一种振弦式传感器性能分析装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程安全监测技术领域，具体是一种振弦式传感器性能分析装置及方法。

背景技术：

振弦式传感器是目前国内外广泛应用于岩土工程安全监测的传感器，可以测量岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量。振弦式传感器通过测量振弦的振动频率经换算得到相应的被测参数，具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、稳定性好等优点。

由于振弦式传感器长期埋设在水工结构或大坝、土堤、边坡、隧道等结构物内，一部分振弦式传感器经过长时间不良因素的影响，其性能会有所变化，其振弦的振动频率会受较多杂波频率的影响，这也会导致振弦式传感器的测量设备无法准确地测量出自振频率值，导致无法对振弦式传感器的性能进行分析。

技术实现要素：

本发明实施的目的在于提供一种振弦式传感器性能分析装置及方法，通过对自振频率的电压采样、傅里叶变换及参数的计算，分析振弦式传感器的性能情况，解决了已埋入振弦式传感器无法分析性能优劣的问题。

一种振弦式传感器性能分析装置，包括微处理器、功率放大电路、振弦式传感器接口、两级放大电路、a/d转换电路；

所述微处理器用于产生一串正弦波，所述正弦波的频率从fmin逐步增加到fmax，作为振弦式传感器激振的原始波输出到功率放大电路；

所述功率放大电路用于对所述微处理器产生的正弦波进行放大，将放大电压幅度和功率强度后的激振波输出到振弦式传感器接口，以用于激振振弦式传感器；

所述振弦式传感器被激振波激振后产生自振波，所述自振波通过振弦式传感器接口输入到所述两级放大电路进行放大，将放大后的自振波通过a/d转换电路进行实时采样，将采样所得n个采样电压值送入所述微处理器；

所述微处理器还用于将n个采样电压值进行傅里叶变换，得到离散的频谱，根据得到的频谱值的数据选取多个连续的离散点对频域离散点进行区间滑动分析，得到频谱上的最大极值点f0和第二大极值点f1，通过最大极值点f0对应的幅值和第二大极值点f1对应的幅值处频率所对应的幅值计算得到振弦式传感器的评价参数kf,计算公式为

进一步的，所述微处理器的信号输出端与功率放大电路的信号输入端连接，所述功率放大电路的信号输出端与振弦式传感器接口的信号输入端连接，振弦式传感器接口用于与待测振弦式传感器连接；所述振弦式传感器接口的信号输出端与两级放大电路的信号输入端连接，两级放大电路的信号输出端通过a/d转换电路与所述微处理器连接。

进一步的，在进行区间滑动分析时将找到频谱上的多个极值点，所述微处理器将低于400hz，高于6000hz的极值点过滤掉，再通过冒泡法在极值点中找到最大值和次大值，也就是频谱的最大极值点f0和第二大极值点f1。

进一步的，还包括与微处理器连接的人机交互装置。

一种振弦式传感器性能分析方法，包括如下步骤：

步骤一：微处理器产生一串正弦波，所述正弦波的频率从fmin逐步增加到fmax，作为振弦式传感器激振的原始波输出到功率放大电路，根据振弦传感器的特性，fmin＝400hz，fmax＝6000hz；

步骤二：微处理器产生的正弦波通过功率放大电路将电压幅度和功率强度进行放大，增加激振波形的电压幅度和功率强度，生成激振波，并输出到振弦式传感器接口用于激振振弦式传感器；

步骤三：所述振弦式传感器被激振波激振后产生自振波，通过振弦式传感器接口输入到两级放大电路进行放大，将放大后的自振波通过a/d转换电路进行实时采样，将采样所得n个采样电压值送入所述微处理器；

步骤四：所述微处理器将n个采样电压值进行傅里叶变换，得到离散的频谱，计算公式如下：

其中，x(n)为采样电压值，k＝0,1,…,n-1，n为存储电压值的个数；

步骤五：所述微处理器根据得到的频谱值的数据选取多个连续的离散点对频域离散点进行区间滑动分析，得到频谱上的最大极值点f0和第二大极值点f1，通过最大极值点f0对应的幅值和第二大极值点f1对应的幅值处频率所对应的幅值计算得到振弦式传感器的评价参数kf,计算公式为

进一步的，步骤五中选取个数为p的连续的离散点，p为奇数，定义为区间[1,p]，区间每个离散点对应的幅值为[a1,ap]，对频域离散点进行区间滑动分析，当区间中间点对应的幅值大于区间中的其他点的幅值时，即

其中

将此中间点定义为极值点，通过此计算方法找到频谱上的多个极值点，将低于400hz，高于6000hz的极值点过滤掉，再通过冒泡法在极值点中找到最大值和次大值，即最大极值点f0和第二大极值点f1。

本发明通过微处理器产生一串正弦波后，经过放大后放大激振波对待测振弦式传感器进行激振，振弦式传感器被激振波激振后产生的自振波经过两级放大、实时采样后将采样电压值送入微处理器进行傅里叶变换得到离散的频谱，对离散的频谱进行区间滑动分析即可得到频谱上的两个极值点，利用对应的幅值计算得到振弦式传感器的评价参数，相比现有技术可以得出埋设在水工结构或大坝、土堤、边坡、隧道等结构物内的振弦式传感器的性能。

附图说明

图1是本发明振弦式传感器性能分析装置的电路结构框图；

图2是本发明放大后的自振波通过a/d转换电路进行实时采样得到的时域坐标图；

图3是n个采样电压值经过傅里叶变换得到的频谱图；

图中：1—微处理器，2—功率放大电路，3—振弦式传感器接口，4—两级放大电路，5—a/d转换电路，6—人机交互装置，7—电源，8—振弦式传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明振弦式传感器性能分析装置的结构示意图，所述振弦式传感器性能分析装置包括微处理器1、功率放大电路2、振弦式传感器接口3、两级放大电路4、a/d转换电路5、人机交互装置6、电源7。

所述微处理器1的信号输出端与功率放大电路2的信号输入端连接，所述功率放大电路2的信号输出端与振弦式传感器接口3的信号输入端连接，振弦式传感器接口3用于与待测振弦式传感器8连接。人机交互装置6与微处理器1连接，用于输入各种参数信号，电源7与微处理器1连接，用于提供工作电压。

所述微处理器1用于产生一串正弦波，所述正弦波的频率从fmin逐步增加到fmax，作为振弦式传感器激振的原始波输出到功率放大电路2，根据振弦传感器的特性，fmin＝400hz，fmax＝6000hz。

所述功率放大电路2用于对微处理器1产生的正弦波进行放大，将放大电压幅度和功率强度后的激振波输出到振弦式传感器接口3，以用于激振振弦式传感器8。

所述振弦式传感器接口3的信号输出端与两级放大电路4的信号输入端连接，两级放大电路4的信号输出端通过a/d转换电路5与所述微处理器1连接。

所述振弦式传感器8被激振波激振后产生自振波，所述自振波通过振弦式传感器接口3输入到所述两级放大电路4进行放大，将放大后的自振波通过a/d转换电路5进行实时采样，将采样所得n个采样电压值(如图2所示)送入所述微处理器1。所述a/d转换电路5选取采样频率fs＝20000hz，fs≥2fmax＝2*6000hz。

所述微处理器1将n个采样电压值进行傅里叶变换，得到离散的频谱，计算公式如下：

其中，x(n)为采样电压值，k＝0,1,…,n-1，n为存储电压值的个数。

图3是n个采样电压值经过傅里叶变换得到的频谱图，自变量是频率，即横轴是频率，纵轴是该频率信号的幅度。

所述微处理器1根据得到的频谱值的数据选取个数为p的连续的离散点，p为奇数，定义为区间[1,p]，区间每个离散点对应的幅值为[a1,ap]，对频域离散点进行区间滑动分析，当区间中间点对应的幅值大于区间中的其他点的幅值时，即

其中

将此中间点定义为极值点，通过此计算方法，将找到频谱上的许多极值点，由于振弦式传感器的自振频率范围为400hz～6000hz，通过微处理器将低于400hz，高于6000hz的极值点过滤掉，再通过冒泡法在极值点中找到最大值和次大值，即得到的最大极值点f0和第二大极值点f1，本实施例中最大极值点f0处的频率为f0＝460*5hz＝2300hz，幅值为第二大极值点f1处的频率为f1＝970*5hz＝4850hz；幅值为最后通过最大极值点f0对应的幅值和第二大极值点f1处频率所对应的幅值计算得到振弦式传感器的评价参数kf，计算公式为本实施例中

评价参数kf可以反应自振频率和其他杂波频率幅值强度的比值，kf值越大，说明振弦式传感器的性能越优，受其他杂波的影响越小，可根据传感器的性能要求要定义kf的范围。

通过频谱分析的方法，将离散的电压信号转换成离散的频谱图，得到的最大极值点对应的是振弦传感器的自振频率值，而其他的极值点对应的是振弦传感器的噪声及干扰，因此可通过k'f来评断自振频率和其他噪声强度的差异；

表示最大极值点f0对应的幅度；

表示其他极值点对应幅度的和；

由于实际运算中，无法将的值准确的计算出来，而且在所有的噪声幅值中，通常第二大极值点f1的幅值因此采用参数kf来评判振弦式传感器的性能。

此实例中，若kf值低于10，表示传感器性能不优。

本发明还提供一种弦式传感器性能分析方法，其可采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一：微处理器1产生一串正弦波，所述正弦波的频率从fmin逐步增加到fmax，作为振弦式传感器激振的原始波输出到功率放大电路2，根据振弦传感器的特性，fmin＝400hz，fmax＝6000hz；

步骤二：微处理器1产生的正弦波通过功率放大电路2将电压幅度和功率强度进行放大，增加激振波形的电压幅度和功率强度，生成激振波，并输出到振弦式传感器接口3用于激振振弦式传感器8；

步骤三：所述振弦式传感器8被激振波激振后产生自振波，通过振弦式传感器接口3输入到两级放大电路4进行放大，将放大后的自振波通过a/d转换电路5进行实时采样，将采样所得n个采样电压值送入所述微处理器1。所述a/d转换电路5选取采样频率fs＝20000hz，fs≥2fmax＝2*6000hz。

步骤四：所述微处理器1将n个采样电压值进行傅里叶变换，得到离散的频谱，计算公式如下：

其中，x(n)为采样电压值，k＝0,1,…,n-1，n为存储电压值的个数。

步骤五：所述微处理器1根据得到的频谱值的数据选取个数为p的连续的离散点，p为奇数，定义为区间[1,p]，区间每个离散点对应的幅值为[a1,ap]，对频域离散点进行区间滑动分析，当区间中间点对应的幅值大于区间中的其他点的幅值时，将此中间点定义为极值点，通过此计算方法，将找到频谱上的许多极值点，由于振弦式传感器的自振频率范围为400hz～6000hz，通过微处理器将低于400hz，高于6000hz的极值点过滤掉，再通过冒泡法在极值点中找到最大值和次大值，也就是频谱的最大极值点f0和第二大极值点f1，本实施例中最大极值点f0处的频率为f0＝460*5hz＝2300hz，幅值为第二大极值点f1处的频率为f1＝970*5hz＝4850hz；幅值为最后通过最大极值点f0和第二大极值点f1处频率所对应的幅值计算得到振弦式传感器的评价参数kf，计算公式为本实施例中

评价参数kf可以反应自振频率和其他杂波频率幅值强度的比值，kf值越大，说明振弦式传感器的性能越优，受其他杂波的影响越小，可根据传感器的性能要求要定义kf的范围。

此实例中，若kf值低于10，表示传感器性能不优。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。