CN113899388B - 一种振弦传感器自适应数据采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种振弦传感器自适应数据采集方法，包括以下步骤：S1、采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振；S2、对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，根据起振质量检测结果判定起振是否成功；S3、当判定振弦传感器采用高压拨弦方式起振失败，升高拨弦电压对振弦传感器再次进行预激振，然后重复步骤S2；S4、当拨弦电压到达高压阈值时起振仍旧失败，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振，然后重复步骤S2；S5、当判定起振成功后，根据起振信号的初测返回信号，采用相位匹配方式对振弦传感器进行复激振；S6、对复激振后的振弦传感器进行拾振。本发明可以在避免振弦传感器在起振过程中出现倍频振动，提高数据采集的抗干扰能力。

Description

一种振弦传感器自适应数据采集方法
技术领域
本发明涉及传感器数据采集技术领域，具体涉及一种振弦传感器自适应数据采集方法。
背景技术
在现有的基础设施应力应变自动化监测系统中，通常使用振弦传感器，通过振弦数据采集系统实现对振弦传感器频率的测量。在测量过程中，将振弦传感器线圈感应电流经过放大、滤波、整形之后输入到嵌入式片上系统中，通过测量单位时间内方波的数量或者固定数量方波的时间来计算信号的频率。但实际工程环境中，存在各种干扰因素，采用上述测量方法容易受环境干扰，导致较大的测量误差，甚至出现测量失败的情况。
现在技术中，公开号为CN107966223A的专利提供了一种振弦传感器激振优化方法和振弦采集装置，其振弦传感器激振优化方法包括以下步骤：(1)采用高压脉冲的激振方式对选定的振弦传感器进行激励；(2)对步骤(1)中高压脉冲激励下的振弦传感器采集到的振弦采集信号进行放大滤波后，测量其信号频率，得到预测的振弦传感器共振频率f1；(3)记录步骤(2)中放大滤波后振弦采集信号的各周期时长，并计算各周期时长的标准方差σ，判断标准方差σ是否超过容限范围，若是则返回步骤(1)采用高压脉冲的激振方式重新对选定的振弦传感器进行激励；否则进入步骤(4)；(4)采用频率范围为[f1-△f，f1+△f]的低压扫频的激振方式对步骤(1)中选定的振弦传感器进行激励；(5)对步骤(4)中低压扫频激励下的振弦传感器采集到的振弦采集信号进行放大滤波后，测量其信号频率，得到振弦传感器共振频率的精确值f2。
但是，公开号为CN107966223A的专利提供的技术方案存在以下不足，其一，该方法采用时域信号的拾振方法，抗干扰能力差，起振检测采用时域信号各周期时长的统计来进行判定，当存在外部干扰情况会出现采集失败，同时无法避免倍频干扰情况下的采集错误问题。其二，该方法的复激振采用频率范围为[f1-△f，f1+△f]的低压扫频方式对振弦传感器进行复激振，可能会出现内部传感器内部振动与复激振信号相位不一致甚至反相的情况，会增加复激振时间增加功耗、降低数据采集时间，从而无法实现高频率采集、会存在增加倍频振动的可能，抗干扰能力不足。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种振弦传感器自适应数据采集方法，以解决现有技术中存在的倍频干扰、起振质量检测性能差以及对振弦传感器的预激振、复激振采用的频率其相位不一致导致出现倍频振动，抗干扰能力不足的技术问题。
本发明采用的技术方案是，一种振弦传感器自适应数据采集方法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
S1、采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振；
S2、对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，根据起振质量检测结果判定起振是否成功；
S3、当判定振弦传感器采用高压拨弦方式起振失败，升高拨弦电压对振弦传感器再次进行预激振，然后重复步骤S2；
S4、当拨弦电压到达高压阈值时起振仍旧失败，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振，然后重复步骤S2；
S5、当判定起振成功后，根据起振信号的初测返回信号，采用相位匹配方式对振弦传感器进行复激振；
S6、对复激振后的振弦传感器进行拾振。
由第一种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：对振弦传感器采用预激振和复激振的方式，预激振通过较弱的激励信号初步获取振弦传感器的初测返回信号，然后根据初测返回信号进行相位匹配，给出相位匹配之后的定频信号进行复激振，使振弦传感器钢弦起振幅度大、自振持续时间长，可以避免出现倍频振动，有效提高数据采集精度，还可以加快振弦传感器激振时间，降低采集能耗，实现低功耗采集。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，包括检测起振信号的信噪比、峰均值和衰减率。
结合第二种可实现方式，在第三种可实现方式中，信号的信噪比等于起振信号功率谱的最大峰值与次大峰值的比值。
结合第二种可实现方式，在第四种可实现方式中，信号的峰均值等于起振信号功率谱的最大峰值与功率谱所有谱线平均值的比值。
结合第二种可实现方式，在第五种可实现方式中，信号的衰减率K按以下公式计算：
Figure BDA0003294118910000031
在上式中，Abegin为振弦信号采样开始时的幅值，Aend为振弦信号采样结束时的幅值。
结合第二种可实现方式，在第六种可实现方式中，当判定振弦传感器起振成功，需满足：
信号信噪比大于10，信号峰均值R大于50，且信号衰减率K小于0.2。
由第二种到第六种可实现方式的技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：设置了对振弦传感器起振质量的检测方法，根据起振质量的检测结果判定振弦传感器起振是否成功，将干扰较大情况下的振弦传感器起振情况判定为起振失败，并自适应采用多种方法多次自适应采集，可提升振弦传感器采集数据的有效性和采集的抗干扰能力。
结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，采用相位匹配方式，包括：根据上次拾振得到起振信号，测量信号的相位值、延迟时间、放大电路相频特性曲线，计算内部钢弦的当前振动状态。
结合第七种可实现方式，在第八种可实现方式中，按照以下公式计算内部钢弦的当前振动状态：
Figure BDA0003294118910000041
在上式中，XAP为信号的频谱，e为自然常数，θ0为信号的初相角，N为采样点数，π为圆周率，k为离散谱索引序号，m-k为频率偏移值。
结合第一种可实现方式，在第九种可实现方式中，采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振的次数为3-9次。
结合第一种可实现方式，在第十种可实现方式中，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振的次数为3-5次。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例的振弦传感器自适应数据采集方法流程示意图；
图2为本发明实施例的振弦传感器起振信号的信噪比谱线选择示意图；
图3为本发明实施例的振弦传感器起振信号衰减过程幅值示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
本实施例提供了一种振弦传感器自适应数据采集方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振
对振弦传感器进行自适应预激振时，先通过可变的高电压拨弦方式对振弦传感器的线圈进行单次拨弦激励。在具体的实施方式中，拨弦电压范围可选为在10-100伏特给线圈通电，刺激钢弦使其自由振动。在本实施例的技术方案中，对振弦传感器进行第一次自适应预激振时，拨弦电压通常设为10伏特。
S2、对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，根据起振质量检测结果判定起振是否成功
在本实施例中，结合工程低功耗、低运算量的实际需求，提出适用于振弦传感器起振信号的起振质量评价参数，包括信号信噪比、信号峰均值和信号衰减率3个起振质量评价参数，根据这3个参数的检测结果，可以评价出起振是否成功。
信号信噪比SNR，即有效信号功率与噪声功率的比值，常用分贝表示。考虑到低功耗、低运算的需求，在本实施例中，采用起振信号功率谱的最大峰值与次大峰值的比值作为信号信噪比，用来评估起振质量。如图2所示，为信噪比谱线的选择示意图。选取功率谱最大峰值的幅值Xsignal作为有效信号，次大峰值的幅值XNoise作为噪声信号，按以下公式(1)计算信号信噪比SNR：
Figure BDA0003294118910000051
信号信噪比SNR越大，表明振弦传感器所处的环境干扰越小，起振信号的起振质量越好。在具体的实施方式中，设定起振成功，需满足信号信噪比SNR大于10。
因信号信噪比不能反映拾振信号所有频段噪声情况，也不能反映噪声能量情况，在本实施例中，采用信号峰均值来评价系统在对振弦传感器进行采集数据时，受到的整体噪声干扰情况。具体的，采用起振信号功率谱的最大峰值Xsignal与功率谱所有谱线平均值Xavr的比值作为信号峰均值R，按以下公式(2)计算：
Figure BDA0003294118910000061
信号峰均值R越大，表明数据采集时受到的整体噪声干扰越小，起振信号的起振质量越好。在具体的实施方式中，设定起振成功，需满足信号峰均值R大于50。
由于振弦传感器起振之后，钢弦的自由振荡将会不停的衰减，因此感应线圈输出的信号是衰减信号。信号衰减率是指振弦传感器采样的时域信号幅值从开始到结束信号衰减的程度，振弦传感器起振情况较好时衰减比较慢，起振质量较差时，衰减较快。如图3所示，Abegin为振弦信号采样开始时的幅值，Aend为振弦信号采样结束时的幅值，信号衰减率K按以下公式(3)计算：
Figure BDA0003294118910000062
信号衰减率K越小，表明振弦传感器起振信号的起振质量越好。在具体的实施方式中，设定起振成功，需满足信号衰减率K小于0.2。
在对振弦传感器起振是否成功进行判定时，需要检测信号信噪比、信号峰均值、信号衰减率，这3个评价参数需均满足设定，即信号信噪比SNR大于10，信号峰均值R大于50，且信号衰减率K小于0.2时，判定起振成功；否则，判定起振失败。
S3、当判定振弦传感器采用高压拨弦方式起振失败，升高拨弦电压对振弦传感器再次进行预激振，然后重复步骤S2；
根据步骤S2的判定结果，如果起振失败，在10-100伏特范围内，升高拨弦电压对振弦传感器再次进行预激振。在具体的实施方式中，每次升高的拨弦电压可根据实际需要设为10伏特、20伏特等电压值。每升高一次拨弦电压，拨弦预激振的计数次数加1，同时重复步骤S2，对升高拨弦电压后再次进行了预激振的振弦传感器其起振质量进行检测，如果判定结果为起振成功，进入步骤S5。
S4、当拨弦电压到达高压阈值时起振仍旧失败，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振，然后重复步骤S2
在具体的实施方式中，高压阈值设为100伏特，判断拨弦电压是否到达高压阈值，采用对拨弦预激振的计数次数是否大于n1来确定，比如在10-100伏特范围，每次升高10伏特电压，则n1为9。如拨弦电压分别预设为10伏特、50伏特、100伏特，则n1为3。
在实际中，会出现多次升高拨弦电压对振弦传感器进行预激振后，起振多次失败的情况。当拨弦电压到达高压阈值时起振仍旧失败，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振。低压扫频的频率设为400Hz-6500Hz。
采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振后，重复步骤S2，对进行了扫频预激振的振弦传感器其起振质量进行检测，如果判定结果为起振成功，进入步骤S5。具体的，根据实际需要可设置一个扫频预激振次数阈值n2，当扫频预激振次数不大于n2时，可多次对振弦传感器采用低压扫频方式进行预激振；在具体的实施方式中，n2优选可设为3-5次。
在实际中，还会出现多次对振弦传感器进行低压扫频预激振后，扫频预激振次数已经大于n2时，起振仍旧失败的情况。在这种情况下，判定为测量错误，结束本次对振弦传感器的自适应数据采集。
S5、当判定起振成功后，根据起振信号的初测返回信号，采用相位匹配方式对振弦传感器进行复激振
当根据起振信号的起振质量检测结果，判定起振成功后，将起振信号的初测返回信号f1作为复激振输出频率，同时对复激振输出波形进行相位匹配，经过相位匹配的激励可以加强传感器内部钢弦的自振幅度，可以节省激励时间、降低能耗。
在具体的实施方式中，进行相位匹配时，根据上次拾振得到起振信号，测量信号的相位值、延迟时间、放大电路相频特性曲线，计算内部钢弦的当前振动状态，然后采用频率为f1的信号对振弦传感器的钢弦进行激励。经过相位匹配之后的激励信号可以达到与钢弦残余振动方向一致的目的，使钢弦快速再次起振；在连续测量过程中，相位匹配的作用更为突出。
在相位匹配时，计算内部钢弦的当前振动状态(即测量采样时刻的相位情况来反应内部自振动的振动情况)的算法可采用全相位FFT(快速傅里叶变换)算法，具体如下式(4)：
Figure BDA0003294118910000081
在上式(4)中，XAP为信号的频谱，e为自然常数(自然对数函数的底数)，j表示复数的虚数部分，θ0为信号的初相角，N为采样点数，π为圆周率，m表示采样率，k为离散谱索引序号，(m-k)为频率偏移值。
使用全相位FFT算法，具有更好的频谱泄露抑制能力。同时，对振弦传感器进行预激振过程中容易检出3倍频的错误频率值，如果以振弦固有频率的3倍频率给予复激振信号，振弦传感器将输出错误的稳定的3倍频信号结果；在采用自适应预激振和进行相位匹配复激振，可以有效避免出现倍频振动。
而本文的方法预激振就没那么容易检出3倍频错误频率值，相位匹配之后更不可能出错。
S6、对复激振后的振弦传感器进行拾振
振弦传感器数据采集的拾振过程主要完成振弦传感器输出信号的处理及频率计算。在拾振过程中，首先将振弦传感器内部感应线圈感应电流放大、滤波处理，然后通过单片机或可编程逻辑器实现振弦传感器频率的获取，完成对振弦传感器数据的自适应采集。
使用本实施例的技术方案对振弦传感器进行自适应数据采集，通过对振弦传感器采用预激振和复激振的方式，预激振通过较弱的激励信号初步获取振弦传感器的初测返回信号，然后根据初测返回信号进行相位匹配，给出相位匹配之后的定频信号进行复激振，使振弦传感器钢弦起振幅度大、自振持续时间长，可以避免出现倍频振动，有效提高数据采集精度，还可以加快振弦传感器激振时间，降低采集能耗，实现低功耗采集。
本实施例的技术方案，设置了对振弦传感器起振质量的检测方法，根据起振质量的检测结果判定振弦传感器起振是否成功，将干扰较大情况下的振弦传感器起振情况判定为起振失败，并自适应采用多种方法多次自适应采集，可提升振弦传感器采集数据的有效性和采集的抗干扰能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振；
S2、对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，根据起振质量检测结果判定起振是否成功；
S3、当判定振弦传感器采用高压拨弦方式起振失败，升高拨弦电压对振弦传感器再次进行预激振，然后重复步骤S2；
S4、当拨弦电压到达高压阈值时起振仍旧失败，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振，然后重复步骤S2；
S5、当判定起振成功后，根据起振信号的初测返回信号，采用相位匹配方式对振弦传感器进行复激振；
S6、对复激振后的振弦传感器进行拾振。
2.根据权利要求1所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，对振弦传感器起振信号的起振质量进行检测，包括检测起振信号的信噪比、峰均值和衰减率。
3.根据权利要求2所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，所述信号的信噪比等于起振信号功率谱的最大峰值与次大峰值的比值。
4.根据权利要求2所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，所述信号的峰均值等于起振信号功率谱的最大峰值与功率谱所有谱线平均值的比值。
5.根据权利要求2所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，所述信号的衰减率K按以下公式计算：
Figure FDA0003294118900000011
在上式中，Abegin为振弦信号采样开始时的幅值，Aend为振弦信号采样结束时的幅值。
6.根据权利要求2所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，当判定振弦传感器起振成功，需满足：
信号信噪比大于10，信号峰均值R大于50，且信号衰减率K小于0.2。
7.根据权利要求1所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，采用相位匹配方式，包括：
根据上次拾振得到起振信号，测量信号的相位值、延迟时间、放大电路相频特性曲线，计算内部钢弦的当前振动状态。
8.根据权利要求7所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，按照以下公式计算内部钢弦的当前振动状态：
Figure FDA0003294118900000021
在上式中，XAP为信号的频谱，e为自然常数，θ0为信号的初相角，N为采样点数，π为圆周率，k为离散谱索引序号，m-k为频率偏移值。
9.根据权利要求1所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，采用高压拨弦方式对振弦传感器进行预激振的次数为3-9次。
10.根据权利要求1所述的振弦传感器自适应数据采集方法，其特征在于，采用低压扫频方式对振弦传感器进行预激振的次数为3-5次。
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