[发明专利]一种使用振弦式应变计的动态应变测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用振弦式应变计的动态应变测量方法，属于电学领域，应用于结构安全健康监测行业。

背景技术

现有技术：目前国内外普遍采用的基于应变电阻的方式进行动态应变测量，其原理都是基于惠斯登电桥原理，由应变电阻、弹性体材料、集成运放等组件构成。弹性体材料容易超限疲劳，应变电阻漂移大，集成运放电路受温度影响亦产生漂移。在测量混凝土桥梁时，容易损坏，寿命较短。

发明内容

本发明为了克服上去缺陷，其目的在于提供一种使用振弦式应变计的动态应变测量方法，本发明专利从利用振弦式应变计由于直接输出频率信号，抗干扰能力强、受电参数影响小、零点漂移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐振动、寿命长的优点，解决了目前使用应变电阻测量动态应变的零点漂移、已损坏、寿命短等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种使用振弦式应变计的动态应变测量方法：微控制器通过微控制器I/O控制脉冲产生器，通过激振线圈激励钢弦，钢弦起振后在感应线圈内产生感应电动势并通过信号放大器和抗混叠滤波器调理后通过模数转换器转换成数字信号，并通过时SPI接口传输给DMA控制器，最终把数据存放在队列缓冲器，微控制器内核对不断刷新数据的队列缓冲器内的数据进行FFT运算得到动态的应变数据。

进一步的，频率信号经过模数转换器转换成数字信号后，再通过SPI数字接口发送给DMA控制器。

进一步的，DMA控制器不经过微控制器的干预直接刷新队列缓冲器。

本发明实现原理：虽然一般振弦式应变计多用来测量静态应变，但是只要在采集方式上加以优化，同样可以测量动态应变，本发明即是采用动态采集的方式实现的振弦式应变计测量动应变。传统的振弦式传感器测量静态应变方式主要为间歇式激振法，即使用脉冲激振传感器后，传感器输出当前传感器张力条件下的固有频率通过后级电路进行采集得到当前的频率值再换算成应变。本发明采用双线圈振弦式应变计实现动态应变测量，其中一个线圈是感应线圈，用于拾取刚弦振动的感应电动势，另一个线圈为激振线圈，用于发送激振信号。进行传感器测量时，采集设备通过激振线圈周期性的发送激振信号，保证钢弦振动频率连续跟随外界应变变化而变化，感应线圈将传感器的振动信号转换成感应电动势，并以变频的（应变变化、钢弦的固有频率变化，振弦传感器的原理）交流信号的方式发送给采集设备。采集设备通过对连续的交流信号进行采样，并动态的进行时域到频域的转换即在采集设备内部使用处理器进行FFT运算，并等间隔输出频率值即可得到动态的应变数据。因为振弦传感器的频率范围在300~4000之间，采集设备针对振弦信号的采样频率至少要满足采样定理不发生混叠，比如选择16384Hz（16*1024Hz）的采样速率，FFT分析点数为1024点，那么采样时间为：1024/16384=0.0625s，再加上处理器运算的时间，可以将采样和计算之间控制在100ms以内，从而实现至少10Hz的动态应变采集，另外可以通过一些优化算法，比如1、提高振弦信号的采样速率；2、使用DMA通道采集，将采集到的数据放到固定长度的队列缓存中并实时刷新，保证缓存中的数据是最新的，处理器的CPU按照采样速率的要求，定时去固定缓存中获取实时时域数据，这样就减少了大部分的采样时间，从而提高了数据刷新率。

本发明的有益效果：

本发明解决了在桥梁动载试验测试冲击系数、阻尼比以及机械行业中测量机械构件动态应变时，传统电阻应变片漂移、易损坏、稳定差的问题，通过使用新的测量方式，使得振弦传感器也能够动态输出应变数据，而且振弦式传感器的零漂小、寿命长，使得动态应变监测周期大大增强，减小了系统维护成本，提高了数据测量精度。

附图说明

图1为本发明的功能框图；

图1中：1 激振线圈；2 脉冲产生器；3 感应线圈；4 信号放大器；5 抗混叠滤波器；6 模数转转器；7 微控制器；

图2为本发明的激励线圈信号与感应线圈信号示意图；

图2中：8 激励线圈信号；9 感应线圈信号；

图3为本发明的微控制器内部逻辑功能框图；

图3中：10 SPI数字接口；11 DMA控制器；12 队列缓存器；13 微控制器内核；14 微控制器I/O；

图4为本发明的主程序逻辑框图；

图5为振弦式应变计内部主要结构图。

图5中：15 钢弦；16不锈钢管壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：