[发明专利]一种单线圈振弦式仪器等精度频率测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程健康监测技术领域，特别是一种岩土工程安全监测仪器中的单线圈振弦式仪器的等精度频率测量方法和装置。

背景技术

在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、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的安全。

振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成。钢弦长度为L，在感知外界作用力F(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等)的时候，钢弦会产生ΔL的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度T的影响，其中ΔT＝T-T₀，α为线膨胀系数，T₀、α、K均为已知的恒常数。钢弦的机械振动固有频率f可以按如下公式获得：其中E是钢弦的弹性模量，ρ_v是钢弦的密度，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均为定常数。将上述两个公式进行整理，消除这一共同变量，得出F是f和T的确定函数，通过测量f和T就能实现F的测量。其中，频率参量f是最为关键的测量因子。

目前安全监测领域使用的振弦式仪器中，按照线圈结构类型存在双线圈振弦式仪器、单线圈振弦式仪器、差动线圈振弦式仪器等多种形式，其中单线圈振弦式仪器在种类、应用范围、数量等多方面均占绝对优势。图1为单线圈振弦式仪器结构示意图，将钢弦1设置在频率测量线圈2和永磁体3构成的磁场中，通过给单线圈振弦式仪器中的频率测量线圈2两端施加交变的激振电流信号，在永磁体3的作用下形成交变电磁力，驱动钢弦1发生机械振动，振动的钢弦1在磁场中作切割磁力线运动，在频率测量线圈2中感应出电动势，感应电动势的频率即为钢弦1的振动频率。传统的频率测量方法采用频率计数法，即激振以后的频率测量电路采用计数器来测量感应电势脉冲周期，即可测得钢弦1的振动频率，该方法原理简单直观可行，得到广泛应用。但在实践上，通过频率计数的方法测量频率，特别是等精度频率测量方法，对不同的原始频率，每个频率的测量都保证等精度，故要获得一定的分辩力和测量精度，测量过程需要足够多的感生电压脉冲样本，也就是说，频率的测量过程需要持续一定的时间。

据文献记载和试验结果，钢弦在激振电流信号撤销后，由于钢弦切割磁力线而产生感应电动势的持续时间一般在800ms～60ms之间，也就是说，每次激振后，后续的频率测量电路用于频率测量的时间应该在800ms～60ms之间完成。现有的等精度测频方法，是直接通过频率测量电路进行等精度的频率测量，其频率测量过程需要持续的时间是预先设定的，无论单线圈振弦式仪器所处运行状态如何，都按照预先设定的测量时间来测量，无法动态调节，而单线圈振弦式仪器在不同的运行阶段，经激振后产生感生电动势的持续时间存在较大差异，比如当振动波形突然大幅衰减时，使得感生电压的脉冲样本数不足，就会导致频率测量电路测不到数或测值不准的情况，最终导致单线圈振弦式仪器的死数和测量可靠性的下降，而岩土工程的安全监测对安全监测装置的可靠性以及测量精度有严格的要求，这就要求在测量原理和测量方法上力求准确可靠，因此需要引入比传统的等精度频率测量方法更为可靠的频率测量技术，以满足单线圈振弦式仪器的高精度和高可靠性的测量要求。

发明内容

本发明针对现有的单线圈振弦式仪器的等精度频率测量方法中的单线圈振弦式仪器在不同的运行阶段，经激振后产生感生电动势的持续时间存在较大差异，导致无法完成测量或降低测量精度的问题，提出了一种单线圈振弦式仪器的等精度频率测量方法，该方法仍基于计数测量频率，能根据监测到的钢弦激振后的感生电压的幅值衰减情况，自适应地调节测量过程的持续时间，并保持相同的测量精度，提高了单线圈振弦式仪器频率测量的可靠性。本发明还涉及一种单线圈振弦式仪器的等精度频率测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种单线圈振弦式仪器的等精度频率测量方法，首先通过钢弦激振使得频率测量线圈两端生成与钢弦固有频率一致的、幅值衰减的感生电压信号，然后通过等精度频率测量电路根据计数得到的感生电压脉冲样本数以及设置的标准参考脉冲频率计数器的计数值，计算得到钢弦的频率，其特征在于，在频率测量线圈两端生成所述感生电压信号后，还通过感生电压衰减监测电路监测感生电压信号的幅值衰减情况，并在监测到感生电压信号的幅值衰减速度到预定值时，向等精度频率测量电路提供触发信号，所述等精度频率测量电路根据感生电压衰减监测电路提供的触发信号，调整等精度频率测量电路中的标准参考脉冲频率来调整等精度频率测量电路的测量时间。