一种振弦式传感器工作性态在线测试方法及装置与流程

本发明涉及一种振弦式传感器工作性态在线测试方法及装置。

背景技术：

振弦式传感器系统的基本组成部分包括传感器、信号电缆及读数仪表。其中，传感器一般由一个可以振动的钢弦、激振线圈以及固定端组成。线圈两端通过信号电缆引出，见图3。

传感器所测物理量如应力、压强等可改变钢弦固有自振频率，可由读数仪表通过信号电缆连接传感器进行测量。一般是读数仪表首先通过信号电缆在传感器线圈两端施加一个激振信号，传感器内钢弦受迫振荡，并于停止施加激振信号后继续阻尼振荡。此时钢弦的机械振荡通过线圈转化为感应电信号，通过电缆回传至读数仪。通过读数仪对信号计频，即可测得钢弦的自振频率。一般该频率的范围是500～5000Hz，相应信号电压幅度在1mV左右，而激振信号电压幅度一般在5V以上。

振弦式传感器在安装过程中或使用一段时间后，传感器或信号电缆均有可能受损造成传感器无法正常工作，或是读数不正确。目前一般是通过重复读数的稳定性来评价传感器的测值可靠性，但读数稳定性一般仅能反映偶然误差的大小，而不能反映准确度，因而靠重复读数的方法并不能全面评价传感器的精确度，同样也不能判断读数的变化是否准确反映了真实的物理量变化。因此在实践当中，读数发生变化时，往往会使分析人员难以在物理量真实变化与传感器失效之间做出准确的判断。

除了采用重复读数的方法外，现有技术还利用通用万用表来测试线圈及电缆的总直流电阻以判断传感器系统直流通路的好坏，进而给出电缆或线圈是否断线的结论，见图4。但该方法仍有局限性，原因在于，振弦式传感器是以交流的频率信号代表物理量，而电阻并不是制约读数精度的决定性因素。例如对一般的振弦式传感器，线圈电阻在300Ω左右，电缆的电阻可以在0~1000Ω的范围内变化而传感器仍能正常工作。实践中除非测试到电阻在100kΩ以上，可以明显确定是断线故障，在电阻值不是明显异常的情况下，使用万用表无法给出仪器工作是否正常的确切结论；另一方面，万用表仅能测出直流电阻，而频率信号的衰减是与交流阻抗相关，直流电阻不能完全代表电缆传输信号的性能，容易造成误判。因此在实际使用万用表测试时，有些仪器的电阻很大，但仍读数正常，而有些电阻测值正常的仪器却无法读数，无法准确判断仪器是否失效，更无法实现在接入读数仪的情况下进行在线测试。

理论上还可以使用通用示波器和频谱仪在线观察读数仪激振信号与感应信号的波形和频谱，但前已述及，传感器的感应信号电压幅度仅为1mV，线路上不但存在高达5V的激振信号，且夹杂大量干扰信号，在无法排除上述信号的情况下，直接使用示波器和频谱仪难以观察到传感器的感应信号波形或频谱。因而实践中无法使用示波器或频谱仪在线检测振弦式传感器的工作状态，只能通过读数仪内置波形或频谱测量功能，在不施加激振信号时测量感应信号，然而这种方式破坏了检测的独立性原则，无法排除读数仪故障造成的测量问题，对于很多场合，例如读数仪厂家和型号已经确定，或者传感器接入的是具有多路读数能力的自动化采集系统，也不允许更换读数仪或采集系统来检测传感器。。

传统的传感器状态评价手段主要依靠重复读数，以读数的稳定性来推测传感器状态的好坏。这种方法有很大局限性，因为读数稳定性一般仅能反映测量偶然误差的大小，而不能反映测量准确度，读数稳定不是传感器测量准确的充分条件；另一方面由于物理量变化也能引起读数变化，读数稳定也不是传感器测量准确的必要条件，因而发现读数不稳时往往难以区分是传感器性能变差造成还是发生了真实的物理量变化。采用传统万用表测量传感器线圈或线路的电阻，需通过万用表内部电流源形成测量回路，而读数仪工作时会输出激振信号，因此使用万用表测电阻时读数仪无法正常工作，无法实现在线测量。

目前，检测振弦式传感器的工作状态缺乏直接有效装置，造成传感器状态评价困难。2013年生效的行业标准《DL/T1271—2013钢弦式监测仪器鉴定技术规程》，提出了对传感器的鉴定方法，但仍是基于传感器系统内的读数仪表的测量成果进行分析，这种依靠系统内组件的测量数据来评价整个系统状态的方法具有很大的局限性，容易受系统内各组件间的影响而造成误判，缺乏能够独立、直接地获取反映系统工作性态的独立定量指标的方法。

因此，面对数量越来越庞大的已安装传感器，急需一种客观、准确、独立、直接的测试手段，用于评价振弦式传感器的工作性态。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种振弦式传感器工作性态在线测试方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种振弦式传感器工作性态在线测试方法，包括以下步骤：

1）将读数仪与振弦式传感器连接，测量读数仪发出的激振信号；

2）判断激振信号结束后，测量振弦式传感器产生的线圈感应信号；

3）根据所述激振信号或激振信号结束后的线圈感应信号计算有关振弦式传感器系统工作性态的结果并显示该结果。

步骤1）中，测量读数仪发出的激振信号的电压幅度、电流幅度、电压波形、电流波形中的一种。

步骤2）中，激振信号结束的条件是激振信号幅度发生电平触发，或者激振信号波形不影响所述线圈感应信号的测量。

步骤2）中，测量振弦式传感器产生的线圈感应信号的方式是先对信号进行条件控制幅度衰减，再进行放大。

步骤3）中，振弦式传感器系统工作性态的结果是由激振信号和激振信号结束后的线圈感应信号计算出的在感应信号频率下的测量线路的阻抗，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的波形幅度值，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的波形频率值，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的波形幅度衰减速率值，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的在波形幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间值，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的信噪比，或者是由激振信号结束后的线圈感应信号经模数转换后形成的离散波形数据系列计算得出的频谱。

相应地，本发明还提供了一种振弦式传感器工作性态在线测试装置，包括：

激振信号拾取电路：用于在传感器和读数仪构成的测量线路上将激振信号的特征信息变换为标准电信号；

受控放大电路：根据控制器的控制逻辑电信号，将激振信号结束后的线圈感应信号的特征信息变换为标准电信号；

控制器：用于判断激振信号是否结束，并向受控放大电路和运算处理器输出控制逻辑电信号；

运算处理器：用于根据控制器的控制逻辑电信号，测量代表激振信号的标准电信号和激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号，并对所述标准电信号进行处理得到有关振弦式传感器系统工作性态的结果；

显示器：用于显示运算处理器得到的结果。

所述激振信号的特征信息包括电压幅度、电流幅度、电压波形、电流波形中的一种。

所述激振信号拾取电路包括幅度检波电路，所述幅度检波电路与低速低倍差动放大器连接；或者所述激振信号拾取电路包括电流采样电阻、与所述电流采样电阻并联的幅度检波电路，所述幅度检波电路与低速低倍差动放大器连接；或者所述激振信号拾取电路包括高速低倍差动放大器；或者所述激振信号拾取电路包括高速低倍差动放大器和与所述高速低倍差动放大器并联的电流采样电阻。

所述受控放大电路包括一个信号放大电路，所述信号放大电路输入端连接受控信号幅度衰减电路。

所述受控放大电路包括差动放大器，所述差动放大器与电压控制开关连接，所述电压控制开关与控制器的控制逻辑电信号输出端连接；所述控制器包括电平触发器。

所述控制器包括数字信号处理器，所述数字信号处理器接收模数转换器输出的数字信号。

所述有关振弦式传感器系统工作性态的结果包括由激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号通过模数转换得到的离散波形数据系列；或者所述有关振弦式传感器系统工作性态的结果包括由激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号通过模数转换得到的离散波形数据系列计算得到的有关该波形的幅度、频率、幅度衰减速率、幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间、信噪比、频谱中的一种；或者所述有关振弦式传感器系统工作性态的结果包括由代表激振信号的标准电信号和激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号分别通过模数转换得到的两组离散波形数据系列计算得到的感应信号频率下测量线路的阻抗。

所述运算处理器包括运算器，所述运算器接收模数转换器输出的数字信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明测量结果可确切反映传感器系统的工作性态，不受物理量测值影响；本发明提出的有关工作性态的测试结果正常是传感器系统处于工作正常状态的必要条件，任何测试结果异常均对应有确切的传感器故障原因，能够准确提示传感器测量准确性变差或失效，而不用依靠对物理量测值的分析，且这些测试项目的成果也不易受物理量变化的干扰。例如，测量线路的阻抗值中的电阻过小或过大，表明回路中存在短路或断路，会影响传感器正常接收激振信号，以及读数仪接收感应信号；测量线路阻抗值中的感性电抗过小，表明传感器线圈内部短路，影响激振与感应信号拾取；测量线路阻抗值中的容性电抗过小，表明传输线路存在交流短路，会影响感应信号的传输；感应信号波形幅度过小、典型幅度范围的持续时间过短以及波形衰减速率过大均会影响频率测量的准确度；感应信号的信噪比过小、频谱过于凌乱，均会影响测值的稳定性。上述结果均能直接反映传感器的工作性态，因而在测试过程中一旦某测试项目取得异常结果，即可得出传感器测量精度受到影响或者已经失效的结论，并能指出故障部件及故障原因；本发明是伴随传感器系统工作过程同步测试线间电压及线路上的电流等参数，测试信号的激发源取自读数仪，无需在传感器系统上输入信号，因此可以实现在线检验，能够动态测量传感器系统工作的全过程；本发明具备直接从测量线路上判断是否存在激振信号的能力，无需通过读数仪获取传感器系统工作过程的信息，可在不更换包括读数仪在内的传感器系统任何组件的前提下完成测试工作。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明涉及装置包含的部件；

图3是振弦式传感器的基本组成部分；

图4是传统使用万用表检测振弦式传感器的示意图；

图5是激振信号拾取电路的一个实施例，拾取电压幅度；

图6是激振信号拾取电路的一个实施例，拾取电流幅度；

图7是激振信号拾取电路的一个实施例，拾取电压波形；

图8是激振信号拾取电路的一个实施例，拾取电流波形；

图9是控制器的一个实施例，将幅度信号转化为电平触发信号；

图10是控制器的一个实施例，将波形信号转换为离散波形系列，判断被测线路上有无激振信号；

图11是运算处理器的一个实施例，根据控制器的控制逻辑电信号，将激振信号的标准电信号和激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号转换为离散波形系列，并进行处理得到有关振弦式传感器系统工作性态的结果；

图12是感应信号受控放大电路的一个实施例，输出的是感应信号的波形；

图13是本发明装置的一个实施例，通过简化功能降低硬件开销；

图14是本发明装置的一个实施例，通过较丰富的硬件配置实现多功能；

图15是采用本发明测得的正常振弦式传感器感应电压波形输出；

图16是采用本发明测得的非正常振弦式传感器感应电压波形输出；

以上附图中的标记分别为：

1—激振信号拾取电路，2—受控放大电路，3—控制器，4—运算处理器，5—控制器的激振信号输入端，6—受控放大电路的控制信号输入端，7—运算处理器的激振信号输入端，8—感应信号输入端，9—运算处理器的控制信号输入端，10—传感器， 11—读数仪， 12—显示器，50—钢弦，51—固定端，52—激振线圈，53—信号电缆，54—万用表，101—幅度检波电路，102—低速低倍差动放大器，103—电流取样电阻，104—高速低倍差动放大器，201—电压控制开关，202—差动放大器，301—电平触发器，302—激振信号模数转换器，303—数据总线，304—数字信号处理器，401—激振信号模数转换器，402—感应信号模数转换器，403—数据总线，404—运算器，405—激振电流信号模数转换器，406—激振电压信号模数转换器。

具体实施方式

如图1，本发明的方法包括以下步骤：

1）将读数仪与振弦式传感器连接，测量读数仪发出的激振信号；

2）判断激振信号结束后，测量振弦式传感器产生的线圈感应信号；

3）根据所述激振信号和激振信号结束后的线圈感应信号计算有关振弦式传感器系统工作性态的结果并显示该结果。

如图2，本发明的装置包括激振信号拾取电路1、受控放大电路2、控制器3、运算处理器4和显示器12；激振信号拾取电路1和受控放大电路2的测试信号输入端接入由传感器10和读数仪11构成的测量线路中；激振信号拾取电路1的信号输出端接入控制器3的激振信号输入端5和运算处理器4的激振信号输入端7；受控放大电路2的信号输出端接入运算处理器4的感应信号输入端8；控制器3的控制信号输出端接入受控放大电路2的控制信号输入端6和运算处理器4的控制信号输入端9；运算处理器4的显示信号输出端接入显示器12的显示信号输入端。

具体实践中，图2中的读数仪11所发出的激振信号的幅度和频率因生产厂家不同而有所区别，相应传感器10在不同厂家间也有所差别，一般读数仪和传感器选择同一厂家配套使用。

为便于说明具体实施方式，设定图2中的读数仪11的激振电压幅度为5V，激振频率为500Hz至5000H扫频，相应传感器10的输出感应信号电压为10mV，谐振频率为2000Hz。在使用读数仪11进行正常读数时，读数仪11首先在电缆上加载频率500Hz至5000Hz，幅度为5V的激振信号，当读数仪激振信号扫频输出至2000Hz左右时，传感器处于谐振状态，钢弦50起振。读数仪11完成扫频过程后，传感器钢弦50继续振荡，读数仪此时测量10mV的感应信号频率，在读数仪上显示频率为2000Hz的实测值。加入本发明进行在线工作形态测试后，本发明各部分的具体实施处理流程为：

图5所示为激振信号拾取电路拾取激振信号的电压幅度的一个实施例，扫频激振信号的5V电压进入幅度检波电路101后，扫频激振信号的交流部分被滤除，输出与激振信号幅度相关的大小约2V的直流差动电压，由低速低倍差动放大器102放大后，转化为能够触发控制器3的2V直流单端电压信号；当没有扫频激振信号时，幅度检波电路101输出的差动电压幅度很小，至多只有几十mV的感应信号或干扰信号，由于低速低倍差动放大器102的放大倍数低，输出的直流单端电压信号仍只有几十mV，因此在读数仪11的测量过程，激振信号拾取电路输出的是标准的单端电压信号。

图6所示为激振信号拾取电路拾取激振信号的电流幅度的一个实施例，通过电流取样电阻将激振信号电流转换为差动电压后送入幅度检波电路101，其余与图5相同。电流取样电阻的大小不同会形成不同的差动电压，但经低速低倍差动放大器102调整后都将转换为标准的单端电压信号。

图7所示为激振信号拾取电路拾取激振信号的电压波形的一个实施例，通过高速低倍差动放大器104直接放大激振信号电压，转化为适合控制器3和运算处理器4测量的波形信号。一般控制器3和运算处理器4内的模数转换器的输入电压为2V，为使5V激振信号满足模数转换器的输入范围，需要使用高速低倍差动放大器104放大扫频激振电压，本例中放大器104的带宽应高于5000Hz，放大倍数为0.4。

图8所示为激振信号拾取电路拾取激振信号的电流波形的一个实施例，通过电流取样电阻将激振信号电流转换为差动电压后送入高速低倍差动放大器104，其余与图7相同。电流取样电阻的大小不同会形成不同的差动电压，但经高速低倍差动放大器104调整后都将满足控制器3和运算处理器4内的模数转换器输入要求。

图9所示为控制器3将幅度信号转化为电平触发信号的一个实施例，激振信号结束时，在激振信号输入端5的单端直流电压只有几十mV，低于电平触发器301事先设置的1V触发门限，控制信号输出端输出使能信号；线路上有激振信号时，在激振信号输入端5的单端直流电压有2V，高于电平触发器301事先设置的1V触发门限，控制信号输出端输出禁止信号。

图10所示为控制器3将波形信号转换为离散波形系列，根据离散波形数据系列判断被测线路上有无激振信号，并将判断结果经控制信号输出端输出的一个实施例，在激振信号输入端5的波形信号经激振信号模数转换器302转换为离散波形系列后，由数据总线303送至数字信号处理器304，计算出波形系列的幅度，在线路上有激振信号时，波形的幅度为2V左右，高于数字信号处理器304中预置的1V激振信号幅度判断条件，控制信号输出端输出禁止信号，在激振信号停止时，波形幅度只有几十mV，低于数字信号处理器304中预置的1V激振信号幅度判断条件，控制信号输出端输出使能信号。

图11所示为运算处理器4根据控制器的控制逻辑电信号，将激振信号的标准电信号和激振信号结束后的代表线圈感应信号特征信息的标准电信号转换为离散波形系列，并进行处理得到有关振弦式传感器系统工作性态的结果的一个实施例，激振信号输入端7的波形信号经激振信号模数转换器401转换为离散波形系列、感应信号输入端8的波形信号经感应信号模数转换器402转换为离散波形系列后，由数据总线403送至运算器404完成计算过程。运用数字信号处理技术，可计算出在感应信号频率下的测量线路的阻抗、感应信号的幅度、频率、波形幅度衰减速率、波形幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间、信噪比以及频谱等。

具体地，可采用数值运算方式提取信号幅度；可以采用单位时间内对波形周期计数的方法求得信号频率；可以在单位时间内提取信号幅度的变化量，得到波形幅度衰减速率；可以记录从激振信号结束到感应信号幅度下降到读数仪无法测量所经历的时间，得到波形幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间；可以采用FFT变换解算出信号频谱；可以由FFT变换获得的信号和噪声的频率特性，计算信噪比。可以计算感应信号的频率，再在此频率下对激振信号采用瞬时电压、电流等多变量进行数值运算的方式求得测量线路在感应信号频率下的阻抗，以及阻抗中包含的电阻、电抗等参数。

图12所示为受控放大电路2输出感应信号的波形的一个实施例，电压控制开关201禁止时，信号无法进入差动放大器202，无信号输出；电压控制开关201使能时，此时差动放大器202将感应信号波形放大至适合模数转换器采样的幅度。在本例中，感应信号的电压幅度为10mV，模数转换器的输入电压为2V，相应差动放大器202的放大倍数为200倍。

本发明的各组成部件可在上述具体实施方式中选择，再由各部件连接构成本发明。根据测试的侧重点不同，以下展示本发明的几种实施例：

图13为本发明侧重于简化功能降低硬件开销的一个实施例，信号电缆上有激振信号时，激振信号拾取电路1内的幅度检波电路101和低速低倍差动放大器102输出的电平信号触发控制器3中的电平触发器301输出禁止信号，受控放大电路2无信号输出，同时电平触发器301输出的禁止信号进入运算处理器4的运算器404，感应信号处理功能中止，激振信号处理功能激活，激振信号送入运算处理器4内的激振信号模数转换器401完成离散波形数据系列转换，经运算处理器4的运算器404完成计算过程，可计算出激振信号的电压幅度；信号电缆上无激振信号时，电平触发器301输出使能信号，运算处理器4的运算器404激振信号处理功能中止，感应信号处理功能激活，受控放大电路2中的电压控制开关201导通，感应信号进入差动放大器202放大后送入运算处理器4内的感应信号模数转换器402完成离散波形数据系列转换，经运算处理器4的运算器404完成计算过程，可计算出感应信号的幅度、频率、波形幅度衰减速率、波形幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间、信噪比以及频谱等，并将计算结果通过显示器12显示。

图14为本发明侧重于通过较丰富的硬件配置实现大多数功能的一个实施例，激振信号拾取电路1同时拾取电流波形和电压波形，控制器3将电流波形信号转换为离散波形系列，根据离散波形数据系列判断被测线路上有无激振信号，并将判断结果发送至受控放大电路2和运算处理器4。信号电缆上有激振信号时，控制器3输出禁止信号，受控放大电路2无信号输出；激振信号拾取电路1拾取得到的电流波形和电压波形分别经激振电流信号模数转换器405和激振电压信号模数转换器406转换为离散波形系列后在运算器404暂存。信号电缆上无激振信号时，控制器3输出使能信号，受控放大电路2中的电压控制开关201导通，感应信号进入差动放大器202放大后送入运算处理器4内的感应信号模数转换器402完成离散波形数据系列转换。运算器404完成激振信号和感应信号离散波形数据系列的计算过程，可计算出感应信号的幅度、频率、波形幅度衰减速率、波形幅度衰减过程中典型幅度范围的持续时间、信噪比、频谱以及测量线路阻抗等，并通过显示器12显示。该实施例使用硬件电路较多，对运算器404的计算能力要求较高，控制逻辑由控制器3中数字信号处理器304的软件实现。运算器404和数字信号处理器304都可以选用单片机实现，对于本发明，在功能逻辑上是采用了两个单片机，但实际产品中，也可以采用分时复用的方式实际选择1个单片机实现运算器404和数字信号处理器304的功能，以简化电路，节省成本。