[发明专利]一种振弦式传感器的频率测量方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，特别是涉及一种振弦式传感器的频率测量方法。

背景技术

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。