使用振弦式傳感器進行動態測量的方法和裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及使用振弦式傳感器進行動態測量的方法和裝置。該方法包括以下步驟：在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器；在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號；將該感應信號放大；對放大后的感應信號進行模擬-數字轉換，得到離散信號R(n)；對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，并計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn；以及根據所述模擬-數字轉換的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n為整數。本發明專利技術還提供執行上述方法的裝置。本發明專利技術能夠在保證測量精度的情況下比傳統方法大幅提升測量的時間分辨率，從而適用于動態測量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及振弦式傳感器，具體地涉及使用振弦式傳感器進行動態測量的方法和裝置。
技術介紹
振弦式傳感器是以張緊的金屬弦為敏感元件的諧振式傳感器，應用比較廣泛。這種傳感器通過一定的機械結構轉換，可以將位移、張力、壓力、應力等各種物理量轉換成振弦的張力。當弦的長度固定時，其固有振動頻率的變化反映其張力變化。通過相應的測量電路，可以將振弦的張力轉換成電頻率信號進行測量，從而實現對各種物理量的測量。在傳統的振弦式傳感器測量方法中，對轉化后的電信號進行采集，然后進行離散傅里葉變換，以獲取準確的頻率信息；或者，對轉化后的電信號放大整形，利用定時器捕捉整形后的信號頻率，以獲取頻率信息。這兩種方式有個共同的問題，就是時間分辨率和頻率分辨率兩個指標存在嚴重的矛盾：若要提高時間分辨率，則測量結果精度(頻率分辨率)必然很差；若要提高測量準確性，須提高頻率分辨率，則會損失時間分辨率。傳統的振弦式傳感器在使用中注重測量準確性指標，需要提高測量的頻率分辨率，因而無法提高測量的時間分辨率。因此，傳統的振弦式傳感器測量方法只適合于以很低的采樣頻率工作，比如1Hz甚至更低。然而，在例如建筑結構的動態測量中，往往希望采樣頻率能達到50Hz甚至更高。這種情況下將無法使用傳統的振弦式傳感器測量方法，只能借助于其它傳感器，比如光柵光纖傳感器、電阻式傳感器等。相比于其它傳感器，振弦式傳感器在測量的準確性、穩定性、長期漂移等方面具有顯著優勢，如果能克服其不可用于動態測量的缺陷，則其能發揮更大的作用。
技術實現思路
為克服上述傳統的振弦式傳感器不可用于動態測量的缺陷，本專利技術提供一種使用振弦式傳感器進行動態測量的方法和裝置。根據本專利技術的一種使用振弦式傳感器進行動態測量的方法包括以下步驟：在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器；在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號；將該感應信號放大；對放大后的感應信號進行模擬-數字轉換，得到離散信號R(n)；對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，并計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn；以及根據所述模擬-數字轉換的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n為整數。根據本專利技術的一種使用振弦式傳感器進行動態測量的裝置包括：振弦式傳感器；激勵器/拾振器，用于在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器，并在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號；放大器，用于將該感應信號放大；模擬-數字轉換器，用于對放大后的感應信號進行模擬-數字轉換，得到離散信號R(n)；以及微處理器，用于對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn，并且根據模擬-數字轉換器的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n為整數。本專利技術采用希爾伯特變換的方式處理振弦式傳感器的信號，以瞬時頻率作為測量結果，因而能夠在保證測量精度即頻率分辨率的情況下，比傳統穩態頻率的方式大幅提升測量的時間分辨率，從而適用于動態測量。附圖說明通過結合附圖對本專利技術的示例性實施方式進行更詳細的描述，本專利技術的上述以及其它目的、特征和優勢將變得更加明顯。圖1是根據本專利技術的實施例的一種使用振弦式傳感器進行動態測量的裝置的結構圖。具體實施方式下面將更詳細地描述本專利技術的優選實施例。根據本專利技術的一個實施例，一種使用振弦式傳感器進行動態測量的方法包括以下步驟：●由激勵器在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器激勵方法可以是脈沖激勵、掃頻激勵、環境激勵三者中任意一種。激勵的目的是使振弦式傳感器振弦的振動具有足夠大的幅度，便于測量。在測量采集過程中激勵器停止激勵，使振弦處于自由振動狀態。●在激勵器停止激勵時期由拾振器獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號振弦式傳感器的振弦振動時，由于磁電效應，會在拾振器的線圈內產生與振動信號對應的感應信號，例如感應電壓信號。由于振動信號非常微弱，所產生的感應電壓信號振幅通常在100μV～10mV之間。假設被測物理量為s(t)，其中t表示時間，拾振器所獲得的信號頻率f(t)＝F(s(t))，其中函數F由振弦式傳感器的機械結構及張緊弦原理決定，是已知函數。那么，拾振器所獲得的信號可以表示為V0(t)＝A(t)sin(θ(t)),其中A(t)表示信號幅度。●由放大器將該感應信號放大拾振器獲取的感應信號經過前端放大器放大，例如信號幅度可被放大到100mV～3V之間。放大后的感應信號可以表示為V1(t)＝KV0(t)，其中K為放大系數。●由模擬-數字(AD)轉換器對放大后的感應信號進行AD轉換，得到離散信號R(n)所得到的離散信號R(n)可以表示為R(n)＝V1(n/fs)，其中n為整數，fs為AD轉換器的采樣頻率。●由微處理器對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn，并且根據AD轉換器的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)希爾伯特變換是信號處理
的已知算法，需要進行復雜的卷積運算，對硬件要求比較高。由于被處理的信號流應被看作無限長序列(如果必要，測量過程可以一直進行下去)，而希爾伯特變換只適用于有限長的序列，因此可以對信號進行分段處理，并使用重疊相加法或者重疊保留法消除因分段而造成的邊緣效應。例如，微處理器可以使用有限沖擊響應(FIR)希爾伯特濾波器對離散信號R(n)進行希爾伯特變換，包括進行FIR希爾伯特濾波器的系統函數h(n)與離散信號R(n)的卷積運算I(n)＝h(n)*R(n)。這種情況下，希爾伯特變換結果其中An表示信號幅度，例如，可以設定FIR希爾伯特濾波器的系統函數h(n)具有如下頻率響應特性：其中，h(n)是一個無限長序列(n取值為整個整數空間)，實際系統實現時，可以對h(n)進行截斷處理，保留有限長度即可。該序列隨著n增加，取值趨近于零。假設截取長度為N(N即為FIR希爾伯特濾波器的階數，通常為奇數)，則n取值范圍是N的選取與計算精度和計算復雜度相關。N取值越大，則FIR希爾伯特濾波器越逼近理想性能，但是運算量隨之增大。N的選取還會影響希爾伯特變換的準確性和系統延遲，系統延遲為(N+1)/(2fs)。此外，相角的差分Δθn可以如下計算：本專利技術的上述方法的各步驟可以由如圖1所示的裝置的相應部件來執行。該裝置包括振弦式傳感器、激勵器/拾振器、放大器、AD轉換器以及微處理器。激勵器/拾振器在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器，并在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號。放大器將該感應信號放大。AD轉換器對放大后的感應信號進行AD轉換，得到離散信號R(n)，其中n為整數。微處理器對離散信號R(n)進行希爾伯特變換，計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn，并且根據AD轉換器的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用振弦式傳感器進行動態測量的方法，包括以下步驟：在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器；在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號；將該感應信號放大；對放大后的感應信號進行模擬?數字轉換，得到離散信號R(n)；對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，并計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn；以及根據所述模擬?數字轉換的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)，其中，n為整數。

【技術特征摘要】
1.一種使用振弦式傳感器進行動態測量的方法，包括以下步驟：
在預定時期產生激勵信號以激勵振弦式傳感器；
在停止激勵時期獲取與振弦式傳感器的振動信號對應的感應信號；
將該感應信號放大；
對放大后的感應信號進行模擬-數字轉換，得到離散信號R(n)；
對該離散信號R(n)進行希爾伯特變換，并計算出希爾伯特變換結果X(n)的相角θn；以及
根據所述模擬-數字轉換的采樣頻率fs以及所述相角的差分Δθn，得出被測信號的瞬時頻率fn＝Δθnfs/(2π)，
其中，n為整數。
2.根據權利要求1的方法，其中，
使用有限沖擊響應希爾伯特濾波器實現所述希爾伯特變換；
所述希爾伯特變換包括進行該有限沖擊響應希爾伯特濾波器的系統函數h(n)與所述離散信號R(n)的卷積運算I(n)＝h(n)*R(n)；
所述希爾伯特變換結果其中An表示信號幅度，3.一種使用振弦式傳感器進行動態測量的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王鵬軍，
申請(專利權)人：無錫源清慧虹信息科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32