一种振弦式传感器的频率测量方法技术

本发明专利技术提供一种振弦式传感器的频率测量方法，该方法在前两次测量时，根据传感器出厂特性和安装位置，使用大范围扫频技术和宽窗口中值扫频技术，快速找出大致测量频率，并使用存储器存下测量结果，在后续测量中，采用一种以历史数据为中值的动态窗口扫频测量方法，扫频中值由存储器中记录的上一次数据决定，扫频窗口范围由历史数据的波动情况加权计算得出，每次扫频窗口范围越来越小，精度越来越高。当出现扫频范围内无共振结果时，采用向上回溯法和原始重置法扩大扫频范围。该方法克服了传统高压激励方式精度低，损害大的缺点和传统低压扫频方式耗时长的缺点，具有高精度，低耗时，对传感器低损害的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种振弦式传感器的频率测量方法
本专利技术属于工程监测
，特别是涉及一种振弦式传感器的频率测量方法。
技术介绍
振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。此外，其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，因此，在项目工程的安全监测中，特别是户外大型土木、桥梁、岩土项目中，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。振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征金属弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。振弦式传感器的核心由一根两端固定、均质的钢弦组成，在外力F的作用下，钢弦会产生ΔL的形变，考虑到温度对长度的变化，在弹性范围内，钢弦长度与振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为其中ΔL＝T-T0，α为线膨胀系数，T0、α、K均为已知的恒常数。而我们知道钢弦的机械振动固有频率公式为式中L为振弦的长度，E是钢弦的弹性模量，ρ为单位弦长的质量(密度)，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均是常数。我们可以根据上述两个公式，消除公共变量得出钢弦的频率f是拉力F和温度T的函数，因此，在知道温度的情况下，只要测量出钢弦频率，即可算出外部拉力大小F。由上述分析可知，对于钢弦频率f的测量是振弦式传感器的测量核心。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。无论是单线圈还是双线圈技术，其核心都是让振弦在外在电压作用下产生振动，而让振弦产生本征振动的方式主要有两种，分别为高压激励和低压扫频。高压激励是通过变压器产生高压激振脉冲使得钢弦振动，激发时电压>100V。低压扫频是在包含目标频率的一段频率内，以一定的步进值，对传感器施加从小到大的扫频脉冲串信号，当信号的频率和钢弦固有频率相近时，钢弦发生共振，此时能产生最大的感应电动势，此电动势频率即为目标频率。这两种测量方式各有优缺点，高压激励方式速度快，仅需一次激励即可得到结果，但是产生的振动持续时间短，信号不易获取，测量精度差，且高电压易使钢弦老化，损害传感器寿命；相比之下，传统低压扫频获取的振动信号更强，精度更高，但是传统低压扫频需要预先知道频率范围，且往往要经过多次扫频才能得到结果，测量时间很长，效率不高。在工程应用中，传感器需要长期暴露在户外，条件恶劣，对传感器稳定性，耐用性，寿命，测量精度和速度都有很高要求。高压激励和传统低压扫频方式都有很大缺陷，已经不能满足可靠性和精度速度上的要求。
技术实现思路
针对现有的振弦式传感器的频率测量方式的不足，本专利技术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。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，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中。步骤2，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围。步骤3，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。步骤4，判断是否存在响应频率，若存在，则将测量得到的频率f2存入存储器中后执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回步骤3。步骤5，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围。步骤6，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。步骤7，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤8，否则，扩大扫描窗口范围后返回步骤6。步骤8，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则完成测量，否则，返回执行步骤5。其中，步骤5中，扫频窗口由近期历史扫频数据的波动情况进行加权计算得出，加权计算的加权因素是历史相邻两次扫频数据的差值，每次差值的权重由距离当前的时间长短决定，我们取近10次历史数据波动作为计算因子，其权重从近到远分别为10,9,8…1。具体计算时，扫频窗口大小计算公式如下：其中Δfn是每次历史相邻数据的差值，xn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。由公式可知，参与计算的历史扫频数据越多，确定的窗口越优，扫频效率越高。步骤4和步骤6中，所述的扩大扫描窗口范围的方法有向上回溯法和原始重置法。所述的向上回溯法的具体过程为：以上一次测量结果为中值，扩大扫频窗口到上一次扫频所使用的窗口进行扫频；扩大扫频窗口后仍未得到响应频率，扫频窗口继续向上回溯，直到扫频窗口内出现响应频率；将扫频窗口范围扩大到出现响应频率的扫频窗口。所述的原始重置法的具体过程为：当前扫频窗口内，未出现足够强度的振动时，视为当前窗口过小，仍旧以上次结果为中值，扫频窗口一次性扩大到首次测量使用的窗口，即由传感器出厂特性所决定的窗口大小。本专利技术在后续扫频测量时，每一次测量都以上次结果为中值，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，每次扫频的扫频窗口受近期测量结果影响，历史结果的波动会反馈到窗口大小中，实际测量时，历史数据越来越多，扫频窗口越来越小，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。具有高精度，高效率的特点。采用本专利技术的测量方法，当扫频范围内无符合要求的振动频率时，可以采用向上回溯法和原始重置法扩大扫频范围，向上回溯法和原始重置法各有各的应用场景，确保了本方法测量的可靠性。附图说明图1为本专利技术振弦式传感器的频率测量方法的流程示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图1所示，本专利技术为一种振弦式传感器的频率测量方法，包括以下步骤：S01，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中。S02，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围。S03，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。S04，判断是否存在响应频率，若存在，执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回S03。S05，将测量得到的频率f2存入存储器。S06，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围。S07，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。S08，判断本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中；步骤2，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围；步骤3，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；步骤4，判断是否存在响应频率，若存在，则将测量得到的频率f2存入存储器中后执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回步骤3；步骤5，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围；步骤6，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；步骤7，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤8，否则，扩大扫描窗口范围后返回步骤6；步骤8，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则完成测量，否则，返回执行步骤5。

【技术特征摘要】
1.一种振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中；步骤2，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围；步骤3，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；步骤4，判断是否存在响应频率，若存在，则将测量得到的频率f2存入存储器中后执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回步骤3；步骤5，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围；步骤6，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；步骤7，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤8，否则，扩大扫描窗口范围后返回步骤6；步骤8，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则完成测量，否则，返回执行步骤5。2.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4中，所述的扩大扫描窗口范围的方法为向上回溯法或原始重置法。3.根据权利要求1所述的振弦式传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，陈永亮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33