CN117516700A - 基于去噪均值法的振弦传感器全频段自适应测频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网传感器领域，尤其涉及振弦传感器测频方法，其发明内容为：设计去噪均值滤波方法及稳定频率判断标准，通过去除最大、最小值，有效去除干扰，快速获得稳定振弦频率。具体实现步骤为：1)振弦式传感器读数模块读振弦传感器数据，并把数据放入数组列表DataList；2)DataList中的数据量等于4条时，利用去噪均值滤波法计算激振初值AvgValue；3)振弦式传感器读数模块读振弦传感器数据Data；4)计算AvgValue与Data差的绝对值Diff；5)对Diff与阈值T进行比较，如果Diff大于阈值T，把Data代入公式(1)，得到新的计算去噪移动平均数AvgValue，并重复3)到5)；6)对Diff与阈值T进行比较，如果Diff小于阈值T，则Data就是本次传感器的测量值。

Description

基于去噪均值法的振弦传感器全频段自适应测频方法

技术领域

本发明涉及物联网传感器领域，尤其涉及振弦传感器测频方法。

背景技术

振弦式传感器的核心是一根金属丝弦构成的敏感元件，与传感器受力部件连接固定，通过钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式，计算出被测物理量。振弦式传感器主要包含夹块、振弦、永久磁铁、线圈、软铁块以及感压膜片构成。其结构如图1。

振弦传感器工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出与钢弦张力有关的频率信号。

对振弦传感器进行高质量的激励，是振弦传感器可靠测量的关键。毛索颖、Sang Y等使用的全频激励策略为最直接简单的方式，但是所产生的激励回波能量有限，导致激励质量差。袁广超等使用的频段激励提高了测量的可靠性和测量结果的稳定性，但是在工程实践中因无法预知待测频率位于的频率区间，从而降低了可操作性。贺虎等使用反馈式低压激励方式兼具全频激励策略、频段激励的优点，采用低压拨弦预激励和扫频复激励方式来优化激励策略，但是由于低压拨弦预激励效果差，导致复激励不可靠。王大涛等使用的自适应扫频激励方法，通过改变扫频脉冲序列递增步长，将激励过程分为预扫频激励与复扫频激励两个阶段，这种激励方式虽能够大幅提升复激励的激励质量，但是所采用的等精度测频法抗干扰性差，未能解决预激励本身存在的可靠性不足问题。

实际工程应用中，不同振弦传感器的起振激励线圈的电阻值是不一样的，线圈电阻值的范围一般在100Ω至650Ω之间。针对300Ω内的起振激励线圈，一般采用低压扫频方式激励，而对大于300Ω的起振激励线圈，一般采用高压激励方式激励。在振弦采集器接入振弦传感器时，接入的振弦传感器的激励线圈的电阻是随机的，同时振弦传感器的自振频率一般在400Hz～6000Hz之间,因此，在振弦传感器接入振弦采集器时，振弦采集器无法预知待测振弦传感器的自振频率，这就导致振弦采集器不能兼容不同电阻与频率的振弦传感器。

为了简化读取振弦传感器数据的难度，许多公司开发了单独的振弦式传感器读数模块，比如河北稳控的VM5x1振弦式传感器读数模块系列，振弦式传感器读数模块对振弦传感器的数据读取进行了封装，用户只需要发送指令，就可以读取振弦传感器的数据，因振弦传感器的自振频率的多样性，在振弦传感器接入振弦式传感器读数模块时，振弦式传感器读数模块无法预知待测振弦传感器的自振频率，同样会导致基于振弦式传感器读数模块开发的振弦采集器不能兼容不同电阻与频率的振弦传感器，导致振弦采集器的工程应用性较差。

发明内容

本发明设计了一种基于去噪均值法的振弦传感器全频段自适应测频方法，用于解决基于振弦式传感器读数模块开发的振弦采集器不能兼容不同电阻与频率的振弦传感器的问题。本发明内容：

1.设计去噪均值滤波方法，通过振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器N(N≥4)个值，去掉N个值中的最大值与最小值，对N-2条数据求平均，算法见公式(1)；

1.设计稳定频率判断标准如下：

(1)使用振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器i(i≥4)个值，根据公式(1)计算均值AvgValue_i；

(2)通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器，获得振弦传感器的第i+1个值Value_i+1；

(3)差值计算

Diff＝|Value_i+1-AvgValue_i| (2)

设置阈值T，假如Diff≤T，则Value_i+1为稳定频率。

实施步骤：

1.通过振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器数据I次(I≥4)；

2.连续通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器数据Data_n；

3.利用公式(1)，求得Data_n的去噪移动平均值AvgValue_n；

4.通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器的数据Data_n+1；

5.利用差值计算公式(2)计算差值Diff_n；

Diff_n＝|Value_n+1-AvgValue_n|

6.如果Diff_n≤阈值T，则Value_n+1为稳定频率，否则重复步骤2～6。

基于振弦式传感器读数模块开发的振弦采集器全频段自适应扫频方法的流程如图2

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一、能够全频段自适应对各种振弦传感器进行测频。振弦传感器的自振频率一般在400Hz～6000Hz之间，基于去噪均值法的振弦传感器全频段自适应测频方法，通过振弦式传感器读数模块任意、连续读取振弦传感器数据，在计算均值的过程中，通过每次去除最大、最小值来去除噪声，实现快速收敛，获得稳定振弦频率；

二、获得稳定振弦频率快。振弦式传感器读数模块采集的传感器信号的过程波形如图3，可以看出，使用去噪均值法，通过去除最大、最小值，能够有效去除干扰波，快速收敛。

附图说明

图1为振弦传感器的结构图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明采集传感器信号过程的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图2，其步骤具体包括：

步骤1)：振弦式传感器读数模块读振弦传感器数据，并把数据放入数组列表DataList；

步骤2)：DataList中的数据量等于4条时，利用去噪均值滤波法计算激振初值AvgValue；

步骤3)：振弦式传感器读数模块读振弦传感器数据Data；

步骤4)：计算AvgValue与Data差的绝对值Diff；

步骤5)：对Diff与阈值T进行比较，如果Diff大于阈值T，把Data代入公式(1)，得到新的去噪移动平均值AvgValue，并重复步骤3)到步骤5)；

步骤6)：对Diff与阈值T进行比较，如果Diff小于阈值T，则Data就是本次传感器的测量值；

具体测量、滤波与稳定频率判定如表1。

表1测量、滤波与稳定频率判定

测量值(Hz)	去噪均值滤波处理	判断输出(T＝0.1)
			1459.463
1459.491
			1459.412
1459.647	1459.555
			1459.423	1459.535
1459.623	1459.523	1459.557
			1459.414	1459.523
1459.593	1459.508	1459.541
			1459.485	1459.539	1459.502
1459.451	1459.468	1459.517
			1459.418	1459.468	1459.455

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于去噪均值法的振弦传感器全频段自适应测频方法，其特征在于：

1)设计去噪均值滤波方法，通过振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器N(N≥4)个值，去掉N个值中的最大值与最小值，最后对N-2条数据求平均，算法见公式(1)；

2)设计稳定频率判断标准，如下：

(1)使用振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器i(i≥4)个值，根据公式(1)计算平均值AvgValue_i；

(2)通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器，获得振弦传感器的第i+1个值Value_i+1；

(3)差值计算

Diff＝|Value_i+1-AvgValue_i| (2)

设置阈值T，假如Diff≤T，则Value_i+1为稳定频率。

其步骤包括：

1.通过振弦式传感器读数模块，连续读取振弦传感器数据I次(I≥4)；

2.连续通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器数据Data_n；

3.利用公式(1)，求得Data_n的去噪移动平均数AvgValue_n；

4.通过振弦式传感器读数模块读取振弦传感器数据Data_n+1；

5.利用差值计算公式(2)计算差值Diff_n；

Diff_n＝|Value_n+1-AvgValue_n|

6.如果Diff_n≤阈值T，则Value_n+1为稳定频率，否则重复步骤2～6。