本發(fā)明涉及一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，屬于土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)行業(yè)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)：目前針對(duì)多根鋼弦的振弦式傳感器，如錨索計(jì)、多弦軸力計(jì)、應(yīng)變計(jì)組等振弦原理的傳感器，只能夠一根鋼弦匹配一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，如在地鐵基坑監(jiān)測(cè)中，一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面通常需要4個(gè)三弦軸力計(jì)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)組，這樣就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)監(jiān)測(cè)面至少需要12~16個(gè)通道的測(cè)量設(shè)備，導(dǎo)致成本、功耗、體積變大、走線(xiàn)復(fù)雜，非常不利于現(xiàn)場(chǎng)施工以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，通過(guò)改進(jìn)傳感器的信號(hào)線(xiàn)連接方式，只需要一個(gè)測(cè)量通道進(jìn)行信號(hào)采樣，再通過(guò)頻域的計(jì)算方法在一次采集中，得到多根鋼弦或多個(gè)振弦式傳感器的頻率值，減少了傳感器的信號(hào)線(xiàn)纜、減少了采集設(shè)備的通道數(shù)量、從而解決了上述成本、功耗、體積等問(wèn)題。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量裝置，它包括三弦振弦傳感器、信號(hào)切換電路、升壓模塊、儀表放大器、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP控制器；

三弦振弦傳感器連接信號(hào)切換電路，信號(hào)切換電路連接儀表放大器，儀表放大器連接抗混疊濾波器，抗混疊濾波器連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接DSP控制器，所述DSP控制器通過(guò)升壓模塊與信號(hào)切換電路連接；

三弦振弦傳感器的三路信號(hào)并聯(lián)成一路連接到采集裝置的信號(hào)切換電路。

一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量方法，三弦振弦傳感器的三根鋼弦信號(hào)通過(guò)共用一根信號(hào)線(xiàn)連接到信號(hào)采集設(shè)備，并通過(guò)升壓模塊對(duì)其激振產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)儀表放大器進(jìn)行放大后再經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器進(jìn)行濾波調(diào)理，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣得到量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP控制器進(jìn)行FFT計(jì)算，并得出多根鋼弦的頻率值。

進(jìn)一步的，三弦振弦傳感器的三路信號(hào)并聯(lián)成一路連接到采集裝置的信號(hào)切換電路。

進(jìn)一步的，DSP控制器對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集到的時(shí)域離散信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算并在頻域中得到三根鋼弦的頻率值。

進(jìn)一步的，升壓模塊經(jīng)過(guò)信號(hào)切換電路對(duì)三弦振弦傳感器進(jìn)行激振。

進(jìn)一步的，三弦振弦傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)切換電路切換到儀表放大器。

本發(fā)明的原理，本發(fā)明原理介紹：因?yàn)檎裣沂絺鞲衅魇峭ㄟ^(guò)電磁感應(yīng)的原理，把鋼弦的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成交流弱電信號(hào)。它內(nèi)部有兩個(gè)核心部件，一個(gè)是線(xiàn)圈，一個(gè)是兩端張緊的鋼弦，鋼弦與傳感器的受力主體連接，當(dāng)外界的被測(cè)結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，傳遞到鋼弦上就是鋼弦張力的變化，這個(gè)張力的大小跟鋼弦振動(dòng)的頻率大小滿(mǎn)足經(jīng)典弦公式的要求，即T=4*m*ι²*f²

T―鋼弦拉力

m―鋼弦單位長(zhǎng)度質(zhì)量

ι―有效計(jì)算長(zhǎng)度

f―一階頻率

線(xiàn)圈有兩個(gè)作用，一個(gè)是作為激振器將采集設(shè)備發(fā)來(lái)的激振信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)鋼弦的垂直方向的拉力，類(lèi)似于用手撥吉他的弦，這樣就會(huì)把當(dāng)前鋼弦的固有頻率給激發(fā)起來(lái)，另一個(gè)作用是作為拾振器將被磁化并且有阻尼振動(dòng)的鋼弦產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)發(fā)送給采集儀輸入端。因?yàn)槎喔撓腋髯缘恼駝?dòng)是相互獨(dú)立的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，屬于鋼弦自身的固有頻率，互不相關(guān)，所以可以將多弦傳感器的線(xiàn)圈并聯(lián)在一起，并通過(guò)同一個(gè)激振信號(hào)將所有鋼弦同時(shí)激振，這樣每根鋼弦都激振起來(lái)后，各自在各自的鋼弦的固有頻率上振動(dòng)并產(chǎn)生感應(yīng)交流信號(hào)，每根鋼弦的感應(yīng)信號(hào)都使用公用的信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，這樣信號(hào)由原來(lái)的獨(dú)立傳輸，變?yōu)榫€(xiàn)性疊加的方式傳輸，即x（t）= x1（t）+ x2（t）+ x3（t）+···。雖然疊加后的時(shí)域信號(hào)無(wú)法通過(guò)常規(guī)的時(shí)域信號(hào)處理方式如過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、上升沿檢測(cè)、脈寬檢測(cè)等手段測(cè)量出每根鋼弦的頻率值，但是可以采用頻譜轉(zhuǎn)換技術(shù)（FFT），把采集設(shè)備通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣到的多個(gè)傳感器的時(shí)域離散疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻譜中，并通過(guò)排序找最值算法得到目標(biāo)信號(hào)的頻率值，從而通過(guò)一次采樣得到多根鋼弦或多個(gè)傳感器的頻率值。本發(fā)明就是采用該方法，能夠通過(guò)一次激振，同時(shí)測(cè)量多根鋼弦的頻率值，在不改變采集電路的基礎(chǔ)上，還減少了傳感器的線(xiàn)纜，如傳統(tǒng)的三弦錨索計(jì)，共三個(gè)線(xiàn)圈，把一根線(xiàn)作為公共端的話(huà)也至少需要4芯線(xiàn)纜，而采用本方法的并聯(lián)方式，三弦錨索計(jì)只需要兩根線(xiàn)即可，而且能夠?qū)崿F(xiàn)三根弦的同步測(cè)量，減少了測(cè)量時(shí)間。這樣通過(guò)上述方法，在測(cè)量多弦振弦式傳感器時(shí)，無(wú)需升級(jí)測(cè)量系統(tǒng)增加額外的成本。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明專(zhuān)利解決了針對(duì)多弦傳感器的市場(chǎng)應(yīng)用限制，在傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)上進(jìn)行突破，解決了現(xiàn)有設(shè)備的測(cè)量局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)論是有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，都可以在不增加硬件成本（測(cè)量通道數(shù)量、系統(tǒng)復(fù)雜度、體積、功耗、線(xiàn)纜鋪設(shè)等）條件下解決多弦振弦式傳感器的測(cè)量技術(shù)難題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖2為本發(fā)明的FFT頻域圖；

圖3為本發(fā)明的DSP程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:

一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量裝置，它包括三弦振弦傳感器1、信號(hào)切換電路2、升壓模塊3、儀表放大器4、抗混疊濾波器5、模數(shù)轉(zhuǎn)換器6、DSP控制器7；

三弦振弦傳感器1連接信號(hào)切換電路2，信號(hào)切換電路2連接儀表放大器4，儀表放大器4連接抗混疊濾波器5，抗混疊濾波器5連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器6，模數(shù)轉(zhuǎn)換器6連接DSP控制器7，所述DSP控制器7通過(guò)升壓模塊3與信號(hào)切換電路2連接；

三弦振弦傳感器1的三路信號(hào)并聯(lián)成一路連接到采集裝置的信號(hào)切換電路2。

一種基于頻譜計(jì)算的多弦振弦式傳感器的測(cè)量方法，三弦振弦傳感器1的三根鋼弦信號(hào)通過(guò)共用一根信號(hào)線(xiàn)連接到信號(hào)采集設(shè)備，并通過(guò)升壓模塊3對(duì)其激振產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)儀表放大器4進(jìn)行放大后再經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器5進(jìn)行濾波調(diào)理，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器6采樣得到量化的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP控制器7進(jìn)行FFT計(jì)算，并得出多根鋼弦的頻率值。

三弦振弦傳感器1的三路信號(hào)并聯(lián)成一路連接到采集裝置的信號(hào)切換電路2。

DSP控制器7對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器6采集到的時(shí)域離散信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算并在頻域中得到三根鋼弦的頻率值。

升壓模塊3經(jīng)過(guò)信號(hào)切換電路2對(duì)三弦振弦傳感器1進(jìn)行激振。

三弦振弦傳感器1產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)切換電路2切換到儀表放大器4。

本發(fā)明原理介紹：因?yàn)檎裣沂絺鞲衅魇峭ㄟ^(guò)電磁感應(yīng)的原理，把鋼弦的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成交流弱電信號(hào)。它內(nèi)部有兩個(gè)核心部件，一個(gè)是線(xiàn)圈，一個(gè)是兩端張緊的鋼弦，鋼弦與傳感器的受力主體連接，當(dāng)外界的被測(cè)結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，傳遞到鋼弦上就是鋼弦張力的變化，這個(gè)張力的大小跟鋼弦振動(dòng)的頻率大小滿(mǎn)足經(jīng)典弦公式的要求，即T=4*m*ι²*f²

T―鋼弦拉力

m―鋼弦單位長(zhǎng)度質(zhì)量

ι―有效計(jì)算長(zhǎng)度

f―一階頻率

線(xiàn)圈有兩個(gè)作用，一個(gè)是作為激振器將采集設(shè)備發(fā)來(lái)的激振信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)鋼弦的垂直方向的拉力，類(lèi)似于用手撥吉他的弦，這樣就會(huì)把當(dāng)前鋼弦的固有頻率給激發(fā)起來(lái)，另一個(gè)作用是作為拾振器將被磁化并且有阻尼振動(dòng)的鋼弦產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)發(fā)送給采集儀輸入端。因?yàn)槎喔撓腋髯缘恼駝?dòng)是相互獨(dú)立的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，屬于鋼弦自身的固有頻率，互不相關(guān)，所以可以將多弦傳感器的線(xiàn)圈并聯(lián)在一起，并通過(guò)同一個(gè)激振信號(hào)將所有鋼弦同時(shí)激振，這樣每根鋼弦都激振起來(lái)后，各自在各自的鋼弦的固有頻率上振動(dòng)并產(chǎn)生感應(yīng)交流信號(hào)，每根鋼弦的感應(yīng)信號(hào)都使用公用的信號(hào)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，這樣信號(hào)由原來(lái)的獨(dú)立傳輸，變?yōu)榫€(xiàn)性疊加的方式傳輸，即x（t）= x1（t）+ x2（t）+ x3（t）+···。雖然疊加后的時(shí)域信號(hào)無(wú)法通過(guò)常規(guī)的時(shí)域信號(hào)處理方式如過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、上升沿檢測(cè)、脈寬檢測(cè)等手段測(cè)量出每根鋼弦的頻率值，但是可以采用頻譜轉(zhuǎn)換技術(shù)（FFT），把采集設(shè)備通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣到的多個(gè)傳感器的時(shí)域離散疊加信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻譜中，并通過(guò)排序找最值算法得到目標(biāo)信號(hào)的頻率值，從而通過(guò)一次采樣得到多根鋼弦或多個(gè)傳感器的頻率值。本發(fā)明就是采用該方法，能夠通過(guò)一次激振，同時(shí)測(cè)量多根鋼弦的頻率值，在不改變采集電路的基礎(chǔ)上，還減少了傳感器的線(xiàn)纜，如傳統(tǒng)的三弦錨索計(jì)，共三個(gè)線(xiàn)圈，把一根線(xiàn)作為公共端的話(huà)也至少需要4芯線(xiàn)纜，而采用本方法的并聯(lián)方式，三弦錨索計(jì)只需要兩根線(xiàn)即可，而且能夠?qū)崿F(xiàn)三根弦的同步測(cè)量，減少了測(cè)量時(shí)間。這樣通過(guò)上述方法，在測(cè)量多弦振弦式傳感器時(shí)，無(wú)需升級(jí)測(cè)量系統(tǒng)增加額外的成本。

本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式：多弦傳感器（一般為3、4、6弦居多），在生產(chǎn)時(shí)，就將所有的線(xiàn)圈同名端并聯(lián)在一起，另一端并聯(lián)在一起，需避免三個(gè)線(xiàn)圈的同名端因沒(méi)有接在一起而導(dǎo)致可能的信號(hào)相位差引起的抵消，最終傳感器對(duì)外就是兩根線(xiàn)纜。

信號(hào)鏈的前端是通過(guò)一個(gè)信號(hào)切換電路實(shí)現(xiàn)激振電壓和信號(hào)采集進(jìn)行切換的，按照采集過(guò)程，先將升壓模塊的輸出電壓加載到多弦傳感器，并分別通過(guò)線(xiàn)圈同時(shí)激振多根鋼弦，多根鋼弦產(chǎn)生的疊加信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)返回到信號(hào)切換電路，同時(shí)DSP控制器將信號(hào)切換電路切換到儀表放大器，儀表放大器將傳感器信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信噪比便于后端電路處理。放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器，一般設(shè)置為振弦式傳感器的上限頻率，如4000Hz作為抗混疊濾波器的截止頻率，用于濾除信號(hào)帶寬之外的干擾及噪聲。經(jīng)過(guò)放大濾波后的信號(hào)最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣編碼并傳輸給DSP控制器。

DSP控制器能夠?qū)崿F(xiàn)高速硬件浮點(diǎn)計(jì)算，利于計(jì)算N值比較大的FFT運(yùn)算，同時(shí)兼顧功耗和成本。

在DSP內(nèi)部的信號(hào)處理時(shí)，如果兩根或多根鋼弦的振動(dòng)頻率接近或相同，那么在篩選最大值算法上，需要考慮該情況，一般信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，幅值遠(yuǎn)大于本底噪聲，可以通過(guò)設(shè)置噪聲容限電壓范圍進(jìn)行判斷是信號(hào)還是噪聲，如果最大幅值小于傳感器的鋼弦數(shù)量，那么說(shuō)明有兩根及以上的鋼弦振動(dòng)頻率重疊，但這對(duì)我們最終的數(shù)據(jù)是沒(méi)有任何影響的，因?yàn)槲覀內(nèi)〉氖嵌喔撓业钠骄怠?/p>

附圖2顯示了三根鋼弦振動(dòng)的頻率再經(jīng)過(guò)DSP內(nèi)部FFT運(yùn)算后的頻譜圖，可以明顯的看到三根鋼弦的頻率值，這個(gè)頻率值可以通過(guò)內(nèi)部算法得到。