专利摘要

专利摘要

本发明提供一种振弦式传感器的频率测量方法，该方法在前两次测量时，根据传感器出厂特性和安装位置，使用大范围扫频技术和宽窗口中值扫频技术，快速找出大致测量频率，并使用存储器存下测量结果，在后续测量中，采用一种以历史数据为中值的动态窗口扫频测量方法，扫频中值由存储器中记录的上一次数据决定，扫频窗口范围由历史数据的波动情况加权计算得出，每次扫频窗口范围越来越小，精度越来越高。当出现扫频范围内无共振结果时，采用向上回溯法和原始重置法扩大扫频范围。该方法克服了传统高压激励方式精度低，损害大的缺点和传统低压扫频方式耗时长的缺点，具有高精度，低耗时，对传感器低损害的特点。

权利要求

1.一种振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中；

步骤2，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围；

步骤3，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；

步骤4，判断是否存在响应频率，若存在，则将测量得到的频率f2存入存储器中后执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回步骤3；

步骤5，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围；

步骤6，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频；

步骤7，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤8，否则，扩大扫描窗口范围后返回步骤6；

步骤8，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则完成测量，否则，返回执行步骤5。

2.根据权利要求1所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，步骤4中，所述的扩大扫描窗口范围的方法为向上回溯法或原始重置法。

3.根据权利要求1所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，步骤5中，所述的加权计算公式为：

ΔF=2*(Δf1*x1+Δf2*x2+...+Δfn*xn)x1+x2+...+xn

其中Δfn是每次历史相邻数据的差值，xn是每个差值的权重，随着距离时间的增加，权重从10到1递减。

4.根据权利要求1所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，步骤6中，所述的扩大扫描窗口范围的方法为向上回溯法或原始重置法。

5.根据权利要求2或4所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，所述的向上回溯法的具体过程为：以上一次测量结果为中值，扩大扫频窗口到上一次扫频所使用的窗口进行扫频；扩大扫频窗口后仍未得到响应频率，扫频窗口继续向上回溯，直到扫频窗口内出现响应频率；将扫频窗口范围扩大到出现响应频率的扫频窗口。

6.根据权利要求2或4所述的振弦式传感器的频率测量方法，其特征在于，所述的原始重置法的具体过程为：扫频窗口范围一次性扩大到首次测量使用的窗口。

说明书

技术领域

本发明属于工程监测技术领域，特别是涉及一种振弦式传感器的频率测量方法。

背景技术

振弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。此外，其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，因此，在项目工程的安全监测中，特别是户外大型土木、桥梁、岩土项目中，通常采用振弦式传感器来监测工程的压力，位移，温度，形变量，渗漏等物理量，以此来判定工程项目的运行状况，预测一些地质灾害或者项目漏洞。

振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征金属弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。振弦式传感器的核心由一根两端固定、均质的钢弦组成，在外力F的作用下，钢弦会产生ΔL的形变，考虑到温度对长度的变化，在弹性范围内，钢弦长度与振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为 其中ΔL＝T-T0，α为线膨胀系数，T0、α、K均为已知的恒常数。而我们知道钢弦的机械振动固有频率公式为 式中L为振弦的长度，E是钢弦的弹性模量，ρ为单位弦长的质量(密度)，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均是常数。我们可以根据上述两个公式，消除公共变量 得出钢弦的频率f是拉力F和温度T的函数，因此，在知道温度的情况下，只要测量出钢弦频率，即可算出外部拉力大小F。由上述分析可知，对于钢弦频率f的测量是振弦式传感器的测量核心。

振弦式传感器，主要有单线圈和双线圈两种结构，其中，单线圈是指激励线圈和拾振线圈为同一个线圈的结构，其振弦一端固定，另一端连结在弹性感压膜片上。弦的中部装有一块软铁，置于磁铁和线圈构成的激励器的磁场中。激励器在停止激励时兼作拾振器。工作时,振弦在激励器的激励下振动,其振动频率与膜片所受压力的大小有关，在停止激励时，该线圈又能当做拾振线圈，检测到振弦振动产生的电动势。通过测该电动势的频率，即可测得振弦的频率。单线圈结构的缺点是无法连续测量，但是装置简单稳定。双线圈结构是指激励线圈和拾振线圈分开，一般采取电磁法，电磁法采用两个装有线圈的磁铁，分别作为激励线圈和拾振线圈。拾振线圈的感应信号被放大后又送至激励线圈去补充振动的能量。为减小传感器非线性对测量精度的影响，需要选择适中的最佳工作频段和设置预应力，或采用在感压膜的两侧各设一根振弦的差动式结构。双线圈结构可连续测量，测量精度也更好，可是结构较为复杂，稳定性不好。

无论是单线圈还是双线圈技术，其核心都是让振弦在外在电压作用下产生振动，而让振弦产生本征振动的方式主要有两种，分别为高压激励和低压扫频。高压激励是通过变压器产生高压激振脉冲使得钢弦振动，激发时电压>100V。低压扫频是在包含目标频率的一段频率内，以一定的步进值，对传感器施加从小到大的扫频脉冲串信号，当信号的频率和钢弦固有频率相近时，钢弦发生共振，此时能产生最大的感应电动势，此电动势频率即为目标频率。这两种测量方式各有优缺点，高压激励方式速度快，仅需一次激励即可得到结果，但是产生的振动持续时间短，信号不易获取，测量精度差，且高电压易使钢弦老化，损害传感器寿命；相比之下，传统低压扫频获取的振动信号更强，精度更高，但是传统低压扫频需要预先知道频率范围，且往往要经过多次扫频才能得到结果，测量时间很长，效率不高。

在工程应用中，传感器需要长期暴露在户外，条件恶劣，对传感器稳定性，耐用性，寿命，测量精度和速度都有很高要求。高压激励和传统低压扫频方式都有很大缺陷，已经不能满足可靠性和精度速度上的要求。

发明内容

针对现有的振弦式传感器的频率测量方式的不足，本发明提供一种振弦式传感器的频率测量方法，大大提高了测量精度、测量效率以及测量的稳定性，同时降低了传感器的损耗。

一种振弦式传感器的频率测量方法，包括以下步骤：

步骤1，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中。

步骤2，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围。

步骤3，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。

步骤4，判断是否存在响应频率，若存在，则将测量得到的频率f2存入存储器中后执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回步骤3。

步骤5，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围。

步骤6，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。

步骤7，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤8，否则，扩大扫描窗口范围后返回步骤6。

步骤8，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则完成测量，否则，返回执行步骤5。

其中，步骤5中，扫频窗口由近期历史扫频数据的波动情况进行加权计算得出，加权计算的加权因素是历史相邻两次扫频数据的差值，每次差值的权重由距离当前的时间长短决定，我们取近10次历史数据波动作为计算因子，其权重从近到远分别为10,9,8…1。具体计算时，扫频窗口大小计算公式如下：

其中Δfn是每次历史相邻数据的差值，xn是每个差值的权重，随着距离时间的增加，权重从10到1递减。由公式可知，参与计算的历史扫频数据越多，确定的窗口越优，扫频效率越高。

步骤4和步骤6中，所述的扩大扫描窗口范围的方法有向上回溯法和原始重置法。

所述的向上回溯法的具体过程为：以上一次测量结果为中值，扩大扫频窗口到上一次扫频所使用的窗口进行扫频；扩大扫频窗口后仍未得到响应频率，扫频窗口继续向上回溯，直到扫频窗口内出现响应频率；将扫频窗口范围扩大到出现响应频率的扫频窗口。

所述的原始重置法的具体过程为：当前扫频窗口内，未出现足够强度的振动时，视为当前窗口过小，仍旧以上次结果为中值，扫频窗口一次性扩大到首次测量使用的窗口，即由传感器出厂特性所决定的窗口大小。

本发明在后续扫频测量时，每一次测量都以上次结果为中值，能迅速确定大致频率范围，避免了传统扫频测量定位慢，需要测量速度慢的缺点，同时，每次扫频的扫频窗口受近期测量结果影响，历史结果的波动会反馈到窗口大小中，实际测量时，历史数据越来越多，扫频窗口越来越小，在每次扫频采样次数一定的情况下，每一次扫频精度都比前一次高。具有高精度，高效率的特点。

采用本发明的测量方法，当扫频范围内无符合要求的振动频率时，可以采用向上回溯法和原始重置法扩大扫频范围，向上回溯法和原始重置法各有各的应用场景，确保了本方法测量的可靠性。

附图说明

图1为本发明振弦式传感器的频率测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明为一种振弦式传感器的频率测量方法，包括以下步骤：

S01，首次测量时，根据传感器出厂设定的最大频率范围进行低电压扫频，测得首次响应频率f1并存入存储器中。

S02，第二次测量时，根据传感器安装位置和应用指标缩小扫频窗口范围。

S03，以首次频率f1为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。

S04，判断是否存在响应频率，若存在，执行步骤5，否则，扩大扫频窗口范围后返回S03。

S05，将测量得到的频率f2存入存储器。

S06，后续测量时，根据历史频率数据进行加权计算得到近一步缩小的扫频窗口范围。

S07，以上一次测量结果为中值，根据当前的扫频窗口范围进行扫频。

S08，判断是否存在响应频率，若存在，则执行步骤9，否则，扩大扫描窗口范围后返回S07。

S09，将测量结果存入存储器，判断测量结果是否达到规定精度，达到，则执行S10，否则，返回执行S06。

S10，完成测量。

下面举实例说明，例子中采用华岩预应力传感器有限公司生产的振弦式位移计，其编号为101，规格为50mm，电阻为628.7欧姆，线长18m。由出厂线形图可知，其频率正常范围约为1500HZ-2500HZ。

首先，将该传感器安装在现场的采集系统中，给传感器施加压力，让其位移20mm，此时理论的频率因为1876HZ。采集系统工作时，首次测量开始，采用的低压扫频对线圈进行激励，扫频范围为1500HZ-2500HZ，扫频次数为20次，步进值为50HZ，即用1500,1550,1600…2500HZ等频率的低电压信号依次激励传感器线圈。此单线圈传感器的激振线圈即为拾振线圈，通过拾振线圈测得当扫频电压为1850HZ时，其共振幅度最大，且其共振电动势强度大于最小强度，因此首次测量频率结果为1850HZ,f1＝1850HZ。

然后，系统中的嵌入式控制器，将获得的f1存取系统的存储器；

第二次测量频率时，控制器读取存储器中的历史数据，f1＝1850HZ。此时，第二次扫频测量的扫频中值为前一次的结果，即中值等于f1，扫频窗口大小由传感器安装位置决定，由安装位置可知实际位移范围为0-50mm，即频率波动范围不会超过100HZ。因此取扫频窗口大小为200HZ，系统在1750HZ-1950HZ范围内扫频20次，步进值为10HZ，即用1750，1760，1770…1950等频率的低电压信号依次激励传感器线圈，得到最大共振频率为1880HZ，同时确认该频率下的共振电动势强度大于最小强度，因此f2＝1880HZ，将f2存入存储器。

接着，进行第三次测量，控制器取存储器中的历史数据，f1＝1850HZ，f2＝1880HZ，此时，低压扫频的中值为上一次扫频结果，即为1880HZ，扫频窗口由历史波动结果加权计算得出，f2-f1＝30HZ，历史波动一次30HZ，权重为10，因此，加权计算后，窗口大小为2*(30*10)/10＝60HZ，扫频频率为1850HZ至1910HZ，。扫频次数仍然为20次，步进值为3HZ，即用1850,1853,1856,1859…1910等频率的低电压信号依次激励传感器线圈，得到最大共振频率为1877HZ，因此f3＝1877HZ，将f3存入存储器。

之后一次的测量中，同上方法，取得历史数据f1，f2，f3，扫频中值为f3＝1877HZ，历史波动值为f3-f2＝3HZ，权重为10，f2-f1＝30HZ，权重为9，因此，加权计算后，窗口大小为2*(30*9+3*10)/19＝31.5HZ，扫频范围1861.22HZ至1892.78HZ，步进值为1.575HZ，能得到更精确的f4＝1875.4HZ，将f4存入存储器。

由上可见，随着历史数据的增多，扫频窗口大小越来越小，在扫频次数不变的情况下，测量精度越来越高，四次测量离理论值1876HZ的理论值误差分别为26HZ，4HZ，1HZ，0.6HZ，误差越来越小，当历史数据达到或者大于我们约定的参与加权计算的10项时，能基本消除误差，达到精确的1876HZ。

此时，我们改变压力，使得位移为22mm，此时目标频率理论是1905HZ。此时，继续进行测量时，扫频中值为上一次结果1875.4HZ，扫频范围由历史数据加权计算得出，发现在该范围内，所有频率都没有使钢弦共振，即产生的共振电动势都小于最小强度。因此，用向上回溯法或原始重置法扩大扫频范围。

向上回溯法：扫频中值为上一次结果1875.4HZ，先扩大扫频窗口为上一次扫频窗口31.5HZ，发现频率范围内的所有频率都没有使钢弦共振，此时继续向上回溯，使得扫频窗口大小为60HZ,结果频率范围内有符合要求的共振发生，即成功找到目标频率为1905.4HZ，将其存入存储器中。之后的操作回到本方法的S07。

原始重置法：扫频中值为上一次结果1875.4HZ，直接扩大扫频窗口为首次扫频窗口1500-2500HZ，成功找到目标频率为1900.4HZ，将其存入存储器中。之后的操作回到本方法的S07。

由上述实际测量结果可以看出，多次采用本发明方法测量，其结果从1850HZ到1880HZ到1877HZ再到1875.4HZ，其精度一次比一次高，而扫频时间由于始终控制在20次，耗时始终很短，整个过程只有在测量结果发生较大突变超出窗口范围时，才采用向上回溯法和原始重置法扩大扫频范围，因此整体精度始终很高。

综上所述，本发明所述的以历史数据为中值的动态窗口扫频测量方法，运用嵌入式控制器判断每一时刻扫频该采用的扫频中值，并动态计算每次扫频的窗口范围，实现了高精度，高效率，低损耗的要求。本发明引入了外置存储器存储历史测量结果，控制器通过对历时测量结果进行分析，可以自定义参与扫频窗口计算的历史数据范围和数据权重，具有很大自主性和弹性，能适应不同实际工程的需求，实现短时间内的高精度扫频。同时，考虑到突发情况，在扫频失败时，又有一套回溯或者重置策略，该策略保证了每一次扫频的成功，增加了本方法的稳定性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

一种振弦式传感器的频率测量方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。