频率)范围内进行各频率的多次激发，各频率的激发次数由该频率对应的傅里叶级数展开后的振幅数值确定；由信号回收电路(5)接收到振弦传感器(3)发出的对应的信号，并输送控制器(1)进行激发频率信号质量判断，如果信号质量合格，则储存该脉冲激励信号的频率，重复上述步骤，进行下个频率的激发，以此类推，直至完成脉冲激励信号的频率范围的左半段的全部频率的激发和质量判断，得到有效的脉冲激励信号的频段和电压。
2.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端，其特征在于：所述控制器(1)为STM32F103VET6。
3.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端，其特征在于：所述NB-IOT数据传输单元(7)为Hi2110、Hi2150或者RoseFinch7100。
4.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端，其特征在于：所述设备自我管理单元(8)包括温湿度传感器、光敏传感器和电量传感器，温湿度传感器和光敏传感器均与控制器(1)信号连接；电量传感器与电源(6)电性连接。
5.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端的激发频段采集方法，其特征在于：所述初始脉冲激励信号为10V的脉冲信号，初始脉冲激励信号的输出功率为0.05W。
6.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端的激发频段采集方法，其特征在于：所述脉冲激励信号的电压增加固定数值的幅度为10V/次。
7.如权利要求1所述的一种振弦式采集终端的激发频段采集方法，其特征在于：所述控制器(1)进行信号质量分析，是通过判断控制器(1)接收的激发频率信号有无256个有效波形，来确定激发频率信号是否合格。
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