使用振弦式传感器进行动态测量的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及使用振弦式传感器进行动态测量的方法和装置。该方法包括以下步骤：在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器；在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号；将该感应信号放大；对放大后的感应信号进行模拟-数字转换，得到离散信号R(n)；对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，并计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn；以及根据所述模拟-数字转换的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n为整数。本发明专利技术还提供执行上述方法的装置。本发明专利技术能够在保证测量精度的情况下比传统方法大幅提升测量的时间分辨率，从而适用于动态测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及振弦式传感器，具体地涉及使用振弦式传感器进行动态测量的方法和装置。
技术介绍
振弦式传感器是以张紧的金属弦为敏感元件的谐振式传感器，应用比较广泛。这种传感器通过一定的机械结构转换，可以将位移、张力、压力、应力等各种物理量转换成振弦的张力。当弦的长度固定时，其固有振动频率的变化反映其张力变化。通过相应的测量电路，可以将振弦的张力转换成电频率信号进行测量，从而实现对各种物理量的测量。在传统的振弦式传感器测量方法中，对转化后的电信号进行采集，然后进行离散傅里叶变换，以获取准确的频率信息；或者，对转化后的电信号放大整形，利用定时器捕捉整形后的信号频率，以获取频率信息。这两种方式有个共同的问题，就是时间分辨率和频率分辨率两个指标存在严重的矛盾：若要提高时间分辨率，则测量结果精度(频率分辨率)必然很差；若要提高测量准确性，须提高频率分辨率，则会损失时间分辨率。传统的振弦式传感器在使用中注重测量准确性指标，需要提高测量的频率分辨率，因而无法提高测量的时间分辨率。因此，传统的振弦式传感器测量方法只适合于以很低的采样频率工作，比如1Hz甚至更低。然而，在例如建筑结构的动态测量中，往往希望采样频率能达到50Hz甚至更高。这种情况下将无法使用传统的振弦式传感器测量方法，只能借助于其它传感器，比如光栅光纤传感器、电阻式传感器等。相比于其它传感器，振弦式传感器在测量的准确性、稳定性、长期漂移等方面具有显著优势，如果能克服其不可用于动态测量的缺陷，则其能发挥更大的作用。
技术实现思路
为克服上述传统的振弦式传感器不可用于动态测量的缺陷，本专利技术提供一种使用振弦式传感器进行动态测量的方法和装置。根据本专利技术的一种使用振弦式传感器进行动态测量的方法包括以下步骤：在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器；在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号；将该感应信号放大；对放大后的感应信号进行模拟-数字转换，得到离散信号R(n)；对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，并计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn；以及根据所述模拟-数字转换的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n为整数。根据本专利技术的一种使用振弦式传感器进行动态测量的装置包括：振弦式传感器；激励器/拾振器，用于在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器，并在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号；放大器，用于将该感应信号放大；模拟-数字转换器，用于对放大后的感应信号进行模拟-数字转换，得到离散信号R(n)；以及微处理器，用于对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn，并且根据模拟-数字转换器的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n为整数。本专利技术采用希尔伯特变换的方式处理振弦式传感器的信号，以瞬时频率作为测量结果，因而能够在保证测量精度即频率分辨率的情况下，比传统稳态频率的方式大幅提升测量的时间分辨率，从而适用于动态测量。附图说明通过结合附图对本专利技术的示例性实施方式进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。图1是根据本专利技术的实施例的一种使用振弦式传感器进行动态测量的装置的结构图。具体实施方式下面将更详细地描述本专利技术的优选实施例。根据本专利技术的一个实施例，一种使用振弦式传感器进行动态测量的方法包括以下步骤：●由激励器在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器激励方法可以是脉冲激励、扫频激励、环境激励三者中任意一种。激励的目的是使振弦式传感器振弦的振动具有足够大的幅度，便于测量。在测量采集过程中激励器停止激励，使振弦处于自由振动状态。●在激励器停止激励时期由拾振器获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号振弦式传感器的振弦振动时，由于磁电效应，会在拾振器的线圈内产生与振动信号对应的感应信号，例如感应电压信号。由于振动信号非常微弱，所产生的感应电压信号振幅通常在100μV～10mV之间。假设被测物理量为s(t)，其中t表示时间，拾振器所获得的信号频率f(t)＝F(s(t))，其中函数F由振弦式传感器的机械结构及张紧弦原理决定，是已知函数。那么，拾振器所获得的信号可以表示为V0(t)＝A(t)sin(θ(t)),其中A(t)表示信号幅度。●由放大器将该感应信号放大拾振器获取的感应信号经过前端放大器放大，例如信号幅度可被放大到100mV～3V之间。放大后的感应信号可以表示为V1(t)＝KV0(t)，其中K为放大系数。●由模拟-数字(AD)转换器对放大后的感应信号进行AD转换，得到离散信号R(n)所得到的离散信号R(n)可以表示为R(n)＝V1(n/fs)，其中n为整数，fs为AD转换器的采样频率。●由微处理器对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn，并且根据AD转换器的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)希尔伯特变换是信号处理
的已知算法，需要进行复杂的卷积运算，对硬件要求比较高。由于被处理的信号流应被看作无限长序列(如果必要，测量过程可以一直进行下去)，而希尔伯特变换只适用于有限长的序列，因此可以对信号进行分段处理，并使用重叠相加法或者重叠保留法消除因分段而造成的边缘效应。例如，微处理器可以使用有限冲击响应(FIR)希尔伯特滤波器对离散信号R(n)进行希尔伯特变换，包括进行FIR希尔伯特滤波器的系统函数h(n)与离散信号R(n)的卷积运算I(n)＝h(n)*R(n)。这种情况下，希尔伯特变换结果其中An表示信号幅度，例如，可以设定FIR希尔伯特滤波器的系统函数h(n)具有如下频率响应特性：其中，h(n)是一个无限长序列(n取值为整个整数空间)，实际系统实现时，可以对h(n)进行截断处理，保留有限长度即可。该序列随着n增加，取值趋近于零。假设截取长度为N(N即为FIR希尔伯特滤波器的阶数，通常为奇数)，则n取值范围是N的选取与计算精度和计算复杂度相关。N取值越大，则FIR希尔伯特滤波器越逼近理想性能，但是运算量随之增大。N的选取还会影响希尔伯特变换的准确性和系统延迟，系统延迟为(N+1)/(2fs)。此外，相角的差分Δθn可以如下计算：本专利技术的上述方法的各步骤可以由如图1所示的装置的相应部件来执行。该装置包括振弦式传感器、激励器/拾振器、放大器、AD转换器以及微处理器。激励器/拾振器在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器，并在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号。放大器将该感应信号放大。AD转换器对放大后的感应信号进行AD转换，得到离散信号R(n)，其中n为整数。微处理器对离散信号R(n)进行希尔伯特变换，计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn，并且根据AD转换器的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用振弦式传感器进行动态测量的方法，包括以下步骤：在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器；在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号；将该感应信号放大；对放大后的感应信号进行模拟‑数字转换，得到离散信号R(n)；对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，并计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn；以及根据所述模拟‑数字转换的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n为整数。

【技术特征摘要】
1.一种使用振弦式传感器进行动态测量的方法，包括以下步骤：
在预定时期产生激励信号以激励振弦式传感器；
在停止激励时期获取与振弦式传感器的振动信号对应的感应信号；
将该感应信号放大；
对放大后的感应信号进行模拟-数字转换，得到离散信号R(n)；
对该离散信号R(n)进行希尔伯特变换，并计算出希尔伯特变换结果X(n)的相角θn；以及
根据所述模拟-数字转换的采样频率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被测信号的瞬时频率fn＝Δθnfs/(2π)，
其中，n为整数。
2.根据权利要求1的方法，其中，
使用有限冲击响应希尔伯特滤波器实现所述希尔伯特变换；
所述希尔伯特变换包括进行该有限冲击响应希尔伯特滤波器的系统函数h(n)与所述离散信号R(n)的卷积运算I(n)＝h(n)*R(n)；
所述希尔伯特变换结果其中An表示信号幅度，3.一种使用振弦式传感器进行动态测量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏军，
申请(专利权)人：无锡源清慧虹信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32