CN205015083U - 振弦式传感器的频率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及振弦式传感器的频率测量装置，该装置包括激振装置、开关电路和拾振装置，激振装置按照信号的流向包括依次连接的扫频激励源、幅度调节电路、极性转换电路和桥式推挽功率放大电路，桥式推挽功率放大电路与开关电路相连；拾振装置包括仪表放大器、二次放大电路、包络检波电路、具有二极管嵌位的过零检测电路、信号有效性处理电路和等精度测频电路。本实用新型频率测量装置通过各组件的配合工作能够自适应的用于现场不同的振弦式传感器激振和拾振，实现等精度的振弦式传感器的频率可靠测量并提高了测量准确度。

Description

振弦式传感器的频率测量装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程、道路交通设施、大型楼宇等的健康监测技术领域，特别是应用于岩土工程、道路交通设施、大型楼宇等的安全监测仪器中的振弦式传感器的频率测量装置。

背景技术

在对岩土工程、道路交通设施、大型楼宇等的安全监测中，通常采用振弦式传感器等安全监测仪器监测岩土工程(或道路交通设施或大型楼宇)的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程(或道路交通设施或大型楼宇)的安全。振弦式传感器内部的钢弦的振动固有频率参量是最为关键的测量因子，目前测量钢弦的频率参量通常采用激振拾振的方法：采集终端首先向振弦式传感器发送单脉冲激励信号或扫频激励信号，向振弦式传感器馈入激励能量，使振弦式传感器内部的钢弦产生振动。撤销激励信号后，振弦式传感器的钢弦处于自由谐振状态，以特定的频率谐振，该谐振频率与振弦式传感器所测量的参量有特定的对应关系。采集终端再检测、处理振弦式传感器的谐振信号，得到其谐振频率，即钢弦的固有频率。

由于振弦式传感器本身个体差异性，及安装使用外围环境差异性，振弦式传感器的激励特性、谐振特性有较大的差异。经常需要对现场不同的传感器个体设定专门的激励信号特性及拾振过程参数，才可以可靠地获得振弦式传感器参量，对使用者有较高的技术要求，需要一种自适应的振弦式传感器激励及拾振技术来解决此类问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术需要对现场不同的传感器个体设定专门的激励信号特性及拾振过程参数才能可靠地获得振弦式传感器参量且对使用者有较高的技术要求等问题，提供一种振弦式传感器的频率测量装置，采用的激振装置能够根据振弦式传感器信号传输电缆长度不同自适应地调整激励信号振幅，拾振装置采用具有二极管嵌位的过零检测电路配合包络检波电路，实现动态截取质量较好的信号测量其频率，提高测量准确度。

本实用新型的技术方案如下：

一种振弦式传感器的频率测量装置，包括激振装置、开关电路和拾振装置，所述开关电路切换激振装置和拾振装置分别与振弦式传感器的连接，其特征在于，

所述激振装置按照信号的流向包括依次连接的扫频激励源、幅度调节电路、极性转换电路和桥式推挽功率放大电路，所述桥式推挽功率放大电路与开关电路相连；

所述拾振装置包括仪表放大器、二次放大电路、包络检波电路、具有二极管嵌位的过零检测电路、信号有效性处理电路和等精度测频电路，所述仪表放大器分别与开关电路和二次放大电路相连，所述二次放大电路分别连接过零检测电路和包络检波电路，所述过零检测电路连接等精度测频电路，所述包络检波电路连接信号有效性处理电路，所述信号有效性处理电路与等精度测频电路相连。

所述幅度调节电路包括数字电位器，所述扫频激励源输出单极性差分扫频激励信号分别连接至数字电位器的两个固定端，由数字电位器的调整端输出幅度调节后的单极性单端信号。

所述激振装置还包括等值电阻分压电路，所述等值电阻分压电路产生差分扫频信号的相对零点信号，所述等值电阻分压电路与极性转换电路相连；所述极性转换电路包括差分放大器和反相放大器，所述差分放大器与数字电位器相连并将数字电位器输出的幅度调节后的单极性单端信号作为差分正向输入以及将等值电阻分压电路输出的差分扫频信号的相对零点作为差分负向输入，所述差分放大器输出双极性单端扫频信号，所述反相放大器的输入端连接差分放大器的输出端，所述反相放大器的输出与所述差分放大器的输出共同构成双极性差分扫频信号输出。

所述具有二极管嵌位的过零检测电路包括隔直电容、比较器以及两组二极管嵌位电路，二次放大电路的输出端作为具有二极管嵌位的过零检测电路的输入端依次连接隔直电容和比较器，第一组二极管嵌位电路包括两个设置方向相反且并联连接的二极管，第一组二极管嵌位电路的一端从过零检测电路的输入端引出且第一组二极管嵌位电路的另一端接地，第二组二极管嵌位电路包括一正极接地且负极从过零检测电路的输出端引出的二极管。

所述拾振装置还包括前置高通滤波电路和二阶带通滤波电路，所述仪表放大器通过前置高通滤波电路与开关电路相连且所述仪表放大器通过二阶带通滤波电路与二次放大电路相连。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型涉及的振弦式传感器的频率测量装置，设置特定结构的激振装置与拾振装置，在激振装置中，扫频激励源发出单极性差分信号，并通过幅度调节电路进行调整振幅，根据振弦式传感器要求设定激励信号振幅基准，并输出单极性单端信号(或者说是单极性单端扫频信号)，通过极性转换电路将单极性单端信号转换为双极性差分信号，并配合桥式推挽功率放大电路实现扫频信号功率放大，扩充了激励输出信号的动态范围，引入适度的正反馈，提升桥式推挽功率放大电路等效输出阻抗，实现激励振弦式传感器的扫频信号幅度随着振弦式传感器信号传输电缆长度不同自适应地调整激励信号振幅，补偿因振弦式传感器信号传输电缆阻抗引入的激励信号损耗。在拾振装置中，通过仪表放大器对振弦式传感器输出的谐振信号进行差分放大，并抑制振弦式传感器谐振信号中的共模干扰，配合具有二极管嵌位的过零检测电路，采用二极管对振弦式传感器谐振信号进行嵌位，避免振弦式传感器谐振信号振幅不同导致过零检测电路回差不一致性，由过零检测电路将振弦式传感器谐振信号整形成方波，并提供比较回差防止阈值以下噪声影响过零检测电路正常输出，输出信号采用二极管嵌位方式将双极性方波转换成单极性方波，通过包络检波电路配合信号有效性处理电路检测所获取的振弦式传感器谐振信号的振幅判断振弦式传感器谐振信号稳定区间、信号质量劣化区间，评估信号质量，动态截取质量较好的中段部分信号测频，提升频率测量的准确度，避免了现有技术需要对现场不同的传感器个体设定专门的激励信号特性及拾振过程参数才能可靠地获得振弦式传感器参量且对使用者有较高的技术要求等问题，本实用新型基于扫频激励方式激励振弦式传感器以及计数法等精度测量振弦式传感器谐振频率的原理，完全克服了现有技术的弊端，降低了对使用者的技术要求，能够自适应的用于现场不同的振弦式传感器激振和拾振，实现等精度的振弦式传感器的频率的可靠测量，提升了频率测量的准确度。

本实用新型的振弦式传感器的频率测量装置优选可以在拾振装置中设置前置高通滤波电路和二阶带通滤波电路，仪表放大器通过前置高通滤波电路与开关电路相连，采用前置高通滤波电路能够有效降低现场工频干扰，提升测量信号的信噪比；仪表放大器通过二阶带通滤波电路与二次放大电路相连，采用二阶带通滤波电路，有效过滤振弦式传感器谐振信号带外的干扰信号，进一步提高测量信号的信噪比，进一步提升了频率测量的准确度。

附图说明

图1为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的结构框图。

图2为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的优选结构框图。

图3a为本实用新型的激励信号波形示意图，图3b为振弦式传感器的谐振信号波形示意图。

图4为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置中的激振装置的电路图。

图5为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的开关电路和前置高通滤波电路的示意图。

图6为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的拾振装置中的仪表放大器的电路示意图。

图7为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的拾振装置中的二阶带通滤波电路示意图。

图8为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的拾振装置中的二次放大电路、包络检波电路以及具有二极管嵌位的过零检测电路的示意图。

图中各标号列示如下：

1－包络检波输出线；2－信号稳定临界点；3－信号劣化临界点；4－有效信号段；5－叠加干扰信号；6－扫频激励源；7－数字电位器；8－反相放大器；9－差分放大器；10－桥式推挽功率放大电路；11－等值电阻分压电路；12－开关电路；13－前置高通滤波电路；14－二次放大电路；15－过零检测电路；151－第一组二极管嵌位电路；152－第二组二极管嵌位电路；153－隔直电容；154－比较器；16－包络检波电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型公开了一种振弦式传感器的频率测量装置，其结构如图1所示，包括激振装置、开关电路和拾振装置，开关电路切换激振装置和拾振装置分别与振弦式传感器的连接，在激振阶段开关电路接通激振装置与振弦式传感器的连接，在拾振阶段开关电路接通拾振装置振弦式传感器的连接。其中，激振装置按照信号的流向包括依次连接的扫频激励源、幅度调节电路、极性转换电路和桥式推挽功率放大电路，桥式推挽功率放大电路与开关电路相连；拾振装置包括仪表放大器、二次放大电路、包络检波电路、具有二极管嵌位的过零检测电路、信号有效性处理电路和等精度测频电路，仪表放大器分别与开关电路和二次放大电路相连，二次放大电路分别连接过零检测电路和包络检波电路，过零检测电路连接等精度测频电路，包络检波电路连接信号有效性处理电路，信号有效性处理电路与等精度测频电路相连。

本实用新型的开关电路可采用电子开关接通或关断激振装置、拾振装置。开始测量时，先关闭拾振装置，开通激振装置，将激振装置产生的激励信号馈入振弦式传感器，使振弦式传感器的钢弦谐振；然后关闭激振装置，开通拾振装置，由拾振装置对振弦式传感器输出的谐振信号进行处理，基于频率计数法通过等精度测量方式测得振弦式传感器输出信号的频率。在激振装置中，扫频激励源发出单极性差分扫频信号，由幅度调节电路进行幅度调节后输出幅度调整后的单极性单端信号，再经过极性转换电路对单极性单端信号进行极性转换输出双极性差分扫频信号，然后通过桥式推挽功率放大电路将双极性差分扫频信号施加至振弦式传感器并根据振弦式传感器信号传输电缆长度不同自适应地调整激励信号振幅，实现激励信号的自适应调整。在拾振装置中，仪表放大器对振弦式传感器输出的谐振信号进行差分放大和抑制共模干扰，并通过二次放大电路进行二次线性放大，提升信号过零斜率，经过二次线性放大后的信号同时输入至包络检波电路和具有二极管嵌位的过零检测电路，经过二次放大后的信号进入具有二极管嵌位的过零检测电路先由二极管嵌位的方式对信号限幅再进行带回差的过零检测，将信号转换为便于等精度测量的数字方波信号；经过二次线性放大后的信号还进入包络检波电路检测信号的幅值再由信号有效性处理电路进行信号有效性处理，评估信号质量，根据信号幅值大小变化，丢弃前期未稳定的信号部分以及后期过度衰减的信号部分，动态截取质量较好的中段部分信号输入等精度测频电路，等精度测频电路同时根据过零检测的结果以及信号有效性处理的结果基于频率计数法进行等精度测频从而得到振弦式传感器的谐振频率。

图2为本实用新型振弦式传感器的频率测量装置的优选结构框图。在优选的频率测量装置中，激振装置中的扫频激励源可设置在微控制器MCU中，拾振装置中的信号有效性处理电路和等精度测频电路也可以设置在微控制器MCU中。具体地，可以由采集终端内MCU的两路PIO(并行输入输出接口)接口输出单极性差分扫频逻辑信号(3.3VCMOS逻辑电平信号)，激励信号波形如图3a所示。激振装置的电路图如图4所示，MCU+SWP以及MCU-SWP即为扫频激励源6的单极性差分扫频逻辑信号输出，幅度调节电路可采用图4中的标号RW所示的数字电位器7，扫频激励源6输出单极性差分扫频激励信号分别连接至数字电位器7的两个固定端，由数字电位器7的调整端输出幅度调节后的单极性单端信号，优选可以通过MCU控制数字电位器，即激励信号大小可由MCU控制数字电位器调整，根据振弦式传感器要求设定激励信号振幅基准，调整单极性差分扫频信号振幅，形成幅度可调的单极性单端信号(产生扫频信号振幅基准)。如图2和图4所示，激振装置优选还包括等值电阻分压电路11，采用等值电阻分压方式对MCU使用的供电电压(3.3V)分压，产生差分扫频信号的相对零点信号(1.65V)，等值电阻分压电路11与极性转换电路相连。极性转换电路包括增益均为1的差分放大器9和反相放大器8，差分放大器9与数字电位器7相连并将数字电位器7输出的幅度调节后的单极性单端信号作为差分正向输入以及将等值电阻分压电路11输出的差分扫频信号的相对零点作为差分负向输入，差分放大器9输出双极性单端信号，反相放大器8的输入端连接差分放大器9的输出端，反相放大器8的输出端输出与差分放大器9输出共同构成双极性差分扫频信号。桥式推挽功率放大电路10由主要采用双路驱动功率运算放大器，对双极性差分扫频信号进行放大，实现扫频信号功率放大，扩充了激励输出信号的动态范围(输出激励信号可增大一倍动态范围)，桥式推挽功率放大电路10还增加激励电流信号正反馈，提升其等效输出阻抗，根据振弦式传感器信号传输电缆长度不同(或者说是根据负载阻抗不同)自适应地调整输出激励信号振幅，抵消(或者说是补偿)振弦式传感器信号传输电缆线路阻抗引入的激励信号损耗。如图3a所示激励信号的波形，其输出信号的振幅随振弦式传感器信号传输电缆阻抗增大而增大。

如图2所示实施例的拾振装置中的各组件的电路图为图5—图8所示。该实施例的拾振装置优选还采用了前置高通滤波电路和二阶带通滤波电路，如图2所示，开关电路依次连接前置高通滤波电路、仪表放大器、二阶带通滤波电路和二次放大电路，振弦式传感器的谐振信号波形如图3b所示，振弦式传感器输出的谐振信号先经过前置高通滤波电路，电路图如图5所示，开关电路12的FRQ_OUT和COM_OUT端均为从振弦式传感器的输入信号，前置高通滤波电路13采用二阶无源高通滤波器初步过滤现场环境中的工频干扰信号，对50Hz工频干扰提供超过30dB额外衰减，提升测量信号的信噪比。再进入仪表放大器，其电路图如图6所示，采用仪表放大器对振弦式传感器谐振信号进行差分100倍放大，并抑制振弦式传感器谐振信号中的共模干扰，输出适合后级二阶带通滤波电路幅值的信号。图6所示的仪表放大器的增益与R73设置为511欧有关，也可以将R73设置为其它值。二阶带通滤波电路的电路图如图7所示，使用高通、低通SALLEN-KEY有源滤波器(如图7所示的A和B)串联构成二阶带通滤波电路，该电路图的二阶带通滤波电路的通带频率范围是450Hz—6500Hz，过滤振弦式传感器谐振信号有效频带以外的干扰信号，进一步提高测量信号的信噪比，更加提升了频率测量的准确度。再由二次放大电路将二阶带通滤波电路的输出信号再次进行线性放大，如图8所示电路图，二次放大电路14能够提升信号过零时斜率，以便于后级过零检测电路15对信号进行整形、包络检波电路16检测信号的幅值。

过零检测电路15的电路结构如图8所示，为具有二极管嵌位的过零检测电路，包括两组二极管嵌位电路(第一组二极管嵌位电路151和第二组二极管嵌位电路152)、隔直电容153和比较器154，二次放大电路14的输出端作为具有二极管嵌位的过零检测电路15的输入端依次连接隔直电容153和比较器154，第一组二极管嵌位电路151包括两个设置方向相反且并联连接的二极管，第一组二极管嵌位电路151的一端从过零检测电路的输入端引出且第一组二极管嵌位电路151的另一端接地，第二组二极管嵌位电路152至少包括一正极接地且负极从过零检测电路的输出端引出的二极管。第二组二极管嵌位电路152可以是如图8所示的将相反方向设置的一对二极管封装而成且封装后具有3个引脚，引脚1悬空，引脚2从过零检测电路的输出端引出，引脚3接地。过零检测电路15大致工作是：经二次放大后的信号，先由第一组二极管嵌位电路151对信号限幅，然后通过比较器154实现带回差的过零检测，将信号转换为便于等精度测量的数字方波信号，并抑制低于比较阈值的噪声干扰，即提供比较回差防止阈值以下的噪声影响比较器154正常输出，输出信号采用第二组二极管嵌位电路152以二极管嵌位方式将双极性方波信号嵌位形成带少许残留负电压的单极性方波信号。

包络检波电路16的电路结构如图8所示，可采用有源理想二极管电路组成的电路实现对振弦式传感器谐振信号包络检波，获取振弦式传感器谐振信号振幅随时间变化关系，振弦式传感器的谐振信号波形如图3b所示，包络检波电路16采用检波方式同步检测振弦式传感器谐振信号的振幅，该振幅以指数形态衰减，振幅过大时，信号频率尚未稳定；振幅过小时，信号信噪比低；包络检波电路16输出包络检波输出线1，传输至信号有效性处理电路进行信号有效性处理；信号有效性处理电路可先进行同步AD转换将包络检波电路16输出的模拟信号转换为数字信号，再根据检测到的信号幅值变化判断信号的有效性，根据幅值大小变化，去除振幅大于最大振弦式传感器谐振信号振幅75％的不稳定谐振信号、去除振幅小于最大振弦式传感器谐振信号振幅25％的低信噪比信号，只采用中段质量较好的信号(即采用振幅介于最大振弦式传感器谐振信号振幅25％～75％之间的高质量信号)通过等精度测频电路进而得到振弦式传感器的谐振频率。如图3b所示，包络检波输出线1具有信号稳定临界点2和信号劣化临界点3，谐振信号波形到信号稳定临界点2后信号开始稳定此时振幅为最大振弦式传感器谐振信号振幅的75％，谐振信号波形到信号劣化临界点3后信号为低信噪比信号此时振幅为最大振弦式传感器谐振信号振幅的25％，只采用有效信号段4的谐振信号用于后续等精度测频，能够去除掉带内的叠加干扰信号5，保证信号质量，动态截取稳定的质量较好中段部分的谐振信号提供给等精度测频电路，提高测量准确度。也就是说，当振弦式传感器在拾振阶段损耗小，谐振信号衰减很慢(衰减到最大振幅的75％时用时超过50ms、衰减到最大振幅的25％时用时超过200ms)时，采用定时截取50ms-200ms时段的谐振信号，用于等精度测量信号的频率。

过零检测电路15将数字方波信号输入至等精度测频电路，检波电路16将稳定的高质量谐振信号输入至等精度测频电路，等精度测频电路内通常设置有MCU定时器及计数器等组件，根据计数器得到的谐振信号的脉冲样本数以及设置的标准参考脉冲频率定时器(即MCU定时器)的计数值计算脉冲周期进而求反得到振弦式传感器的谐振频率，简单来说就是，计数足够数量的脉冲数、持续时间，可直接计算处理得到振弦式传感器的谐振频率。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种振弦式传感器的频率测量装置，包括激振装置、开关电路和拾振装置，所述开关电路切换激振装置和拾振装置分别与振弦式传感器的连接，其特征在于，

所述激振装置按照信号的流向包括依次连接的扫频激励源、幅度调节电路、极性转换电路和桥式推挽功率放大电路，所述桥式推挽功率放大电路与开关电路相连；

所述拾振装置包括仪表放大器、二次放大电路、包络检波电路、具有二极管嵌位的过零检测电路、信号有效性处理电路和等精度测频电路，所述仪表放大器分别与开关电路和二次放大电路相连，所述二次放大电路分别连接过零检测电路和包络检波电路，所述过零检测电路连接等精度测频电路，所述包络检波电路连接信号有效性处理电路，所述信号有效性处理电路与等精度测频电路相连。

2.根据权利要求1所述的振弦式传感器的频率测量装置，其特征在于，所述幅度调节电路包括数字电位器，所述扫频激励源输出单极性差分扫频激励信号分别连接至数字电位器的两个固定端，由数字电位器的调整端输出幅度调节后的单极性单端信号。

3.根据权利要求2所述的振弦式传感器的频率测量装置，其特征在于，所述激振装置还包括等值电阻分压电路，所述等值电阻分压电路产生差分扫频信号的相对零点信号，所述等值电阻分压电路与极性转换电路相连；所述极性转换电路包括差分放大器和反相放大器，所述差分放大器与数字电位器相连并将数字电位器输出的幅度调节后的单极性单端信号作为差分正向输入以及将等值电阻分压电路输出的差分扫频信号的相对零点作为差分负向输入，所述差分放大器输出双极性单端扫频信号，所述反相放大器的输入端连接差分放大器的输出端，所述反相放大器的输出与所述差分放大器的输出共同构成双极性差分扫频信号输出。

4.根据权利要求1至3之一所述的振弦式传感器的频率测量装置，其特征在于，所述具有二极管嵌位的过零检测电路包括隔直电容、比较器以及两组二极管嵌位电路，二次放大电路的输出端作为具有二极管嵌位的过零检测电路的输入端依次连接隔直电容和比较器，第一组二极管嵌位电路包括两个设置方向相反且并联连接的二极管，第一组二极管嵌位电路的一端从过零检测电路的输入端引出且第一组二极管嵌位电路的另一端接地，第二组二极管嵌位电路包括一正极接地且负极从过零检测电路的输出端引出的二极管。

5.根据权利要求1至3之一所述的振弦式传感器的频率测量装置，其特征在于，所述拾振装置还包括前置高通滤波电路和二阶带通滤波电路，所述仪表放大器通过前置高通滤波电路与开关电路相连且所述仪表放大器通过二阶带通滤波电路与二次放大电路相连。