用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置

摘要

本发明公开了一种用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置，包括检测单元、切换器和设置在待测目标内部的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头，所述的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头处于相互垂直的三个方向，所述的检测单元用于振弦传感头的激励、拾振和位移测量；检测单元控制切换器按照时序依次与三个传感头相连通，获取待测目标三个方向的位移值。本发明还提供了一种低功耗的振弦式传感器激励检测方式，在实现结构体中全方位位移的测量同时，大大节约了能耗，满足了传感器在无人值守、电池供电条件下的长时间工作要求。

说明书

技术领域

本发明属于结构测量领域，具体涉及一种建筑领域大型结构物的位移或变形测量。

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。

振弦式传感器是目前在测力应用方面最为先进的传感器之一，其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，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。

由于结构的位移测量中涉及三个方向的位移，而振弦传感器只能获得沿弦方向的位移，无法实现结构的全方位监测；此外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，有必要对振弦式传感器的电激励方式进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可测量建筑物结构内部三个方向位移的传感器装置，并且利用建筑物位移和形变属于缓变的特性，采用同一套检测单元实现三个方向位移的测量，同时提出了一种低功耗的振弦激励和检测方法，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。

本发明的具体技术方案是：

用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置，包括检测单元、切换器和设置在待测目标内部的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头，所述的X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头处于相互垂直的三个方向，每个振弦传感头分别包括独立的振弦、线圈和壳体；所述的检测单元用于振弦传感头的激励、拾振和位移测量；检测单元控制切换器按照时序依次与三个传感头相连通，获取待测目标三个方向的位移值。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，检测单元包括激励电路单元、拾振电路单元和处理单元；

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；

所述的处理单元包括预振模块、复振模块、频率检测模块、切换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；切换模块可根据设定的时序，控制切换器将三个传感头分别与检测单元连通；

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；

所述的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。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，检测单元分别控制X轴振弦传感头、Y轴振弦传感头、Z轴振弦传感头按照以下的步骤独立进行频率测量：

[1]每只传感头安装调试完毕后，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。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，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。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，n＝10、20或50。

上述用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置中，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：

一、本发明通过在待测量结构体内部设置三个方向的振弦传感器，实现了对结构体位移和变形的全方位检测，同时利用位移缓慢变化而传感器相对耗时较短的特点，采用一套检测电路按照时序切换至三套传感器，在满足检测要求的同时节约了成本。

二、本发明提供了一种根据移动平均值预测测量频率的低功耗的振弦式传感器，对振弦激励模式进行改变，将传统的低压扫频激振方式改变为预振结合复振的激励方式，并检测预振时的频率值作为复振的激励脉冲频率，从而起到了节能的效果。同时根据前n次测量结果的移动平均值的计算，预测得到下一次的测量频率，并根据该频率值控制复测时的激励振荡频率，相比每次都需要经历预振和复振两步的测量方法，进一步起到了节能和提高频次的效果。

三、本发明根据大桥、建筑物等大型结构物位移和形变检测中的测量参数缓慢变化的特点，使得传感器的工作在稳态和非稳态两种工作模式下，在稳态工作时，采用直接复振—复振检测激励模式，且复振的信号为前n次实测频率的均值，只有在稳态模式下存在频率测量结果出错或者是因复振的激励频率不合适而导致检测信号太弱无法正常检测时，才切换至预振—预振检测—复振—复振检测的非稳态模式下工作，使得平均至每天的测量功耗降至最低，满足了传感器在无人值守、电池供电条件下的长时间工作要求，同时也适应了因传感器老化而发生的振弦频率的改变。

四、本发明测量时，对传感器进行测量标定，获得了传感器在工作频率范围内的最小预振激励脉宽t1和复振激励脉宽t2，确保传感器可以正常工作的同时，节约了系统功耗。

五、无论是稳态还是非稳态模式下，本发明的复振激励脉冲频率与实际钢弦的共振频率接近，确保了激励过程中获取的信号具有较大的幅值，大大提高测量精度。

附图说明

图1为常规振弦传感器的原理示意图。

图2为本发明三方向复合振弦传感器的工作原理示意图。

图3为本发明低功耗振弦传感器的组成原理示意图。

图4为本发明低功耗振弦传感器的激励检测流程。

图5为本发明非稳态模式下的耗电电流时序图。

图6为本发明稳态模式下的耗电电流时序图。

图中：1—振弦；2—线圈；3—传感器壳体；4—激励电路单元；5—拾振电路单元；6—处理单元；9—定位支座；10—引线；11—检测单元；12—切换器；13—待测目标；16—X轴振弦传感头；14—Y轴振弦传感头；15—Z轴振弦传感头。

具体实施方式

如图1所示，振弦式传感器属于频率型传感器，可等效成一个两端频率随钢丝张力变化的振动钢弦，包括振弦1、线圈2、传感器壳体3和引线10，振弦1固定在传感器壳体3的两端的定位支座9上，线圈2设置在振弦1的中部，电路产生激励信号，驱动线圈产生磁力驱动振弦1产生振动，并检测振弦1的振动。

在电激励下，振弦1按其固有频率振动，改变振弦1的张力F，可以得到不同的振动频率F，即张力与谐振频率成单值函数关系。当振弦受张力长度变化Δl后，则有其中ρ_ν为弦的体密度，E为振弦的弹性模量，l为弦长。

实际应用时，当振弦式传感器的壳体3受到伸缩变形时，带动两端的定位支座产生移动，从而引起振弦1伸长或收缩，通过检测振弦频率的变化，来实现位移和变形的测量。当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦1迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给频率测量单元。由于其输出的是频率信号，具有测量可靠、抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。

如图2和图3所示，本发明的用于三个方向位移测量的复合式振弦传感器装置，包括检测单元11、切换器12和设置在待测目标内部的X轴振弦传感头16、Y轴振弦传感头14、Z轴振弦传感头15，所述的X轴振弦传感头16、Y轴振弦传感头14、Z轴振弦传感头15处于相互垂直的三个方向，每个振弦传感头分别包括独立的振弦1、线圈2和壳体3；所述的检测单元11用于振弦传感头的激励、拾振和位移测量；检测单元11控制切换器12按照时序依次与三个传感头相连通，获取待测目标三个方向的位移值。切换器12可采用固态继电器或其他器件组成，在检测单元11的控制下，按照设定的时序进行切换，检测单元11包括激励电路单元4、拾振电路单元5和处理单元6。

在振弦传感器用于野外长期监测中，对传感器的功耗提出了较高的要求，现有振弦式传感器激励采取的低压扫频激振方式，通常采用5V的电压脉冲信号，以振弦传感器的可测量低频开始频率逐渐变大，扫描至最高频率，例如从200到5000Hz,当达到共振状态时记录振弦的频率信号，并转换为测量的位移、应变信号。

为了降低功耗，如图3所示，本发明对线圈的激励方式进行了改进，处理单元包括预振模块、复振模块、频率检测模块、切换模块和信号处理模块，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，计算得到稳态工作模式时复振模块输出的激励频率值。切换模块可根据设定的时序，控制切换器将三个传感头分别与检测单元连通。

本发明的主要思路是从节能的角度考虑，将激励方式分为稳态和非稳态两种模式，其中非稳态的工作模式按照预振—预振检测—复振—复振检测的步骤来进行，稳态工作模式按照直接复振—复振检测步骤进行。

在非稳态工作模式中，首先对线圈进行了预振，由处理单元6控制预振模块输出一个脉宽为t1的单脉冲信号至激励电路单元4，该信号促使线圈将振弦吸引偏离平衡位置，开始预振，预振起始延迟一段时间后，频率检测模块通过拾振电路单元5对预振的振弦频率进行检测，获得预振频率，然后处理单元控制复振模块输出一个振荡频率等于预振频率、脉宽t2的电信号至激励电路单元，复振起始延迟一段时间后，频率检测模块通过拾振电路单元对复振的振弦频率进行检测，获得本次的测量频率，将其转换为位移或形变参数即得到本次测量结果。由于通过对预振频率的检测，传感器的处理单元已经获得了一个粗略的频率值，再通过类似接近频率的复振激励，可使得钢弦很快产生共振，且复振过程中容易获得具有较大幅值的信号，利于频率的计数，进而提高了测量精度。

上述预振和复振相结合的方式虽然在节能方面比传统的扫频激振方式能耗降低了不少，但是如果每次检测时都要进行预振激励，而且预振激励的t1通常为百ms级，故会带来较大的功耗。从工程实际应用的角度，考虑到绝大部分时间内传感器是工作在一个相对稳态的环境中，而且传感器监测的周期为秒级，对于常规的大型结构件而言，比如桥梁上安装振弦传感器用载荷检测，通常情况下在以小时为单位的相对较长时间内超载并没有剧烈的变化，即传感器的位移变化不大，也就是说稳态条件下一段时间内实测的频率值会接近，故稳态条件下完全可以省去预振激励的步骤，直接进入复振—复振检测环节，复振时处理单元控制复振模块输出脉宽t2、振荡频率与前面实测频率相接近的电信号至激励电路单元，就可以实现钢弦共振，获得位移和形变参数。

如图4所示，兼顾稳态和非稳态工作的要求，传感器激励检测方法，按照以下的步骤进行：

[1]数据积累阶段：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]正常情况下的测量：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]非正常情况下的处理：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]为下一次测量提供数据：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。

对于常规的大型结构件而言，通常情况下传感器采用稳态的工作模式，只有在出现突发情况下，复振采用算术移动平均的频率数激励时出现了测量结果超出传感器额定频率范围或者是因复振的激励频率与钢弦的共振频率不匹配，导致无法共振，使得检测信号太弱无法正常检测时，才切换至非稳态工作模式，一旦瞬时的非稳态阶段过后，由于算术移动平均数的平滑作用，很快又自动切换至稳态的直接复振模式。实践证明n取10、20或50即可满足测量要求，并具有较好的节能效果。

作为一种优选方式，本发明测量时对传感器进行测量标定，获得了传感器在工作频率范围内的最小的预振激励脉宽t1和复振激励脉宽t2，确保传感器可以正常工作的同时，节约了系统功耗。

图5和图6分别给出了两种模式下的电流消耗时序图，其中预振激励脉宽t1取值为100-200ms，复振激励脉宽t2取值为200-500ms，预振采样处理和复振采样处理阶段也因AD转换等消耗部分能量，待机阶段相比预振和复振阶段则能耗降至最小，其中待机的时长由测量传感器的时间分辨率决定，通常为秒级。

本发明相比低压扫频激振方式大大节约了能耗，满足了传感器在无人值守、电池供电条件下的长时间工作要求，并实现了结构体中全方位位移的测量。