基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统，涉及工程监测技术领域。根据低压扫频激励方式涉及的激励波形、激励步长、激励范围、激励次数等影响因素，设计了预扫频激励、分段扫频激励和复扫频激励三个阶段。首先通过预扫频激励阶段对仪器质量进行初判，筛选质量欠佳的仪器进行分段式扫频激励；进入分段扫频激励阶段后，通过对比回波信号在不同分段激励区间的频域幅度谱情况，获得最可靠的自振信号频率值；随后依据该频率值缩小激励区间进行强化复激励，即复扫频激励阶段，以提升振弦传感器的激励效果，同时获得更可靠的频率测值，形成了激励输入与测量结果输出的闭环反馈和评价机制，实现了振弦传感器的自适应激励。自适应激励。自适应激励。

【技术实现步骤摘要】
基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统


[0001]本专利技术涉及工程监测
，具体而言，涉及一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统。

技术介绍

[0002]振弦式传感器因测量精度高、零点飘移小、抗干扰能力强、安装简便等优点，在水库大坝、桥梁、基坑等工程安全监测项目中广泛应用。振弦传感器内部有一张紧的钢弦，具有一个初始应力和对应的自振频率，当传感器受到外界的拉力或压力时，致使钢弦被拉紧或放松，钢弦的应力产生变化，其自振频率亦随之产生变化。振弦传感器就是通过测量仪表对钢弦进行有效激励，实现自由振荡后，拾取振荡的回波频率来实现对钢弦应力的测量。
[0003]对振弦传感器进行高质量的激励，是解决振弦传感器可靠测量问题的关键。为保证振弦传感器的长期工作的可靠性，现阶段其激励方式绝大多数采用低压扫频激励方式。顾名思义，低压扫频激励是对振弦传感器施加一连串由不同频率组成的低电压脉冲信号进行激励。因振弦传感器的自振频率通常设计在400Hz
‑
6000Hz之间，尽管无法预知待测振弦仪器的自振频率，但扫频区间覆盖了自振频率，故钢弦得以有效激励，实现自振，并输出自振波形信号，从而实现频率的测量。
[0004]低压扫频激励有多种扫频策略，国内外许多学者专家对此进行了长足的研究。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的能量有限，导致激励质量差；分频段激励方法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；一种反馈式低压激励方式，采用低压拨弦预激励和扫频复激励方式来优化激励策略，但是低压拨弦预激励效果差，导致复激励不可靠；一种自适应的扫频激励方法，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，仍未解决预激励本身存在的可靠性不足的问题。
[0005]综上可知，现有的低压扫频激励方式存在激励效果差，导致激励回波的能量有限而不易测量的问题，以及频率测量的可靠性低的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统，其能够有效改善振弦传感器的激励质量，提高振弦传感器频率测量的可靠性和准确性。
[0007]本专利技术的实施例是这样实现的：第一方面，本申请实施例提供一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其包括：步骤一：预扫频激励阶段，设置预扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得预测频率值和幅值，判断
幅值是否小于预设幅值阈值，若是，则进入第二步，若否，则将自振频率值赋值为预测频率值并进入第三步；步骤二：分段扫频激励阶段，将预扫频激励范围分为若干段，并设置每一段的扫频步长和激励次数，在每一段的扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得对应的频率值和幅值，将每一段对应的幅值进行比较以得到最大幅值，并将该最大幅值对应的频率值作为最大频率值，判断最大幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则将自振频率值赋值为最大频率值并进入第三步，若否，则返回错误信息；步骤三：复扫频激励阶段，根据自振频率值设置复扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得复测频率值和幅值，判断幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则返回复测频率值，若否，则返回错误信息。
[0008]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，上述预扫频激励阶段的扫频步长为10
‑
30Hz。
[0009]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，上述复扫频激励范围为：，其中，为自振频率值，为复扫频激励下限，为复扫频激励上限。
[0010]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，上述复扫频激励阶段的扫频步长为1
‑
3Hz。
[0011]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，上述通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析的步骤包括：对自振回波信号进行等间隔采样，获得离散信号序列；对离散信号序列进行FFT变换，获得离散的频率
‑
幅值序列；基于频率
‑
幅值序列绘制并生成频谱图以获得频率值和幅值。
[0012]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，上述基于频率
‑
幅值序列绘制并生成频谱图以获得频率值和幅值的步骤包括：搜索频谱图中模值最大的点对应的频率，并将该点对应的模值记为所述自振回波信号的幅值；通过基于谱插值的频率估计算法，求解频谱图主瓣内最大谱线和两侧次大谱线的数学关系式，计算获得自振信号的频率值。
[0013]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，还包括对自振回波信号进行带通滤波处理。
[0014]第二方面，本申请实施例提供一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励系统，其包括：预扫频激励模块，用于设置预扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得预测频率值和幅值，判断幅值是否小于预设幅值阈值，若是，则分段扫频激励模块工作，若否，则将自振频率值赋值为预测频率值并由复扫频激励模块工作；分段扫频激励模块，用于将预扫频激励范围分为若干段，并设置每一段的扫频步长和激励次数，在每一段的扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分
析以获得对应的频率值和幅值，将每一段对应的幅值进行比较以得到最大幅值，并将该最大幅值对应的频率值作为最大频率值，判断最大幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则将自振频率值赋值为最大频率值并由复扫频激励模块工作，若否，则返回错误信息；复扫频激励模块，用于根据自振频率值设置复扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得复测频率值和幅值，判断幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则返回复测频率值，若否，则返回错误信息。
[0015]第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器。当上述一个或多个程序被上述处理器执行时，实现如上述第一方面中任一项上述的方法。
[0016]第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项上述的方法。
[0017]相对于现有技术，本专利技术的实施例至少具有如下优点或有益效果：本申请实施例提供一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法及系统，根据低压扫频激励方式涉及的激励波形、激励步长、激励范围、激励次数等影响因素，设计了预扫频激励、分段扫频激励和复扫频激励三个阶段。首先通过预扫频激励阶段对仪器质量进行初判，筛选质量欠佳的仪器进行分段式扫频激励；进入分段扫频激励阶段后，通过对比回波信号在不同分段激励区间的频域幅度谱情况，获得最可靠的自振信号频率值；随后依据该频率值缩小激励区间进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其特征在于，包括：步骤一：预扫频激励阶段，设置预扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得预测频率值和幅值，判断幅值是否小于预设幅值阈值，若是，则进入第二步，若否，则将自振频率值赋值为预测频率值并进入第三步；步骤二：分段扫频激励阶段，将预扫频激励范围分为若干段，并设置每一段的扫频步长和激励次数，在每一段的扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得对应的频率值和幅值，将每一段对应的幅值进行比较以得到最大幅值，并将该最大幅值对应的频率值作为最大频率值，判断最大幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则将自振频率值赋值为最大频率值并进入第三步，若否，则返回错误信息；步骤三：复扫频激励阶段，根据自振频率值设置复扫频激励范围、扫频步长和激励次数，在扫频激励结束后通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析以获得复测频率值和幅值，判断幅值是否大于预设幅值阈值，若是，则返回复测频率值，若否，则返回错误信息。2.如权利要求1所述的一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其特征在于，所述预扫频激励阶段的扫频步长为10
‑
30Hz。3.如权利要求1所述的一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其特征在于，所述复扫频激励范围，其中，为自振频率值，为复扫频激励下限，为复扫频激励上限。4.如权利要求1所述的一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其特征在于，所述复扫频激励阶段的扫频步长为1
‑
3Hz。5.如权利要求1所述的一种基于频谱反馈的振弦传感器自适应扫频激励方法，其特征在于，所述通过频谱分析法对获得的自振回波信号进行分析的步骤包括：对自振回波信号进行等间隔采样，获得离散信号序列；对离散信号序列进行FFT变换，获得离散的频率
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幅值序列；基于频率
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幅值序列绘制并生成频谱图以获得频率值和幅值。6.如权利要求5所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛索颖，黄跃文，周芳芳，胡蕾，胡超，张继楷，杨胜梅，张启灵，彭思唯，韩笑，宁晶，余信江，黎建洲，郑谦，邓扬，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：