本發(fā)明屬于電子技術(shù)和工程監(jiān)測的
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地涉及振弦式傳感器的激勵方法，主要用于使振弦式傳感器的鋼弦振起來。
背景技術(shù)：
：振弦式傳感器也叫做鋼弦式傳感器，是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、抗干擾能力強(近距離)、測值可靠、精度與分辨力高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其輸出為頻率信號(一般為mV級正弦波)，廣泛應(yīng)用于巖土、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)工程測試中。鋼弦式傳感器的一般工作原理是：鋼弦放置在磁場中，用一定方式對鋼弦加以激振后，鋼弦將會發(fā)生振動，振動的鋼弦在磁場中作切割磁力線運動，因此，可在拾振線圈中感應(yīng)出電勢，感應(yīng)電勢(鋼弦切割磁力線，在線圈中產(chǎn)生微弱電信號)的頻率就是振弦的共振頻率。由力學(xué)原理可知，鋼弦的共振頻率與弦線所承受的張力或拉力成線性關(guān)系，因此測得鋼弦的共振頻率即可求出待測鋼弦的繃緊程度(張拉應(yīng)力)，利用這一特性，制作出各式各樣的傳感器，如壓力、位移等，壓力或位移的改變導(dǎo)致鋼弦繃緊程度發(fā)生變化，其共振頻率也相應(yīng)發(fā)生改變，測量頻率值即可計算出傳感器所受的壓力或位移值。鋼弦的“繃緊”程度即是鋼弦的應(yīng)力狀態(tài)，鋼弦應(yīng)力與其共振頻率滿足公式上式中：f：鋼弦的頻率值L：鋼弦長度σ：鋼弦所受到的張拉應(yīng)力ρ：鋼弦材料的密度對于已經(jīng)制作完成的鋼弦傳感器，鋼弦的長度、鋼弦材料的密度為已知量，故此，鋼弦受到的張拉應(yīng)力與鋼弦共振頻率有一一對應(yīng)關(guān)系，張拉應(yīng)力受到傳感器外部環(huán)境的影響(如壓力)而改變，從而通過頻率值即可計算出外部環(huán)境的值。這類傳感器有兩種形式：一種是雙線圈，其中一個線圈是激振線圈，激振振弦讓鋼弦振動起來，另一個是拾振線圈，它是能把振弦的機械振動轉(zhuǎn)換為同頻率的感應(yīng)電動勢的裝置；另一種是單線圈，這種傳感器激振線圈和拾振線圈為同一個線圈，激振和拾振分時進行，先激振，后拾振。單線圈振弦式傳感器使用中主要解決兩個問題：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起來；第二，拾振方法，包括拾振線圈中的微弱電動勢的拾取得到電動勢的頻率和頻率量測量兩部分。振弦式讀數(shù)儀主要解決兩個問題：怎樣讓鋼弦振起來以及怎樣獲取鋼弦振起來后產(chǎn)生的頻率值。本發(fā)明是解決第一個問題的。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供振弦式傳感器的激勵方法，其能夠根據(jù)實際情況采用最優(yōu)的激勵方案，從而和鋼弦振動頻率讀取裝置配合使用，達到快速連續(xù)測量的目的。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種振弦式傳感器的激勵方法，當激勵電壓為高壓時采用高壓脈沖激勵方法，當激勵電壓為低壓時采用固定頻率低壓掃頻激勵法、步進式低壓定值掃頻激勵法、漸變式低壓掃頻激勵法、步進式低壓漸變掃頻激勵法、二分式低壓定值掃頻激勵法、二分式低壓漸變掃頻激勵法、低壓預(yù)激振精準掃頻激勵法中的一種；當傳感器正確激勵后，記錄下最終使用的激勵方法，作為最優(yōu)激勵方法，下次激勵時直接使用最優(yōu)激勵方法進行傳感器激勵，最優(yōu)激勵方法是當原始信號幅值在達到規(guī)定的強度前提下，結(jié)合信號幅度探測器和程控放大器反算原始信號幅度且經(jīng)信號采集評估后各項指標均為優(yōu)質(zhì)值。本發(fā)明采用高壓脈沖激勵方法、固定頻率低壓掃頻激勵法、步進式低壓定值掃頻激勵法、漸變式低壓掃頻激勵法、步進式低壓漸變掃頻激勵法、二分式低壓定值掃頻激勵法、二分式低壓漸變掃頻激勵法、低壓預(yù)激振精準掃頻激勵法中的一種；當傳感器正確激勵后，記錄下最終使用的激勵方法，作為最優(yōu)激勵方法，因此能夠根據(jù)實際情況采用最優(yōu)的激勵方案，從而和鋼弦振動頻率讀取裝置配合使用，達到快速連續(xù)測量的目的。附圖說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的振弦式傳感器的激勵方法的流程圖。具體實施方式如圖1所示，這種振弦式傳感器的激勵方法，當激勵電壓為高壓時采用高壓脈沖激勵方法，當激勵電壓為低壓時采用固定頻率低壓掃頻激勵法、步進式低壓定值掃頻激勵法、漸變式低壓掃頻激勵法、步進式低壓漸變掃頻激勵法、二分式低壓定值掃頻激勵法、二分式低壓漸變掃頻激勵法、低壓預(yù)激振精準掃頻激勵法中的一種；當傳感器正確激勵后，記錄下最終使用的激勵方法，作為最優(yōu)激勵方法，下次激勵時直接使用最優(yōu)激勵方法進行傳感器激勵，最優(yōu)激勵方法是當原始信號幅值在達到規(guī)定的強度前提下，結(jié)合信號幅度探測器和程控放大器反算原始信號幅度且經(jīng)信號采集評估后各項指標均為優(yōu)質(zhì)值。本發(fā)明采用高壓脈沖激勵方法、固定頻率低壓掃頻激勵法、步進式低壓定值掃頻激勵法、漸變式低壓掃頻激勵法、步進式低壓漸變掃頻激勵法、二分式低壓定值掃頻激勵法、二分式低壓漸變掃頻激勵法、低壓預(yù)激振精準掃頻激勵法中的一種；當傳感器正確激勵后，記錄下最終使用的激勵方法，作為最優(yōu)激勵方法，因此能夠根據(jù)實際情況采用最優(yōu)的激勵方案，從而和鋼弦振動頻率讀取裝置配合使用，達到快速連續(xù)測量的目的。另外，所述高壓脈沖激勵方法包括以下步驟：(1.1)由用戶指定期望高壓寄存器值、泵壓最大時長寄存器值；(1.2)在MCU控制下，斷開高壓切換開關(guān)；(1.3)按照寄存器的數(shù)值，驅(qū)動直流泵壓器進行升壓，與此同時，高壓采樣器連續(xù)對泵壓器的輸出電壓進行檢測，當達到寄存器規(guī)定的電壓值或泵壓時長超過泵壓最大時長寄存器值時，跳轉(zhuǎn)到步驟(1.4)；(1.4)停止泵壓；(1.5)接通高壓切換開關(guān)，使高電壓脈沖信號傳輸給振弦傳感器線圈。線圈對鋼弦施放較強磁脈沖，使鋼弦產(chǎn)生自振；(1.6)檢測并讀取傳感器的返回信號，進而進行精度分析、刷新輸出數(shù)據(jù)，斷開高壓切換開關(guān)。另外，所述固定頻率低壓掃頻激勵法包括以下步驟：(2.1)MCU讀取寄存器掃頻起始頻率、自增掃頻周期數(shù)量的值；(2.2)MCU控制低壓掃頻器發(fā)送指定周期數(shù)量的低壓激勵信號。另外，所述步進式低壓定值掃頻激勵法包括以下步驟：(3.1)MCU讀取對應(yīng)的上、下限頻率寄存器的值、步進頻率值、每個頻率重復(fù)的周期數(shù)量；(3.2)將掃頻頻率設(shè)置為下限寄存器的值；(3.3)執(zhí)行固定頻率低壓掃頻激勵法的步驟(2.2)；(3.4)檢測并讀取傳感器的返回信號，進而進行精度分析，信號質(zhì)量達到預(yù)定要求時，跳轉(zhuǎn)到步驟(3.6)；(3.5)掃頻頻率值增加一個步進數(shù)量，檢查有無超過頻率上限寄存器的值，若未超過進行步驟(3.3)，否則進行步驟(3.6)；(3.6)刷新輸出數(shù)據(jù)，結(jié)束本次掃頻。另外，所述漸變式低壓掃頻激勵法包括以下步驟：(4.1)MCU讀取寄存器對應(yīng)的上、下限頻率寄存器的值、步進頻率值、每個頻率重復(fù)的周期數(shù)量；(4.2)將掃頻頻率設(shè)置為下限寄存器的值；(4.3)執(zhí)行固定頻率低壓掃頻激勵法的步驟2；(4.4)掃頻頻率值增加一個步進數(shù)量，檢查有無超過頻率上限寄存器的值，若未超過進行步驟(4.3)，否則進行步驟(4.6)；(4.5)檢測并讀取傳感器的返回信號，進而進行精度分析；(4.6)刷新輸出數(shù)據(jù)，結(jié)束本次掃頻。另外，所述步進式低壓漸變掃頻激勵法與所述步進式低壓定值掃頻激勵法步驟相同，只是將每個步進的固定頻率值改為本步進段上下限的漸變式低壓掃頻激勵法；將每一個步進的漸變頻率掃描過程分為連續(xù)的10等分，自動計算出每份的時間長度，每個步進掃描控制在500ms以內(nèi)。所述二分式低壓漸變掃頻激勵法與所述二分式低壓定值掃頻激勵法步驟相同，只是將原來的二等分后的中值固定值變?yōu)榇硕紊舷孪薜臐u變式低壓掃頻激勵法；將每一個步進的漸變頻率掃描過程分為連續(xù)的10等分，自動計算出每份的時間長度，每個步進掃描控制在500ms以內(nèi)。另外，所述二分式低壓定值掃頻激勵法包括以下步驟：(5.1)MCU讀取寄存器對應(yīng)的上、下限頻率寄存器的值、每個頻率重復(fù)的周期數(shù)量、精準激勵頻率范圍值；(5.2)將頻率范圍平分為兩段，分別計算出兩段的中間頻率值f1、f2；(5.3)執(zhí)行固定頻率低壓掃頻激勵法的步驟(2.2),控制低壓掃頻器發(fā)送指定周期數(shù)量的f1頻率的激勵信號；(5.4)檢測并讀取傳感器的返回信號，進行信號幅度檢測，記錄為v1；(5.5)執(zhí)行固定頻率低壓掃頻激勵法的步驟(2.2),控制低壓掃頻器發(fā)送指定周期數(shù)量的f2頻率的激勵信號；(5.6)檢測并讀取傳感器的返回信號，進行信號幅度檢測，記錄為v2；(5.7)將v1和v2進行比較，保留值較大的一段頻率范圍，判斷頻率范圍是否達到精準激勵頻率范圍值，未達到則跳轉(zhuǎn)到步驟(5.2)，達到則跳轉(zhuǎn)到步驟(5.8)；(5.8)使用步驟(5.7)中保留的頻率范圍中間值，執(zhí)行固定頻率低壓掃頻激勵法的步驟(2.2)，控制低壓掃頻器發(fā)送指定周期數(shù)量的激勵信號；(5.9)檢測并讀取傳感器的返回信號，進而進行精度分析；(5.10)刷新輸出數(shù)據(jù)，結(jié)束本次掃頻。另外，所述低壓預(yù)激振精準掃頻激勵法，先使用指定的電壓進行一次單脈沖激勵，根據(jù)返回的粗略信號計算出大致的鋼弦自振頻率范圍，再使用中值進行精準掃頻激勵。另外，低壓掃頻時，使用模塊內(nèi)部時間基準計算掃頻頻率，內(nèi)部時間基準應(yīng)根據(jù)對應(yīng)寄存器進行計時準確度修正，在生成掃頻信號前要進行溫度補償修正。另外，所述同相反饋連續(xù)激勵法為：濾波放大器與低壓掃頻器連接，低壓掃頻器有一路受MCU控制的開關(guān)，將放大后的正弦波信號反饋給傳感器的線圈，經(jīng)由高壓阻尼傳遞給振弦傳感器的線圈；在讀取信號過程中，將上述開關(guān)打開一個信號周期的時間，放大后的正弦信號同相反饋施加到傳感器線圈上，進行鋼弦自振過程中的補充激勵，由于此幅值較高的正弦波與傳感器正在輸出的正弦波相位相同，可實現(xiàn)振動中的二次激勵，使鋼弦振動不斷得到加強，再讀取、再開關(guān)上述開關(guān)，如此周而復(fù)始，實現(xiàn)鋼弦振動永不停止。需要特別說明的是，當掃頻開始時，若發(fā)現(xiàn)當前寄存器參數(shù)設(shè)置不合理時，會自動啟動調(diào)整程序。以下列舉幾種參數(shù)不合理的情況：(1)步進式低壓定值掃頻激勵法時，設(shè)置的低壓掃頻上下限超過200Hz或(和)步進值過小或(和)周期數(shù)量過多導(dǎo)致一次掃描激勵時長超過500ms時；(2)步進式低壓定值掃頻激勵法時，設(shè)置的步進值過大或(和)周期數(shù)量不足導(dǎo)致可能發(fā)生遺漏振弦傳感器鋼弦自有頻率而無法激振時。自動調(diào)整程序以步進差控制在5Hz以內(nèi)并且掃描信號中每5Hz輸出信號不低于50個并且總時長不大于500ms為基本原則，將原參數(shù)細分為幾段遞歸調(diào)用原函數(shù)模塊，直到讀取到符合要求的傳感器信號或遞歸調(diào)用結(jié)束。對于內(nèi)部集成有數(shù)字溫度傳感器DS18B20的一類振弦傳感器，本模塊支持傳感器自振頻率存儲功能。對于這類傳感器的激勵和數(shù)據(jù)讀取流程如下：(1)首先讀取溫度傳感器的全球唯一序列號(64位，由廠家寫入，每一支傳感器具有全球唯一序列號)；(2)讀取傳感器溫度；(3)檢索存儲器中有無此傳感器的自振頻率記錄，若有，跳轉(zhuǎn)到步驟4，若沒有，跳轉(zhuǎn)到步驟(6)；(4)按照數(shù)字溫補鋼弦激勵方法寄存器規(guī)定的激勵方法進行掃頻信號發(fā)送；(5)讀取、計算、分析傳感器頻率信號，更新相關(guān)寄存器的值；(6)若信號質(zhì)量滿足要求，則將當前傳感器序列號和自振頻率值添加到已有傳感器列表。這種方法可實現(xiàn)快速精準激勵傳感器。數(shù)字傳感器記錄表存儲于存儲器內(nèi)，包括自振頻率數(shù)據(jù)表和報警信息數(shù)據(jù)表。數(shù)字傳感器是指內(nèi)部安裝有數(shù)字溫度傳感器的一類振弦傳感器，使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20的全球唯一序列號識別傳感器。自振頻率數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1。序列號自振頻率上限自振頻率下限表1當傳感器正確激勵后，固件程序記錄下最終使用的激勵方法，寫入只讀寄存器“最優(yōu)激勵方法”，下次激勵時直接使用“最優(yōu)激勵方法”進行傳感器激勵。最優(yōu)的原則是連續(xù)3次讀取頻率后的數(shù)據(jù)誤差在頻率容限范圍內(nèi)，且用時最短。最優(yōu)激勵法和鋼弦自振抑制寄存器配合使用，達到快速連續(xù)測量的目的。具體來說，快速測量通過以下幾個層面的方法來實現(xiàn)：1.通過下次激勵時直接使用“最優(yōu)激勵方法”，使用最簡單的一種方法來激勵傳感器，節(jié)省了激勵傳感器花費的時間。2.使用“鋼弦自振抑制”方法讓傳感器快速結(jié)束自振，以便更早更快的進行下一次激勵。3.對含有數(shù)字溫度傳感器的振弦傳感器，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20自身的全球唯一碼進行識別，從模塊內(nèi)部存儲區(qū)檢索此識別碼傳感器的自振頻率。對于這類傳感器的激勵和數(shù)據(jù)讀取流程如下：(1)首先讀取溫度傳感器的全球唯一序列號(64位，由廠家寫入，每一支傳感器具有全球唯一序列號)；(2)讀取傳感器溫度；(3)檢索存儲器中有無此傳感器的自振頻率記錄，若有，跳轉(zhuǎn)到步驟4，若沒有，跳轉(zhuǎn)到步驟6；(4)按照數(shù)字溫補鋼弦激勵方法寄存器規(guī)定的激勵方法進行掃頻信號發(fā)送；(5)讀取、計算、分析傳感器頻率信號，更新相關(guān)寄存器的值；(6)若信號質(zhì)量滿足要求，則將當前傳感器序列號和自振頻率值添加到已有傳感器列表。這種方法可實現(xiàn)快速精準激勵傳感器。4.采用用戶可選擇的另一種方法：實現(xiàn)振動中的二次激勵，使鋼弦振動不斷得到加強，再讀取、再開關(guān)上述開關(guān)，如此周而復(fù)始，實現(xiàn)鋼弦振動永不停止。這種方法可使振弦傳感器讀取頻率大大提高。5.經(jīng)過大量實驗，發(fā)現(xiàn)了如下規(guī)律，對上述“二次激勵”方法進行了改進，使測量速率提高了一個數(shù)量級。規(guī)律如下：(1)強迫振動現(xiàn)象真實存在，強迫振動持續(xù)時長在不同的條件下有顯著不同；(2)強迫振動的頻率向鋼弦自振頻率變化時，其持續(xù)時長與激勵信號的強度和頻率有關(guān)，當激勵信號的頻率與傳感器鋼振自振頻率十分接近時，強迫振動的時間很短；(3)使用與鋼弦自振頻率接近且同相的再激勵信號激勵傳感器，“強迫振動”在第二、三個周期時迅速接近于自振頻率，誤差在激勵頻率與自振頻率之差的1/10以內(nèi)，由于再激勵信號的頻率幾乎就是自振頻率，故此，可以認為再激勵后第二、三個傳感器信號即是自振頻率；(4)基于以上試驗得出的規(guī)律性結(jié)論，可得到上述公式的修正公式(單周期信號次再激勵)(多周期信號再激勵)上式中f：傳感器鋼弦的自振頻率n：再激勵信號周期數(shù)量當自振頻率為500Hz時，采用1個周期再激勵信號，直接周期法計算頻率，數(shù)據(jù)讀取頻率為125Hz。采用3個周期再激勵信號時，數(shù)據(jù)讀取頻率為83.3Hz。當自振頻率為5000Hz時，采用1個周期再激勵信號，直接周期法計算頻率，數(shù)據(jù)讀取頻率為1250Hz。采用3個周期再激勵信號時，數(shù)據(jù)讀取頻率為833.3Hz。快速振弦頻率讀取技術(shù)，使傳感器的應(yīng)用范圍得到進一步擴展，可用于振動測量中。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。當前第1頁1 2 3