[发明专利]用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置

说明书

技术领域

本发明属于结构测量领域，具体涉及一种建筑领域大型结构物的位移或变形测量。

背景技术

在大型结构物的日常养护中，对其关键部件的变形或位移测量十分重要，上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

振弦式传感器是目前在测力应用方面最为先进的传感器之一，其敏感元件是一根金属丝弦，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量，这种传感器输出的是频率信号，因此其抗干扰能力强，温漂、零漂小，受电参数影响小，性能稳定可靠，能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试，所以被广泛地用于水库大坝、港口工程、桥梁、基坑等工程的应力应变、变形、渗流、液位等的监测中。

由于结构的位移测量中涉及三个方向的位移，而振弦传感器只能获得沿弦方向的位移，无法实现结构的全方位监测；此外目前振弦式传感器激励主要低压扫频激振方式，低压扫频激振是根据传感器的固有频率选择合适的频率段，对传感器施加5V的频率逐渐变大的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时，钢弦能快速达到共振状态，共振状态下振幅最大，能产生较大的感应电动势，传感器输出的频率信号信噪比较高且便于测量。

但是由于扫频信号是从频率下限到频率上限的连续脉冲信号，为了保证激振效果，每个频率的脉冲都要持续若干个周期，激振时间太长，导致能耗大，限制了该传感器在远程无人值守测量系统中的应用，为了提高电池的耐用时间，节省能耗，有必要对振弦式传感器的电激励方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可测量建筑物结构内部三个方向位移的传感器装置，并且利用建筑物位移和形变属于缓变的特性，采用同一套检测单元实现三个方向位移的测量，同时提出了一种低功耗的振弦激励和检测方法，通过对激励方式的优化设计，实现了低功耗、高精度的位移形变测量。

本发明的具体技术方案是：

用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置，包括检测单元、切换器和设置在待测目标内部的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头，所述的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头处于相互垂直的三个方向，每个振弦传感头分别包括独立的振弦、线圈和壳体；所述的检测单元用于振弦传感头的激励、拾振和位移测量；检测单元控制切换器按照时序依次与三个传感头相连通，获取待测目标三个方向的位移值。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，检测单元包括激励电路单元、拾振电路单元和处理单元；

所述的激励电路单元通过线圈为振弦起振提供电信号；

所述的拾振电路单元通过线圈获取振弦的频率信号；

所述的处理单元包括预振模块、复振模块、频率检测模块、切换模块和信号处理模块，所述激励电路单元的输出端与预振模块的输入端、复振模块的输入端电联接，所述拾振电路单元的输出端与频率检测模块的输入端电联接，所述预振模块的输出端、复振模块输出端和频率检测模块的输出端分别与信号处理模块电联接；切换模块可根据设定的时序，控制切换器将三个传感头分别与检测单元连通；

所述的信号处理模块记录有效的复振频率信号，同时控制传感器的激励检测流程，使传感器在稳态和非稳态两种模式下工作，并根据记录的有效复振频率值，计算得到下一次稳态工作模式时复振模块输出的激励频率值；

所述的非稳态工作模式按照预振—预振检测—复振—复振检测步骤进行；所述的稳态工作模式按照直接复振—复振检测步骤进行。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，检测单元分别控制X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头按照以下的步骤独立进行频率测量：

[1]每只传感头安装调试完毕后，前n次检测时，信号处理模块控制传感器按照预振—预振检测—复振—复振检测的非稳态模式工作，其中预振的激励信号为脉宽t1的单脉冲电信号，预振检测的频率为F_i，复振的激励信号为振荡频率F_i、脉宽t2的电信号，复振检测频率f_i为该次测量的结果，其中n和i均为正整数，i为测量第次；

[2]当i>n时，传感器按照直接复振—复振检测的稳态模式工作，其中复振激励信号的脉宽为t2，激励频率F_i按照前n次测量得到频率值的移动平均值取数：Fi＝(fi-n+……+fi-2+fi-1)/n，并获得该次的频率测量结果为f_i；