一种振弦式传感器的信号处理装置及方法与流程

本发明属于电子技术和工程监测的
技术领域：
，具体地涉及一种振弦式传感器的信号处理装置及方法。
背景技术：
：振弦式传感器也叫做钢弦式传感器，是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强(近距离)、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点。其输出为频率信号(一般为mV级正弦波)，广泛应用于岩土、混凝土、钢结构工程测试中。钢弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生振动，振动的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势，感应电势(钢弦切割磁力线，在线圈中产生微弱电信号)的频率就是振弦的共振频率。由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力成线性关系，因此测得钢弦的共振频率即可求出待测钢弦的绷紧程度(张拉应力)，利用这一特性，制作出各式各样的传感器，如压力、位移等，压力或位移的改变导致钢弦绷紧程度发生变化，其共振频率也相应发生改变，测量频率值即可计算出传感器所受的压力或位移值。钢弦的“绷紧”程度即是钢弦的应力状态，钢弦应力与其共振频率满足公式上式中：f：钢弦的频率值L：钢弦长度σ：钢弦所受到的张拉应力ρ：钢弦材料的密度对于已经制作完成的钢弦传感器，钢弦的长度、钢弦材料的密度为已知量，故此，钢弦受到的张拉应力与钢弦共振频率有一一对应关系，张拉应力受到传感器外部环境的影响(如压力)而改变，从而通过频率值即可计算出外部环境的值。这类传感器有两种形式：一种是双线圈，其中一个线圈是激振线圈，激振振弦让钢弦振动起来，另一个是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转换为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。单线圈振弦式传感器使用中主要解决两个问题：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起来；第二，拾振方法，包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分。振弦式读数仪主要解决两个问题：怎样让钢弦振起来以及怎样获取钢弦振起来后产生的频率值。本发明要解决的主要问题是对钢弦振起来后产生的信号进行处理。技术实现要素：本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种振弦式传感器的信号处理装置，其集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。本发明的技术解决方案是：这种振弦式传感器的信号处理装置，其包括探测识别模块、数据采集模块、初步计算模块、精度评定模块、校正计算模块、平滑滤波模块；探测识别模块，其配置来在完成传感器激励后指定条件满足时，启动信号幅度探测器，由信号幅度控测器检查正弦波信号峰值是否处于信号幅值上、下限寄存器规定的范围，若是则开始传感器信号采集工作；数据采集模块，其配置来在需要时将信号幅度探测器探测到的数据经由数字通讯接口输出为频谱数据，频谱数据输出时单点数据包含时间数据和幅值数据；初步计算模块，其配置来进行数据剔除、频率初步计算、信号质量评定；精度评定模块，其配置来将实际采样数、信号峰值、信号衰减速率、原始样本质量、计算样本质量、优质采样数量、优质数量比率、干扰信号比率与原始样本质量、计算样本质量共同表征传感器信号质量和测试现场传输线路受干扰的程度；校正计算模块，其配置来对环境温度的影响进行校正，并对时间基准硬件导致温度改变而产生的影响进行校正；平滑滤波模块，其配置来对当前计算得出的温度修正频率值与以往的历史数据做比较。本发明通过探测识别模块、数据采集模块、初步计算模块、精度评定模块、校正计算模块、平滑滤波模块来对钢弦振起来后产生的信号进行处理，所以集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。还提供了这种振弦式传感器的信号处理装置的处理方法，该方法包括以下步骤：(1)探测识别：在完成传感器激励后指定条件满足时，启动信号幅度探测器，由信号幅度控测器检查正弦波信号峰值是否处于信号幅值上、下限寄存器规定的范围，若是则开始传感器信号采集工作；(2)数据采集：在需要时将信号幅度探测器探测到的数据经由数字通讯接口输出为频谱数据，频谱数据输出时单点数据包含时间数据和幅值数据；(3)初步计算：进行数据剔除、频率初步计算、信号质量评定；(4)精度评定：将实际采样数、信号峰值、信号衰减速率、原始样本质量、计算样本质量、优质采样数量、优质数量比率、干扰信号比率与原始样本质量、计算样本质量共同表征传感器信号质量和测试现场传输线路受干扰的程度；(5)校正计算：对环境温度的影响进行校正，并对时间基准硬件导致温度改变而产生的影响进行校正；(6)平滑滤波：对当前计算得出的温度修正频率值与以往的历史数据做比较。附图说明图1示出了根据本发明的振弦式传感器的信号处理装置的结构示意图。图2示出了根据本发明的振弦式传感器的信号处理装置的处理方法的流程图。具体实施方式从图1中可以看出，这种振弦式传感器的信号处理装置，其包括探测识别模块、数据采集模块、初步计算模块、精度评定模块、校正计算模块、平滑滤波模块；探测识别模块，其配置来在完成传感器激励后指定条件满足时，启动信号幅度探测器，由信号幅度控测器检查正弦波信号峰值是否处于信号幅值上、下限寄存器规定的范围，若是则开始传感器信号采集工作；数据采集模块，其配置来在需要时将信号幅度探测器探测到的数据经由数字通讯接口输出为频谱数据，频谱数据输出时单点数据包含时间数据和幅值数据；初步计算模块，其配置来进行数据剔除、频率初步计算、信号质量评定；精度评定模块，其配置来将实际采样数、信号峰值、信号衰减速率、原始样本质量、计算样本质量、优质采样数量、优质数量比率、干扰信号比率与原始样本质量、计算样本质量共同表征传感器信号质量和测试现场传输线路受干扰的程度；校正计算模块，其配置来对环境温度的影响进行校正，并对时间基准硬件导致温度改变而产生的影响进行校正；平滑滤波模块，其配置来对当前计算得出的温度修正频率值与以往的历史数据做比较。本发明通过探测识别模块、数据采集模块、初步计算模块、精度评定模块、校正计算模块、平滑滤波模块来对钢弦振起来后产生的信号进行处理，所以集成度高、技术先进、体积小、接口多样，可方便的接入到已有信息化网络，实现从人工测试到全自动无人值守测试的快速转变，同时还可在测量过程中对传感器进行有效性检测、信号质量综合评价，大大降低人工投入和劳动强度、提高了测量效率，降低了振弦传感器的应用难度。另外，指定条件为：固定延时法、信号幅值区间法、或信号周期等待法。1.固定延时法：等待固定的时长。2.信号幅值区间法：根据信号幅值上、下限寄存器的值决定何时开始、结束读取、统计返回信号。3.信号周期等待法：检测传感器的返回信号，当达到指定的周期信号后才开始统计。方法1和方法3可选择采集时，可设置是否对信号幅值位于信号幅值上、下限寄存器设定的范围内进行判断，以及是否将不在范围内的信号数据舍弃。如图2所示，还提供了这种振弦式传感器的信号处理装置的处理方法，该方法包括以下步骤：(1)探测识别：在完成传感器激励后指定条件满足时，启动信号幅度探测器，由信号幅度控测器检查正弦波信号峰值是否处于信号幅值上、下限寄存器规定的范围，若是则开始传感器信号采集工作；(2)数据采集：在需要时将信号幅度探测器探测到的数据经由数字通讯接口输出为频谱数据，频谱数据输出时单点数据包含时间数据和幅值数据；(3)初步计算：进行数据剔除、频率初步计算、信号质量评定；(4)精度评定：将实际采样数、信号峰值、信号衰减速率、原始样本质量、计算样本质量、优质采样数量、优质数量比率、干扰信号比率与原始样本质量、计算样本质量共同表征传感器信号质量和测试现场传输线路受干扰的程度；(5)校正计算：对环境温度的影响进行校正，并对时间基准硬件导致温度改变而产生的影响进行校正；(6)平滑滤波：对当前计算得出的温度修正频率值与以往的历史数据做比较。另外，所述步骤(2)包括以下频率读取方法：直接周期法、直接频率法、标准频率比较测量法、等精度测频法、等精度多样本测频法。另外，所述步骤(3)包括以下数据剔除方法：直接剔除法、干扰剔除法、还原剔除法。另外，所述步骤(3)中，还对剔除后的样本进行取中值和取平均值。另外，所述步骤(4)中，原始样本质量评定、计算样本质量评定根据公式(1)计算其中，σ：样本标准差，n：样本数量，Di：第i个样本值，所有样本值的平均值。另外，所述步骤(5)中，传感器频率温度修正和模块频率基准温度修正均为一次函数，通过公式(2)计算Δf＝k×ΔT+b其中，Δf：因环境温度改变而引起的钢弦频率变化值，ΔT：当前环境温度与标准温度之差，k：温度修正系数-乘常数，b：温度修正系数-加常数。另外，所述步骤(6)中，滤波方法为中值滤波法、算术平均值法、中值平均滤波法、加权递推平均滤波法。另外，该方法还包括历史数据存储，保存时同时保存时间信息、频率、温度。下面具体说明本发明的内容。1、有效信号的识别激励完成后，等待延时读取寄存器规定的时长(可以为0)后立即启动信号幅度探测器，检查正弦波信号峰值是否处于信号幅值上、下限寄存器规定的范围(由信号幅度控测器完成)，若是，则开始传感器信号采集工作。若不是，则最多等待500ms，此次读取失败。2、各种信号的名称定义原始信号、跟随信号、放大信号、合法信号、检波脉冲信号、采样脉冲信号，需要解释一下，不然文字说明会很乱。如无特殊说明，信号统指振弦传感器钢弦的信号及由此信号及电路产生的过程信号。原始信号：振弦传感器输出的原始微弱信号，理论上为正弦波信号。跟随信号：原始信号经过跟随器增强驱动能力和抗干扰能力后的信号，幅值与原始信号相同。放大信号：跟随信号经过数字放大器后输出的电压较高的信号，可用于信号幅度探测使用及转换数字脉冲信号使用。合法信号：符合延时读取寄存器规定的时长并且信号峰值处于信号幅值上、下限寄存器规定的区间内的放大全的信号。检波脉冲信号：经检波器后输出的所有矩形脉冲信号。采样脉冲信号：合法信号经检波器后输出的脉冲信号。3、信号幅度探测器在中央处理器控制下完成放大后的信号探测，可进行正弦信号峰值电压以及进行信号频谱保存与输出。信号频谱数据输出：将幅度探测器探测到的所有数据经由本发明的数字通讯接口输出(信号波型频谱)，结合上位机的频谱分析工具软件，可对信号做更进一步的质量分析。频谱数据输出时个单点数据应至少包含时间数据和幅值数据。4、频率读取方法用户可以修改寄存器频率计算方法的值来选择使用哪种采样计算方法，本模块支持5种方法(频率采集方法有很多，本专利优选或创新提出5种适合于振弦传感器特点的方法)，分别说明如下：5、频率读取方法(直接周期法)以一个完整周期信号为计时开始和结束信号，内部时钟计时，则根据1个周期时间内内部计时个数(或称时间T)来计算信号频率。上式中fs：信号的频率fb：模块内部计时器的频率(已知)Nb：模块内部计时器的计数值(实际测得)优点：用时短，效率高缺点：单个周期计算出的频率值代表性不强，随机误差较大，信号质量不高时容易出现较大误差。适用：传感器返回信号质量很高且不同周期所用时间误差很小，现场无太多的强干扰。6、频率读取方法(直接频率法)计时一个标准的时长，统计此时长内接收到的信号周期个数，计算出信号的频率值。上式中fs：信号的频率T：预先规定的内部计时器的时长(已知)fb：模块内部计时器的频率(已知)Nb：模块内部计时器的计数值(实际测得)Ns：信号的周期数量(实际测得)优点：算法简单，可以以时长为起止统计标准，也可以以计时器计数个数多少实现标准时长，硬件适用性较广泛，对硬件计算能力要求不高；较直接周期法更容易保证测量精度，减少随机单周期信号影响。缺点：开始条件未与外部信号相匹配，终止条件以时间为准，也未与外部信号匹配，可能会产生±1Hz的误差；当“合法信号”持续时间不够时，误差会严重增大。适用：传感器返回信号质量较高且不同周期所用时间误差分布十分规律，现场无的强干扰。信号质量高，合法数据持续时间足够长。7、频率读取方法(标准频率比较测量法)在相同的一个时间段内，同时统计内部基准时钟和信号的周期数，由时间区间相同则可计算出信号频率值。上式中∫s：信号的频率fb：模块内部计时器的频率(已知)Nb：模块内部计时器的计数值(实际测得)Ns：信号的周期数量(实际测得)优点：可以动态的将全部合法信号进行采集，合法信号消失时停止计时。缺点：要同时进行内部计时器和周期计数和外部信号周期计数，对硬件功能和速度有一定要求。信号合法期间进行统计，未直接与内部计数器做严格匹配，可能会产生±1Hz的误差；适用：传感器返回信号质量较高且不同周期所用时间误差分布十分规律，现场无的强干扰。信号质一般，对合法信号持续时长无太多要求。8、频率读取方法(等精度测频法)与标准频率比较测量法相同，只是起止时间以信号上升或下降沿为准。上式中fs：信号的频率fb：模块内部计时器的频率(已知)Nb：模块内部计时器的计数值(实际测得)Ns：信号的周期数量(实际测得)优点：可以动态的将全部合法信号进行采集，合法信号消失时停止计时；进行了严格的计时信号同步，精度较高。缺点：要同时进行内部计时器和周期计数和外部信号周期计数，对硬件功能和速度有一定要求；要严格匹配计时起止时间点和相关操作，对硬件要求较高。适用：传感器返回信号质量较高且不同周期所用时间误差分布十分规律，现场无的强干扰。信号质一般，对合法信号持续时长无太多要求。9、频率读取方法(等精度多样本测频法)以上几种信号频率计算方法或是单周期，或是多周期平均，适用于信号较为稳定、各周期差别不大、无干扰的信号源。本发明创造性提出了一种适用于信号质量不太好的频率计算方法。不太好是指传感器返回的各周期信号中，夹杂了一些现场干扰信号，或是传感器钢弦的频率不是特别稳定，相邻信号周期有一定随机偏差。等精度多样本测频法：以1个完整脉冲信周期信号为基本计时起止条件，对每个周期信号均进行独立计时，则得到N个独立时间值(频率值)，对数据样本进行精度评定，剔除干扰数据和劣质数据，保留符合要求的优质数据进行频率计算。优点：搞干扰信号能力强，可计算出整体信号质量高低。缺点：硬件响应速度要求高、占有用资源多。适用：信号周期不稳定、现场干扰多的情况。实现步骤(1)初始化内存变量；(2)激励传感器；(3)内部计数器清零；(4)检测到检波脉冲信号开始，打开内部计数器；(中断)(5)检测到检波脉冲信号结束，停止内部计数器；(中断)(6)保存计数值到采样数组变量；(7)采样数量是否达到信号采样数量寄存器规定的值，是则跳转到步骤(9)，否则跳转到步骤(3)；(8)当前信号是否超出合法范围，是则跳转到步骤(9)，否则跳转到步骤(3)；(9)结束采样过程；(10)对采样数据集进行数据剔除、评定样本质量、计算频率。10、各种频率名称的定义在频率计算过程中，各阶段的结果频率值名称有：初始计算频率、温度修正频率、历史滤波频率。原始计算频率：使用所有采集到的采样数据进行计算得到的频率值。优质计算频率：原始采样集经过剔除后剩余的优质采样值计算得出的频率值。温度修正频率：初始计算频率经过两重温度修正后的频率值。历史滤波频率：使用当前温度修正值与若干历史滤波值共同参与计算得出的频率值。11、数据剔除方法叁种方法，分别是直接剔除法、干扰剔除法、还原剔除法数据剔除方法(直接剔除法)(1)找出样本中的中值数据Dm；(2)将样本中的每个数据与中值数据Dm进行比较，当差值绝对值大于时，将此数据剔除；优点：算法简单，速度快缺点：干扰信号较多时造成样本剔除数量过多，可用样本过少，误差随机性增大适用：无干扰或干扰很少的信号处理数据剔除方法(干扰剔除法)(1)将所有样本进行升序排序；(2)相邻两两进行比较，当发现差值小于时，将此数据及期之后所有样本全部剔除；优点：算法简单，速度快缺点：干扰信号较多时造成样本剔除数量过多，可用样本过少，误差随机性增大适用：无干扰或干扰很少的信号处理数据剔除方法(还原剔除法)(1)样本采样顺序保持不变；(2)计算出中值Dm；(3)每个样本的值与中值Dm进行比较，当发现连续的样本值均大于中值Dm且超过时，对连续的样本进行相加合并，当连续合并后的值与中值Dm值之差小于时，保留合并后的值作为一个新样本值，剔除参与合并的原样本数据，若连续的符合上述规则的原样本值相加合并后达不到预定要求，则直接剔除；(4)调用直接剔除法，对剩余样本进行二次数据剔除。优点：能最大限度的识别干扰信号并恢复传感器信号样本缺点：运算较复杂，较费时间适用：任何信号，特别是采样样本少(信号差)、受干扰频繁的信号频率初步计算中值法、均值法，分别是对剔除后的样本进行取中值和取平均值，不用过多解释。样本质量评定(信号质量评定)原始样本质量评定、计算样本质量评定上式中σ：样本标准差n：样本数量Di：第i个样本值所有样本值的平均值在信号采集、频率计算过程中可计算得出实际采样数、信号峰值、信号衰减速率、原始样本质量、计算样本质量、优质采样数量、优质数量比率、干扰信号比率等多种数据，这些数据与原始样本质量、计算样本质量共同表征了传感器信号质量和测试现场传输线路受干扰的程度，即本发明除可实现钢弦的激励、频率读取外，同时实现了信号质量的统合评价功能。另外，信号质量的统合评价还表现在全信号频谱数据输出功能上。12、频率校正振弦传感器钢弦频率受到两方面因素的影响，一为钢弦的自振频率受到环境温度的影响会发生改变，二为用于采集信号的参考时间基准硬件(一般是指MCU的晶振)会随温度改变而不准确。故此，要获得不受温度影响的精确频率值，必须进行两个层面的温度频率补偿。本模块具有两个温度采样器，采样器1用于测量传感器内的温度传感器，采样器2用于测量基准时钟硬件处的温度传感器。两个温度传感器服务于两个频率校正。本发明支持数字式温度传感器DS18B20，也支持热敏电阻式温度传感器。由用户通过设置外接温度传感器类型，MCU通过固件程序采用不同的方法进行采样测量。在MCU内设置有两组可读写寄存器，分别用于存储传感器钢弦补偿参数和模块自身频率温度补偿参数。因传感器结构、厂家等中同，其温度补偿参数一般由传感器厂家提供，用户只需要将参数写入对应寄存器即可；模块自身频率补偿系数根据实测得出，一次性写入对应寄存器。传感器频率温度修正和模块频率基准温度修正均为一次函数，公式为Δf-k×ΔT+b上式中Δf：因环境温度改变而引起的钢弦频率变化值ΔT：当前环境温度与标准温度之差k：温度修正系数-乘常数b：温度修正系数-加常数将优质计算频率进行两次温度修正后，产生温度修正频率值，更新到对应寄存器。目前几乎所有公开的技术都没有关于时钟基准的温度校正(修正)问题，在应用实例测试中发现，所用时钟基准，在环境每变化1℃时，会产生约0.028Hz的计算误差，在10℃～40℃范围内，因温度变化而导致的频率误差为0.84Hz，而在-40℃～+80℃范围时会产生3.34Hz的误差。一般的工程应用，要求传感器频率分辨力不低于0.1Hz，精度优于0.5Hz，显然，不进行时钟基准的温度校正，无法达到应用要求。以上数据是特定时钟基准元件的实测值，不同的时钟基准可能受温度影响不同，但都会不同程度的受到温度变化的影响，有进行温度修正的必要性。13、历史数据滤波为进一步减少误差提高精度，基于频率值的变化(例如应力传感器)是渐变过程这一特点，连续激励采集时，对当前计算得出的温度修正频率值与以往的历史数据做比较，称之为历史数据滤波，所得结果值称为历史滤波频率值，本发明支持4种滤波方法(中值滤波法、算术平均值法、中值平均滤波法、加权递推平均滤波法)，说明如下。中值滤波法(1)本次数据和N-1个历史数据作为基本运算样本集，当N为偶数时去掉最旧的一个数据；(2)对样本集进行排序，取出中间一个值作为结果；算术平均滤波法(1)本次数据和N-1个历史数据作为基本运算样本集；(2)计算样本集的平均值作为结果；中值平均滤波法(1)本次数据和N-1个历史数据作为基本运算样本集；(2)对样本集进行排序，剔除最大值和最小值；(3)将剩下的样本集进行平均值计算，作为结果；加权递推平均滤波法(1)本次数据和N-1个历史数据作为基本运算样本集；(2)依次给样本集中每个数据赋予权重系数，越新的数据权重越大；(3)将每个样本数据复制权重指定的份数，扩展使样本数量；(4)计算增加后的新样本集的平均值，作为结果；14、历史数据存储保存时要同时保存时间信息和频率、温度等。存储器内有专用数据保存区，以数据表形式保存，数据存储表结构如表1。时间传感器序号(若有)所有只读寄存器值表1以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。当前第1页1 2 3