一种单线圈振弦式传感器的动态测量系统方法与流程

本发明属于土木工程领域，涉及一种单线圈振弦式传感器的动态测量系统及方法，应用于结构安全健康监测行业。

背景技术：

近年来，振弦技术在桥梁、隧道、边坡、大坝、地铁等领域应用的越来越多。利用振弦技术可以测量的物理量的也十分多样，包括压力、拉力、受力、位移、水压等。这些传感器的性能和参数的保证与他们的可靠性和长期稳定性息息相关。传统常规的方法，一般振弦参数只能在静态测量时进行获取，当需要进行快速测量物理量时，就会使用到其它的测量技术、例如惠斯通电桥等。它们可以提供动态振弦测量，但是它们又很难符合长期、稳定、可靠的要求，然而这些特点却又是振弦式传感器独有的。因此在一些情况下，同时使用两种测量方式的传感器来测量建筑物或结构物，以保证数据的精确性，这样不仅动态、静态的系统并存，增加了系统复杂度和操作难度，也增加了成本。于是找出一种方法，仅使用振弦式传感器就能直接测量动态的响应变得尤为重要，这减少了为动态测量传感器不必要的额外花费，同时又能保证了数据的精确性。

目前虽然也出现了一些动态测量振弦的方法，但是也是采用间歇式激振方式，即激振一次采集多次的方法来提高振弦式传感器的数据刷新率，该方法也存在诸多问题，比如等间隔的采样，因为动态测量要求严格的等间隔采样，非均匀的等间隔采样会破坏数据分析的完整性，而间歇式激振方法需要等待激振过程和启动采样过程，无法保证严格的等间隔采样；其次该方法还存在不能将动态测量的频率提升很高，也是受限于过程中需要插入对传感器的激励过程，来保持传感器的信号输出；最后的问题是由于上一次激振后，钢弦还未停止，本次激振已经开始，存在相位不同步导致的振弦信号与激振信号抵消问题，从而引起本次测量的失效，或者采集到错误的频率信号。

技术实现要素：

针对上述的问题，本发明提供了一种单线圈振弦式传感器的动态测量系统及方法，通过在信号处理前端使用自动增益控制电路(agc)反馈回路实现对振弦式传感器信号幅度的动态调节，实现只需要一次脉冲激振，振弦式传感器感应出来的感应电动势经过自动增益控制电路闭环反馈回路的控制，相当于用振弦式传感器输出信号经过增益调理后，再反馈给激振电路驱动线圈振动，这样用振弦式传感器的原始输出频率信号再作为振弦式传感器的激励信号，将很快让钢弦达到共振，当闭环回路达到稳定后，将实现振弦信号的自保持，从而实现了单线圈传感器能够持续输出等幅的频率信号，为后级电路的动态测量提供可能。

本发明的技术原理为：为了能够实现振弦信号的动态采集，关键技术点有两个：1、保证振弦式传感器能够连续输出稳定的信号，这里的稳定包括信号的幅度大小恒定和信号不失真；2、采集和数据处理算法足够快，以保证有一定的动态数据刷新率。

关键技术点1：其中第一点是重中之重，如何保证振弦式传感器能够输出持续稳定的信号是非常重要的，尤其是目前主流的单线圈振弦式传感器，由于一般单线圈振弦式传感器只有一对信号线，共用激振和感应信号输出，属于在同一信号线上分时段进行激振和测量，就是传统所谓的间歇式测量，也正是因为间歇式测量方式在进行高速采集时的缺陷，而无法实现动态测量，所以需要在信号处理前端考虑新的信号激励和采集方式。

针对关键技术点1本发明采用的方式是：首先由微控制器发送激振脉信号，激振信号经过推挽式驱动器后驱动振弦式传感器线圈，并激发振弦式传感器钢弦振动，此时钢弦振动后在线圈里面感应出感应电动势，感应电动势的频率与振弦式传感器钢弦振动的频率相同。该感应电动势信号通过线圈输出给信号调理电路的第一级，即放大级，放大级采用仪表放大器，并配置一定的放大倍数，这个放大倍数一般为10～20倍，不能过大，以防止部分振弦式传感器信号放大到削波失真。仪表放大器输出的信号，一路输出给后级处理电路(滤波、采样)，另一路输出给本发明专利的关键处理部分，即由vga(可变增益放大器)、rms-dc转换器(有效值转换成直流)、基准源、电压比较器组成的一个自动增益控制电路(agc)闭环反馈系统。自动增益控制电路中，rms-dc转换器提供与输出信号的有效值成正比的精确直流控制电压，以获得精确的环路控制。电压比较器的同相输入端来自基准源提供的设定的恒定的基准电压，用于跟rms-dc转换器输出的精确电压值进行比较，比如当比较输入电压降低至基准电压以下时，比较输出电压会增加，使输出恢复至其标称电压，反之亦然。激励控制模块用于切换激励信号和振弦感应信号，由dsp控制器控制，其导通动作的时间依据动态数据刷新率。从而达到动态控制振弦式传感器持续输出恒定信号幅度的目的。

关键技术点2：前级电路产生的连续稳定的振弦式传感器频率信号，通过模数转换器连续采样后，为了能够计算出动态的频率值，需要微控制器进行快速的数据运算，本发明采用动态fft算法，将时域信号转换到频域信号后计算出频率，为了能够提高数据刷新率，将数据按照队列的方式，即先进先出的方式进行fft运算，fft的窗口长度为1024点，数据每挪动128个点进行一次fft运算。模数转换设置成16ksps的采样速率，采样1024个点需要1/16秒，按照每采样刷新128个点(1/128秒)进行数据计算，采样时间大概为1/128秒＝7.8125ms，这样采样时间可以控制在10ms内，控制器可采用专用的数字信号处理器dsp，一次1024点的运算一般在几十微秒，远远低于采样时间，所以实际中，重点考虑信号的采样时间，是决定动态数据刷新率的决定性因素。

一种单线圈振弦式传感器的动态测量系统，它包括单线圈振弦式传感器、激励控制模块、正激励电源、负激励电源、仪表放大器、推挽式驱动器、可变增益放大器、基准源、电压比较器、rms-dc转换器、工频陷波器、低通滤波器、模数转换器、dsp控制器；单线圈振弦式传感器连接激励控制模块，激励控制模块连接仪表放大器，仪表放大器输出的信号，一路输出给后级处理电路，另一路输出给自动增益控制电路，后级处理电路和自动增益控制电路均连接推挽式驱动器，推挽式驱动器连接正激励电源和负激励电源，正激励电源和负激励电源连接激励控制模块。

后级处理电路由工频陷波器、低通滤波器、模数转换器、dsp控制器构成，仪表放大器连接工频陷波器，工频陷波器连接，低通滤波器，低通滤波器连接模数转换器，模数转换器连接dsp控制器，dsp控制器连接推挽式驱动器。

自动增益控制电路由可变增益放大器、基准源、电压比较器、rms-dc转换器组成，仪表放大器连接可变增益放大器，可变增益放大器连接推挽式驱动器和rms-dc转换器，rms-dc转换器连接电压比较器，电压比较器连接可变增益放大器，基准源连接电压比较器和可变增益放大器。

一种单线圈振弦式传感器的动态测量方法，基于前述的单线圈振弦式传感器的动态测量系统，步骤如下：

a.由dsp控制器(14)发出单脉冲初激振信号给激励控制模块(2)，初激振信号经过推挽式驱动器后驱动单线圈振弦式传感器(1)的线圈，并激发单线圈振弦式传感器(1)的钢弦振动，此时钢弦振动后在线圈里面感应出初始感应信号(感应电动势)；

b.初始感应信号通过线圈输出给仪表放大器(5)，仪表放大器(5)放大后的感应信号，一路输出给后级处理电路，另一路输出给自动增益控制电路(agc模块)；

c.感应信号经过自动增益控制电路增益调节；

d.经过增益调节的感应信号经过推挽式驱动器(6)反馈至单线圈振弦式传感器(1)；

e.钢弦与反馈过来的激励信号共振，钢弦产生持续恒幅的正弦波信号；

f.正弦波信号经过后级处理电路滤波处理，经过模数转换器(13)采集；

g.dsp控制器(14)对采集的正弦波信号进行动态数据计算。

dsp控制器(14)采用动态fft算法进行动态数据计算，将时域信号转换到频域信号后计算出频率，为了能够提高数据刷新率，将数据按照队列的方式，即先进先出的方式进行fft运算，fft的窗口长度为1024点，数据每挪动128个点进行一次fft运算。模数转换设置成16ksps的采样速率，采样1024个点需要1/16秒，按照每采样刷新128个点(1/128秒)进行数据计算，采样时间大概为1/128秒＝7.8125ms，这样采样时间可以控制在10ms内。

本发明解决了目前行业内无法通过使用振弦式传感器进行动态应力应变测量的问题。通过采用agc动态增益控制技术，并通过反馈的处理方式，实现在进行振弦式传感器动态测量之前，只需要简单的激振，振弦式传感器即可自保持连续振动，同时agc能够锁住信号的幅度，最终为后级电路提供持续性的恒定幅度的振弦信号，再通过后记dsp数字信号处理器和相应的算法，实现了静态传感器的动态测量，极大的扩展了振弦类传感器的应用范围和领域，同时也解决了目前部分动应变测量场景，不能实现长期稳定性、长期准确性的问题。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图。

图2是振弦信号波信与激励信号波形的同步示意图。

图3是数据采集执行流程图。

图4是自动增益控制电路图。

图5是推挽式驱动器电路图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细阐明本发明。

如图1所示，一种单线圈振弦式传感器的动态测量系统，它包括单线圈振弦式传感器(1)、激励控制模块(2)、正激励电源(3)、负激励电源(4)、仪表放大器(5)、推挽式驱动器(6)、可变增益放大器(7)、基准源(8)、电压比较器(9)、rms-dc转换器(10)、工频陷波器(11)、低通滤波器(12)、模数转换器(13)、dsp控制器(14)；单线圈振弦式传感器(1)连接激励控制模块(2)，激励控制模块(2)连接仪表放大器(5)，仪表放大器(5)输出的信号，一路输出给后级处理电路，另一路输出给自动增益控制电路，后级处理电路和自动增益控制电路均连接推挽式驱动器(6)，推挽式驱动器(6)连接正激励电源(3)和负激励电源(4)，正激励电源(3)和负激励电源(4)连接激励控制模块(2)。

后级处理电路由工频陷波器(11)、低通滤波器(12)、模数转换器(13)、dsp控制器(14)构成，仪表放大器(5)连接工频陷波器(11)，工频陷波器(11)连接，低通滤波器(12)，低通滤波器(12)连接模数转换器(13)，模数转换器(13)连接dsp控制器(14)，dsp控制器(14)连接推挽式驱动器(6)。

自动增益控制电路(agc)由可变增益放大器(7)、基准源(8)、电压比较器(9)、rms-dc转换器(10)组成，仪表放大器(5)连接可变增益放大器(7)，可变增益放大器(7)连接推挽式驱动器(6)和rms-dc转换器(10)，rms-dc转换器(10)连接电压比较器(9)，电压比较器(9)连接可变增益放大器(7)，基准源(8)连接电压比较器(9)和可变增益放大器(7)。自动增益控制电路的电路连接方式如图4所示，由adi公司的vga可变增益放大器ad8338以及5v基准源adr445，电压比较器采用轨到轨输入输出运放ad8605，rms-dc转换器(10)芯片采用ad736。

推挽式驱动器采用adi公司的电流输出型运放ad842sq组成的驱动器，能够输出最小100ma的驱动电流，完全满足驱动振弦式传感器的驱动能力。

由agc模块、仪表放大器(5)组成的负反馈激励环，设计关键点在于环路延时要小，否则将无法使得agc模块输出与单线圈振弦式传感器(1)的感应信号同步同相位。环路延时主要是仪表放大器的环路延时，具体计算方法是首先确认信号的带宽、再选择仪表放大器的增益带宽积，实际仪表放大器可等效为一阶rc滤波器，即具有一个极点的系统传递函数，则相位延时为，其中f为信号带宽，fc为仪表放大器在增益为n的时候的带宽(3db点)，通过对仪表放大器选型，使得小于1°，保证跟踪激励信号与初始感应信号的同步性。

单独测试agc模块的幅频特性，根据表1的测试结果，可以看到，agc模块在振弦式传感器带宽内实现了很好的稳定幅度的作用。

表1agc幅频特性测试

后级处理电路主要包含工频滤波器(11)、低通滤波器(12)、模数转换器(13)、dsp控制器(14)等。其中滤波器部分都采用有源滤波器设计，工频滤波器用于滤除50hz工频干扰信号。低通滤波器设置截止频率为5khz，保证振弦信号的通频带特性，同时保证模数转换器的采样要求，如设置采样频率为16ksps，则低通滤波器按照采样定理要求至少要设置到8ksps以下，实际选择5khz的通带截止频率。模数转换器(13)采用16位的转换器保证在进行高精度频率修正时的幅度精度。dsp控制器(14)选择ti公司的tms320cc665x系列处理器能够实现1024点fft在几十us级的处理速度。

参照图3，一种单线圈振弦式传感器的动态测量方法，基于前述的单线圈振弦式传感器的动态测量系统，步骤如下：

a.由dsp控制器(14)发出单脉冲初激振信号给激励控制模块(2)，初激振信号经过推挽式驱动器后驱动单线圈振弦式传感器(1)的线圈，并激发单线圈振弦式传感器(1)的钢弦振动，此时钢弦振动后在线圈里面感应出初始感应信号(感应电动势)；

b.初始感应信号通过线圈输出给仪表放大器(5)，仪表放大器(5)放大后的感应信号，一路输出给后级处理电路，另一路输出给自动增益控制电路(agc模块)；

c.感应信号经过自动增益控制电路增益调节，调节效果如图2所示；

d.经过增益调节的感应信号经过推挽式驱动器(6)反馈至单线圈振弦式传感器(1)；

e.钢弦与反馈过来的激励信号共振，钢弦产生持续恒幅的正弦波信号；

f.正弦波信号经过后级处理电路滤波处理，经过模数转换器(13)采集；

g.dsp控制器(14)对采集的正弦波信号进行动态数据计算。

dsp控制器(14)采用动态fft算法进行动态数据计算，将时域信号转换到频域信号后计算出频率，为了能够提高数据刷新率，将数据按照队列的方式，即先进先出的方式进行fft运算，fft的窗口长度为1024点，数据每挪动128个点进行一次fft运算。

模数转换设置成16ksps的采样速率，采样1024个点需要1/16秒，按照每采样刷新128个点(1/128秒)进行数据计算，采样时间大概为1/128秒＝7.8125ms，这样采样时间可以控制在10ms内。

本发明由自动增益控制电路反馈给推挽式驱动器(6)并通过激励控制模块(2)对单线圈振弦式传感器(1)进行同步激振，实现振弦式传感器等幅连续的信号输出。由仪表放大器(5)、推挽式驱动器(6)、可变增益放大器(7)、基准源(8)、电压比较器(9)、rm-dc(10)组成的闭环反馈系统对原始振弦信号进行跟踪激励，并进行动态增益调整实现等幅连续的输出；dsp控制器(14)通过推挽式驱动器(6)发送单脉冲信号实现对单线圈振弦式传感器(1)的初激励，使得单线圈振弦式传感器(1)产生的感应信号通过仪表放大器(5)进行初放大并通过agc动态增益控制模块反馈给单线圈振弦式传感器(1)组成一个稳定的闭环控制系统；dsp控制器(14)对数据进行动态fft运算。