[发明专利]一种低功耗振弦传感器的激励检测装置及激励检测方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于结构物的位移或变形测量的振弦传感器。

背景技术

在大型结构物的日常养护中，对其关键部件的变形或位移测量十分重要，上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

目前振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量，振弦式传感器是目前在测力应用方而最为先进的传感器之一，这种传感器输出的是频率信号，因此其抗干扰能力强，温漂、零漂小，受电参数影响小，性能稳定可靠，能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试，所以被广泛地用于水库大坝、港口工程、桥梁、基坑等工程的应力应变、变形、渗流、液位等的监测中。

目前，振弦式传感器激励主要低压扫频激振方式，低压扫频激振是根据传感器的固有频率选择合适的频率段，对传感器施加5V的频率逐渐变大的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时，钢弦能快速达到共振状态，共振状态下振幅最大，能产生较大的感应电动势，传感器输出的频率信号信噪比较高且便于测量。

但是由于扫频信号是从频率下限到频率上限的连续脉冲信号，为了保证激振效果，每个频率的脉冲都要持续若干个周期，激振时间太长，导致能耗大，限制了该传感器在远程无人值守测量系统中的应用，为了提高电池的耐用时间，节省能耗，必须对振弦式传感器的电激励方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有振弦式传感器中低压扫频激振方式具有的耗电高、难以远程长期监测的不足，提出一种低功耗的振弦式传感器，通过对激励方式的优化设计，实现了低功耗、高精度的位移形变测量。

本发明采取的技术方案如下：

一种低功耗振弦传感器的激励检测装置，包括激励电路单元、拾振电路单元和主控单元；所述的激励电路单元通过线圈为振弦起振提供电信号；所述的拾振电路单元通过线圈获取振弦的频率信号；所述的主控单元包括预振模块、复振模块、频率检测模块和信号处理模块，所述激励电路单元的输出端与预振模块的输入端、复振模块的输入端电联接，所述拾振电路单元的输出端与频率检测模块的输入端电联接，所述预振模块的输出端、复振模块输出端和频率检测模块的输出端分别与信号处理模块电联接；所述的信号处理模块记录有效的复振频率信号，同时控制传感器的激励检测流程，使传感器在稳态和非稳态两种模式下工作，并根据记录的有效复振频率值，计算得到下一次稳态工作模式时复振模块输出的激励频率值。

上述低功耗振弦传感器的激励检测装置中，非稳态工作模式按照预振—预振检测—复振—复振检测步骤进行；所述的稳态工作模式按照直接复振—复振检测步骤进行。

一种低功耗振弦传感器的激励检测方法，包括以下步骤：

[1]传感器安装调试完毕后，前n次检测时，信号处理模块控制传感器按照预振—预振检测—复振—复振检测的非稳态模式工作，其中预振的激励信号为脉宽t1的单脉冲电信号，预振检测的频率为F_i，复振的激励信号为振荡频率F_i、脉宽t2的电信号，复振检测频率f_i为该次测量的结果，其中n和i均为正整数，i为测量第次；

[2]当i>n时，传感器按照直接复振—复振检测的稳态模式工作，其中复振激励信号的脉宽为t2，激励频率F_i按照前n次测量得到频率值的移动平均值取数：Fi＝(fi-n+……+fi-2+fi-1)/n，并获得该次的频率测量结果为f_i；

[3]如果步骤[2]中检测得到的复振频率超出传感器的工作范围，或者复振信号值弱至难以正常检测，则该次测量无效，传感器按照预振—预振检测—复振—复振检测的非稳态模式工作，否则传感器按照直接复振—复振检测的稳态模式工作；

[4]每次测量完毕后，记录该次的测量频率值f_i用于后续激励电信号频率的计算。

上述低功耗振弦传感器的激励检测方法中，预振激励脉宽t1和复振激励脉宽t2，根据对传感器的标定实验得到。

上述低功耗振弦传感器的激励检测方法中，n＝10、20或50。

上述低功耗振弦传感器的激励检测方法中，预振激励脉宽t1为100-200ms，复振激励脉宽t2为200-500ms。

本发明具有的有益技术效果如下：