一种振弦式传感器的频率测量方法与流程

1.本发明涉及一种振弦式传感器的频率测量方法，属于健康监测技术领域。


背景技术：

2.随着经济和科学技术的快速发展，越来越多的大型复杂工程结构体得以兴建，如大跨度桥梁、体育馆、高层建筑、水利设施等，这些工程结构体对保障人民生命、财产安全非常重要。通常采用振弦式传感器来监测工程的压力，位移，温度，形变量，渗漏等物理量，以此来判定工程项目的运行状况，预测一些地质灾害或者项目漏洞。为保证大型结构体的安全使用，建立可靠的结构体健康监测系统十分必要。
3.振弦式传感器，主要有单线圈和双线圈两种结构，其中，单线圈是指激励线圈和拾振线圈为同一个线圈的结构，其振弦一端固定，另一端连结在弹性感压膜片上。弦的中部装有一块软铁，置于磁铁和线圈构成的激励器的磁场中。激励器在停止激励时兼作拾振器。工作时，振弦在激励器的激励下振动，其振动频率与膜片所受压力的大小有关，在停止激励时，该线圈又能当做拾振线圈，检测到振弦振动产生的电动势。通过测该电动势的频率，即可测得振弦的频率。单线圈结构的缺点是无法连续测量，但是装置简单稳定。双线圈结构是指激励线圈和拾振线圈分开，一般采取电磁法，电磁法采用两个装有线圈的磁铁，分别作为激励线圈和拾振线圈。拾振线圈的感应信号被放大后又送至激励线圈去补充振动的能量。为减小传感器非线性对测量精度的影响，需要选择适中的最佳工作频段和设置预应力，或采用在感压膜的两侧各设一根振弦的差动式结构。双线圈结构可连续测量，测量精度也更好，可是结构较为复杂，稳定性不好。
4.振弦式传感器振荡的固有频率存在一个大致范围，通常为400-4500hz。根据物理学中的共振原理，当作用到传感器上的激励信号的频率与传感器钢弦固有频率接近或相等时，钢弦发生共振。共振状态下，钢弦振荡的幅度较大。振弦式传感器激振模式有两种，一种是高压拨弦激振，一种是低压扫频激振。


技术实现要素：

5.针对现有的振弦式传感器的频率测量方式的不足，本发明提供一种振弦式传感器的频率测量方法，大大提高了测量精度、测量效率以及测量的稳定性，同时降低了传感器的损耗。
6.一种振弦式传感器的频率测量方法，包括以下步骤：步骤1，首次测量时，根据振弦式传感器频率范围分布范围以一定的步进频率进行全频段低电压扫频，执行步骤2；步骤2，判断是否存在响应频率f1，若存在，则将测量得到的频率加权计算得到f1存入存储器中后执行步骤3；否则，缩小扫描的步进频率返回步骤1；步骤3，以首次频率f1为中值，缩小扫频范围，减小步进频率进行扫频，则将测量得到的频率通过取中位数f2存入存储器中，执行步骤4；
步骤4，判断是频率f1和频率f2之间差值是否符合要求，若符合，执行步骤5；否则，返回步骤1执行；步骤5，把f3存入存储器中，作为传感器频率的初始值，执行步骤6；步骤6，以首次频率f3为中值，缩小扫频范围，减小步进频率进行扫频，得到传感器响应频率f，执行步骤7；步骤7，判断是频率f和频率f3之间差值是否符合要求，若符合，执行步骤8；否则，返回步骤1执行；步骤8，输出传感器的频率f。
7.优选的，步骤1中，所述的振弦式传感器频率范围分布范围为400hz-6000hz。
8.优选的，步骤1或3或6中，所述的步进频率为每次扫频所增加的δf。
9.优选的，步骤2中，所述的加权计算为`x=（x1f1 x2f2 x3f3
…
x
kfk
）/∑
1kfi
，其中ｘk是每次相邻频率数据，fk是每个差值的权重，随着距离时间的增加，权重从10到1递减。
10.优选的，5.根据权利要求1所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，步骤3及步骤6中，所述的扫频范围对应为（f1±
10）hz和（f3±
10）hz。
11.优选的，步骤4或7中，f1和频率f2之间差值要求为绝对值小于5hz和f和频率f3之间差值要求为绝对值小于5hz。
12.优选的，步骤5中f3为（f1 f2）/2。
13.本发明在后续扫频测量时，每一次测量都初始频率结果为中值，能迅速确定大致频率范围，避免了传统扫频测量定位慢，需要测量速度慢的缺点，同时，每次扫频的频段受近期测量结果影响，实际测量时，历史数据越来越多，扫频范围越来越小，在每次扫频采样次数一定的情况下，每一次扫频精度都比前一次高。如果扫描的的当前频率和初始值相差太大，会重新校准初始值。具有高精度，高效率的特点。本发明有测量周期短、精度高的优点，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。
14.采用本发明的测量方法，当扫频范围内无符合要求的振动频率时，可以采用重新采到初始值原始重置法，确保了本方法测量的可靠性。
附图说明
15.图1为本发明振弦式传感器的频率测量方法的流程示意图。
具体实施方式
16.下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
17.如图1所示，本发明为一种振弦式传感器的频率测量方法，包括以下步骤：步骤1，首次测量时，根据振弦式传感器频率范围分布范围以一定的步进频率进行全频段低电压扫频，执行步骤2；步骤2，判断是否存在响应频率f1，若存在，则将测量得到的频率加权计算得到f1存入存储器中后执行步骤3；否则，缩小扫描的步进频率返回步骤1；步骤3，以首次频率f1为中值，缩小扫频范围，减小步进频率进行扫频，则将测量得到的频率通过取中位数f2存入存储器中，执行步骤4；步骤4，判断是频率f1和频率f2之间差值是否符合要求，若符合，执行步骤5；否则，
返回步骤1执行；步骤5，把f3存入存储器中，作为传感器频率的初始值，执行步骤6；步骤6，以首次频率f3为中值，缩小扫频范围，减小步进频率进行扫频，得到传感器响应频率f，执行步骤7；步骤7，判断是频率f和频率f3之间差值是否符合要求，若符合，执行步骤8；否则，返回步骤1执行；步骤8，输出传感器的频率f。
18.下面举实例说明，例子中采用长沙金码测控科技股份有限公司生产的振弦式应力计，其编号为101，规格为-1500με- 1500με，电阻为470欧姆，线长18m。
19.首先，将该传感器安装在现场的采集系统中，给传感器施加应力500με，此时理论的频率因为1860hz。采集系统工作时，首次测量开始，采用的低压扫频对线圈进行激励，扫频范围为400hz-6000hz，步进值为50hz，即用450，500，550
…
6000hz等频率的低电压信号依次激励传感器线圈。此单线圈传感器的激振线圈即为拾振线圈，通过拾振线圈测得当扫频电压为1855hz时，其共振幅度最大，且其共振电动势强度大于最小强度，因此首次测量频率结果为1860hz，f1＝1850hz。
20.然后，系统中的嵌入式控制器，将获得的f1存取系统的存储器；第二次测量频率时，控制器读取存储器中的历史数据，f1＝1855hz。此时，第二次扫频测量的扫频中值为前一次的结果，即中值等于f1，扫频范围为f1±
10，步进值为1hz，即用1745，1746，1757
…
1965等频率的低电压信号依次激励传感器线圈，得到最大共振频率为1860hz，同时确认该频率下的共振电动势强度大于最小强度，因此f2＝1860hz，将f2存入存储器。
21.比较f1和f2的频率差值小与5hz，f3的频率为（f1 f2）/2=1857.5hz存入存储器作为传感器的初始频率。
22.接着，之后的测量，控制器取存储器中的历史数据，f3＝1857.5，此时，低压扫频的中值为f3扫频结果，即为1857.5hz，扫频频段为f3±
5，步进值为1hz，即用1852，1853，1854，1859
…
1830等频率的低电压信号依次激励传感器线圈，得到最大共振频率为1860hz，因此f＝1860hz，将f存入存储器。
23.以上所述的实施例仅表达了对本发明优选实施方式，其描述较为具体和详细，但本发明不仅限于这些实施例，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说。在未脱离本发明宗旨的前提下，所为的任何改进均落在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。