本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于結(jié)構(gòu)物的位移或變形測量的振弦傳感器。

背景技術(shù)：

在大型結(jié)構(gòu)物的日常養(yǎng)護中，對其關(guān)鍵部件的變形或位移測量十分重要，上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎(chǔ)上的安全分析評估具有重大意義。

目前振弦式傳感器的敏感元件是一根金屬絲弦，它與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關(guān)系式測得各種物理量，振弦式傳感器是目前在測力應(yīng)用方而最為先進的傳感器之一，這種傳感器輸出的是頻率信號，因此其抗干擾能力強，溫漂、零漂小，受電參數(shù)影響小，性能穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)惡劣條件下長期觀測和遠(yuǎn)距離測試，所以被廣泛地用于水庫大壩、港口工程、橋梁、基坑等工程的應(yīng)力應(yīng)變、變形、滲流、液位等的監(jiān)測中。

振弦式傳感器激勵主要低壓掃頻激振方式，低壓掃頻激振是根據(jù)傳感器的固有頻率選擇合適的頻率段，對傳感器施加5V的頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號，當(dāng)激振信號的頻率和鋼弦的固有頻率相近時，鋼弦能快速達到共振狀態(tài)，共振狀態(tài)下振幅最大，能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，傳感器輸出的頻率信號信噪比較高且便于測量。

但是由于掃頻信號是從頻率下限到頻率上限的連續(xù)脈沖信號，為了保證激振效果，每個頻率的脈沖都要持續(xù)若干個周期，激振時間太長，導(dǎo)致能耗大，限制了該傳感器在遠(yuǎn)程無人值守測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，為了提高電池的耐用時間，節(jié)省能耗，必須對振弦式傳感器的電激勵方式進行改進。

2010年第23卷第1期的《傳感器技術(shù)學(xué)報》上“振弦式傳感器激振策略優(yōu)化”文中公開了一種將初測和復(fù)測相結(jié)合的振弦傳感器頻率檢測方案，采用低壓撥弦的方式先獲得一個振動頻率初始值，再以該初始值進行二次低壓撥弦激勵，從而獲得精確值的方案，該方案雖然可以獲得較高的測量精度，但是由于每次都需要進行兩次激勵及檢測，能耗還是偏高，故難以適應(yīng)緩變狀態(tài)下的橋梁等野外無人值守的檢測需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有振弦式傳感器中低壓掃頻激振方式具有的耗電高、難以遠(yuǎn)程長期監(jiān)測的不足，提出一種低功耗的振弦式傳感器，通過對激勵方式的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了低功耗、高精度的位移形變測量。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種低功耗振弦傳感器，包括振弦、線圈和傳感器殼體，所述的振弦固定在傳感器殼體的兩端，線圈設(shè)置在振弦的中部，對振弦產(chǎn)生激勵并檢測振弦的振動，還包括激勵電路單元、拾振電路單元和主控單元；所述的激勵電路單元通過線圈為振弦起振提供電信號；所述的拾振電路單元通過線圈獲取振弦的頻率信號；所述的主控單元包括預(yù)振模塊、復(fù)振模塊、頻率檢測模塊和信號處理模塊，所述激勵電路單元的輸出端與預(yù)振模塊的輸入端、復(fù)振模塊的輸入端電聯(lián)接，所述拾振電路單元的輸出端與頻率檢測模塊的輸入端電聯(lián)接，所述預(yù)振模塊的輸出端、復(fù)振模塊輸出端和頻率檢測模塊的輸出端分別與信號處理模塊電聯(lián)接；所述的信號處理模塊記錄有效的復(fù)振頻率信號，同時控制傳感器的激勵檢測流程，使傳感器在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種模式下工作，并根據(jù)記錄的有效復(fù)振頻率值，計算得到下一次穩(wěn)態(tài)工作模式時復(fù)振模塊輸出的激勵頻率值。

上述低功耗振弦傳感器中，非穩(wěn)態(tài)工作模式按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測步驟進行；所述的穩(wěn)態(tài)工作模式按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測步驟進行。

一種低功耗振弦傳感器的激勵檢測方法，包括以下步驟：

[1]傳感器安裝調(diào)試完畢后，前n次檢測時，信號處理模塊控制傳感器按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的非穩(wěn)態(tài)模式工作，其中預(yù)振的激勵信號為脈寬t1的單脈沖電信號，預(yù)振檢測的頻率為F_i，復(fù)振的激勵信號為振蕩頻率F_i、脈寬t2的電信號，復(fù)振檢測頻率f_i為該次測量的結(jié)果，其中n和i均為正整數(shù)，i為測量第次；

[2]當(dāng)i>n時，傳感器按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測的穩(wěn)態(tài)模式工作，其中復(fù)振激勵信號的脈寬為t2，激勵頻率F_i按照前n次測量得到頻率值的移動平均值取數(shù)：Fi＝(fi-n+……+fi-2+fi-1)/n，并獲得該次的頻率測量結(jié)果為f_i；

[3]如果步驟[2]中檢測得到的復(fù)振頻率超出傳感器的工作范圍，或者復(fù)振信號值弱至難以正常檢測，則該次測量無效，傳感器按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的非穩(wěn)態(tài)模式工作，否則傳感器按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測的穩(wěn)態(tài)模式工作；

[4]每次測量完畢后，記錄該次的測量頻率值f_i用于后續(xù)激勵電信號頻率的計算。

上述低功耗振弦傳感器的激勵檢測方法中，預(yù)振激勵脈寬t1和復(fù)振激勵脈寬t2，根據(jù)對傳感器的標(biāo)定實驗得到。

上述低功耗振弦傳感器的激勵檢測方法中，n＝10、20或50。

上述低功耗振弦傳感器的激勵檢測方法中，預(yù)振激勵脈寬t1為100-200ms，復(fù)振激勵脈寬t2為200-500ms。

本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

一、本發(fā)明提供了一種根據(jù)移動平均值預(yù)測測量頻率的低功耗的振弦式傳感器，對振弦激勵模式進行改變，將傳統(tǒng)的低壓掃頻激振方式改變?yōu)轭A(yù)振結(jié)合復(fù)振的激勵方式，并檢測預(yù)振時的頻率值作為復(fù)振的激勵脈沖頻率，從而起到了節(jié)能的效果。同時根據(jù)前n次測量結(jié)果的移動平均值的計算，預(yù)測得到下一次的測量頻率，并根據(jù)該頻率值控制復(fù)測時的激勵振蕩頻率，相比每次都需要經(jīng)歷預(yù)振和復(fù)振兩步的測量方法，進一步起到了節(jié)能和提高頻次的效果。

二、本發(fā)明根據(jù)大橋、建筑物等大型結(jié)構(gòu)物位移和形變檢測中的測量參數(shù)緩慢變化的特點，使得傳感器的工作在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種工作模式下，在穩(wěn)態(tài)工作時，采用直接復(fù)振—復(fù)振檢測激勵模式，且復(fù)振的信號為前n次實測頻率的均值，只有在穩(wěn)態(tài)模式下存在頻率測量結(jié)果出錯或者是因復(fù)振的激勵頻率不合適而導(dǎo)致檢測信號太弱無法正常檢測時，才切換至預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的非穩(wěn)態(tài)模式下工作，使得平均至每天的測量功耗降至最低，滿足了傳感器在無人值守、電池供電條件下的長時間工作要求，同時也適應(yīng)了因傳感器老化而發(fā)生的振弦頻率的改變。

三、本發(fā)明測量時，對傳感器進行測量標(biāo)定，獲得了傳感器在工作頻率范圍內(nèi)的最小預(yù)振激勵脈寬t1和復(fù)振激勵脈寬t2，確保傳感器可以正常工作的同時，節(jié)約了系統(tǒng)功耗。

四、無論是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)模式下，本發(fā)明的復(fù)振激勵脈沖頻率與實際鋼弦的共振頻率接近，確保了激勵過程中獲取的信號具有較大的幅值，大大提高測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明低功耗振弦傳感器的原理示意圖。

圖2為本發(fā)明低功耗振弦傳感器的激勵檢測流程。

圖3為本發(fā)明非穩(wěn)態(tài)模式下的耗電電流時序圖。

圖4為本發(fā)明穩(wěn)態(tài)模式下的耗電電流時序圖。

圖中：1—振弦；2—線圈；3—傳感器殼體；4—激勵電路單元；5—拾振電路單元；6—主控單元

具體實施方式

如圖1所示，振弦式傳感器屬于頻率型傳感器，可等效成一個兩端頻率隨鋼絲張力變化的振動鋼弦，包括振弦1、線圈2和傳感器殼體3，振弦1固定在傳感器殼體3的兩端的定位支座上，線圈2設(shè)置在振弦1的中部，電路產(chǎn)生激勵信號，驅(qū)動線圈2產(chǎn)生磁力驅(qū)動振弦產(chǎn)生振動，并檢測振弦1的振動。

在電激勵下，振弦1按其固有頻率振動，改變振弦1的張力F，可以得到不同的振動頻率F，即張力與諧振頻率成單值函數(shù)關(guān)系。當(dāng)振弦1受張力長度變化Δl后，則有其中ρ_ν為弦的體密度，E為振弦的彈性模量，l為弦長。

實際應(yīng)用時，當(dāng)振弦式傳感器的殼體3受到伸縮變形時，帶動兩端的定位支座產(chǎn)生移動，從而引起振弦1伸長或收縮，通過檢測振弦頻率的變化，來實現(xiàn)位移和變形的測量。當(dāng)信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達到共振狀態(tài)，振動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過檢測電路濾波、放大、整形送給頻率測量單元。由于其輸出的是頻率信號，具有測量可靠、抗干擾能力強，對電纜要求低，有利于傳輸和遠(yuǎn)程測量的特點。

在振弦傳感器用于野外長期監(jiān)測中，對傳感器的功耗提出了較高的要求，現(xiàn)有振弦式傳感器激勵采取的低壓掃頻激振方式，通常采用5V的電壓脈沖信號，以振弦傳感器的可測量低頻開始頻率逐漸變大，掃描至最高頻率，例如從200到5000Hz,當(dāng)達到共振狀態(tài)時記錄振弦的頻率信號，并轉(zhuǎn)換為測量的位移、應(yīng)變信號。

為了降低功耗，如圖1所示，本發(fā)明對線圈的激勵方式進行了改進，主控單元包括預(yù)振模塊、復(fù)振模塊、頻率檢測模塊和信號處理模塊，信號處理模塊記錄有效的復(fù)振頻率信號，同時控制傳感器的激勵檢測流程，使傳感器在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種模式下工作，并根據(jù)記錄的有效復(fù)振頻率值，計算得到穩(wěn)態(tài)工作模式時復(fù)振模塊輸出的激勵頻率值。

本發(fā)明的主要思路是從節(jié)能的角度考慮，將激勵方式分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種模式，其中非穩(wěn)態(tài)的工作模式按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的步驟來進行，穩(wěn)態(tài)工作模式按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測步驟進行。

在非穩(wěn)態(tài)工作模式中，首先對線圈進行了預(yù)振，由主控單元控制預(yù)振模塊輸出一個脈寬為t1的單脈沖信號至激勵電路單元4，該信號促使線圈將振弦吸引偏離平衡位置，開始預(yù)振，預(yù)振起始延遲一段時間后，頻率檢測模塊通過拾振電路單元5對預(yù)振的振弦頻率進行檢測，獲得預(yù)振頻率，然后主控單元控制復(fù)振模塊輸出一個振蕩頻率等于預(yù)振頻率、脈寬t2的電信號至激勵電路單元，復(fù)振起始延遲一段時間后，頻率檢測模塊通過拾振電路單元對復(fù)振的振弦頻率進行檢測，獲得本次的測量頻率，將其轉(zhuǎn)換為位移或形變參數(shù)即得到本次測量結(jié)果。由于通過對預(yù)振頻率的檢測，傳感器的主控單元已經(jīng)獲得了一個粗略的頻率值，再通過類似接近頻率的復(fù)振激勵，可使得鋼弦很快產(chǎn)生共振，且復(fù)振過程中容易獲得具有較大幅值的信號，利于頻率的計數(shù)，進而提高了測量精度。

上述預(yù)振和復(fù)振相結(jié)合的方式雖然在節(jié)能方面比傳統(tǒng)的掃頻激振方式能耗降低了不少，但是如果每次檢測時都要進行預(yù)振激勵，而且預(yù)振激勵的t1通常為百ms級，故會帶來較大的功耗。從工程實際應(yīng)用的角度，考慮到安裝至橋梁和建筑物等大型結(jié)構(gòu)物的傳感器絕大部分時間內(nèi)工作在一個相對穩(wěn)態(tài)的環(huán)境中，而且傳感器監(jiān)測的周期為秒級，對于常規(guī)的大型結(jié)構(gòu)件而言，比如橋梁上安裝振弦傳感器用載荷檢測，通常情況下在以小時為單位的相對較長時間內(nèi)超載并沒有劇烈的變化，即傳感器的位移變化不大，也就是說穩(wěn)態(tài)條件下一段時間內(nèi)實測的頻率值會接近，故穩(wěn)態(tài)條件下完全可以省去預(yù)振激勵的步驟，直接進入復(fù)振—復(fù)振檢測環(huán)節(jié)，復(fù)振時主控單元控制復(fù)振模塊輸出脈寬t2、振蕩頻率與前面實測頻率相接近的電信號至激勵電路單元，就可以實現(xiàn)鋼弦共振，獲得位移和形變參數(shù)。

如圖2所示，兼顧穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工作的要求，傳感器激勵檢測方法，按照以下的步驟進行：

[1]數(shù)據(jù)積累階段：傳感器安裝調(diào)試完畢后，前n次檢測時，信號處理模塊控制傳感器按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的非穩(wěn)態(tài)模式工作，其中預(yù)振的激勵信號為脈寬t1的單脈沖電信號，預(yù)振檢測的頻率為F_i，復(fù)振的激勵信號為振蕩頻率F_i、脈寬t2的電信號，復(fù)振檢測頻率f_i為該次測量的結(jié)果，其中n和i均為正整數(shù)，i為測量第次；

[2]正常情況下的測量：當(dāng)i>n時，傳感器按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測的穩(wěn)態(tài)模式工作，其中復(fù)振激勵信號的脈寬為t2，激勵頻率F_i按照前n次測量得到頻率值的移動平均值取數(shù)：Fi＝(fi-n+……+fi-2+fi-1)/n，并獲得該次的頻率測量結(jié)果為f_i；

[3]非正常情況下的處理：如果步驟[2]中檢測得到的復(fù)振頻率超出傳感器的工作范圍，或者復(fù)振信號值弱至難以正常檢測，則該次測量無效，傳感器按照預(yù)振—預(yù)振檢測—復(fù)振—復(fù)振檢測的非穩(wěn)態(tài)模式工作，否則傳感器按照直接復(fù)振—復(fù)振檢測的穩(wěn)態(tài)模式工作；

[4]為下一次測量提供數(shù)據(jù)：每次測量完畢后，記錄該次的測量頻率值f_i用于后續(xù)激勵電信號頻率的計算。

對于常規(guī)的大型結(jié)構(gòu)件而言，通常情況下傳感器采用穩(wěn)態(tài)的工作模式，只有在出現(xiàn)突發(fā)情況下，復(fù)振采用算術(shù)移動平均的頻率數(shù)激勵時出現(xiàn)了測量結(jié)果超出傳感器額定頻率范圍或者是因復(fù)振的激勵頻率與鋼弦的共振頻率不匹配，導(dǎo)致無法共振，使得檢測信號太弱無法正常檢測時，才切換至非穩(wěn)態(tài)工作模式，一旦瞬時的非穩(wěn)態(tài)階段過后，由于算術(shù)移動平均數(shù)的平滑作用，很快又自動切換至穩(wěn)態(tài)的直接復(fù)振模式。實踐證明n取10、20或50即可滿足測量要求，并具有較好的節(jié)能效果。

作為一種優(yōu)選方式，本發(fā)明測量時對傳感器進行測量標(biāo)定，獲得了傳感器在工作頻率范圍內(nèi)的最小的預(yù)振激勵脈寬t1和復(fù)振激勵脈寬t2，確保傳感器可以正常工作的同時，節(jié)約了系統(tǒng)功耗并可增加測量頻次。

圖3和圖4分別給出了兩種模式下的電流消耗時序圖，其中預(yù)振激勵脈寬t1取值為100-200ms，復(fù)振激勵脈寬t2取值為200-500ms，預(yù)振采樣處理和復(fù)振采樣處理階段也因AD轉(zhuǎn)換等消耗部分能量，待機階段相比預(yù)振和復(fù)振階段則能耗降至最小，其中待機的時長由測量傳感器的時間分辨率決定，通常為秒級。

本發(fā)明相比低壓掃頻激振方式大大節(jié)約了能耗，滿足了傳感器在無人值守、電池供電條件下的長時間工作要求。