一种高性能高精度振动测量方法与流程

1.本发明涉及振动测量领域，特别涉及一种高性能高精度振动测量方法。


背景技术：

2.振动测量方法主要用于需要振动测量，如地震波测量，预警；桥体振动测量和监测等场合，如桥梁，高架路在车辆行驶过程中的振动，高铁路基的振动，高层建筑的振动等等，这些测量和监控可以提前预警一些建筑物的隐患，将事故发生的可能性降到最低，随着科技的不断发展，人们对于振动测量方法的要求也越来越高。
3.现有的振动测量方法在使用时存在一定的弊端，目前传统的振动测量采用普通的单一的加速度传感器进行测量，测量结果是由传感器的本身特性，以及整个测量系统的固有结构等多方面的因素导致，其测量的偏差较大，给人们的使用过程带来了一定的不利影响，为此，我们提出一种高性能高精度振动测量方法。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性能高精度振动测量方法，精度更高，噪声更低，4x4的传感器矩阵可以获得4倍的单个传感器的性能提高，可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合，可以有效解决背景技术中的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种高性能高精度振动测量方法，包括以下操作步骤：
8.s1：准备振动测量所需要使用到的工具与设备，包括多组传感器、mcu、外部控制器与布线工具；
9.s2：由nxn的振动传感器组成阵列，mcu或者外部控制器送出一个同步信号，通过布线工具进行布线处理，根据nxn的振动传感器阵列调节布线走向位置；
10.s3：同步信号走线到达每个传感器的长度相同，保证同步触发信号能够同步到达每个传感器，使得每个传感器都同时接收到外部的同步信号，进行同步测量；
11.s4：n的数目决定了传感器的噪声系数和精度，越大精度越高，噪声越低，同时测量的带宽会变得越窄；
12.s5：传感器的间距会决定整个测量体系的尺寸，再加上外壳的重量，会对整个测量体系的共振频率产生影响，测量时需要避开共振频点，对每一个传感器进行同步测量，得到最终测量数据，进行数据输出。
13.作为本技术一种优选的技术方案，所述振动测量方法流程为传感器阵列的布置、同步信号发射、信号走线布置，传感器接收信号、传感器同步测量、数据输出。
14.作为本技术一种优选的技术方案，所述s2步骤中对同步信号走线进行布置，所述同步信号走线与每组传感器的距离相同，即每组传感器同步接收mcu输出的信号。
15.作为本技术一种优选的技术方案，所述s2步骤中对传感器的位置进行布置，由传感器组成阵列，且阵列为nxn的方式，所述n的数目越大，则输出的测量数据更为精确。
16.作为本技术一种优选的技术方案，所述s2步骤中对传感器的位置进行布置，由传感器组成阵列，所述传感器的间距决定整个测量体系的尺寸大小，所述传感器布置时需避开共振频点。
17.作为本技术一种优选的技术方案，所述振动测量方法采用多组传感器组成阵列并同步进行测量操作，取最终平均值。
18.作为本技术一种优选的技术方案，所述s5步骤中测量振动的结果和振动频率，振动幅度对应加速度幅度的关系，频率越高，达到同样加速度值时，振动的幅度就越小。
19.作为本技术一种优选的技术方案，所述振动测量方法可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合。
20.(三)有益效果
21.与现有技术相比，本发明提供了一种高性能高精度振动测量方法，具备以下有益效果：该一种高性能高精度振动测量方法，精度更高，噪声更低，4x4的传感器矩阵可以获得4倍的单个传感器的性能提高，可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合，使用nxn的振动的传感器的阵列，由mcu或者外部控制器送出一个同步信号，在布线处理上，让同步信号走线到达每个传感器的长度相同，保证同步触发信号能够同步到达每个传感器，使得每个传感器都同时接收到外部的同步信号，进行同步测量，n的数目决定了传感器的噪声系数和精度，越大精度越高，噪声越低，同时测量的带宽会变得越窄，传感器的间距会决定整个测量体系的尺寸，再加上外壳的重量，会对整个测量体系的共振频率产生影响，测量时需要避开共振频点，整个振动测量方法结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
22.图1为本发明一种高性能高精度振动测量方法的整体结构示意图。
23.图2为本发明一种高性能高精度振动测量方法中实施例一的结构示意图。
24.图3为本发明一种高性能高精度振动测量方法中实施例二的结构示意图。
25.图4为本发明一种高性能高精度振动测量方法中实施例三其一的结构示意图。
26.图5为本发明一种高性能高精度振动测量方法中实施例三其二的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.如图1所示，一种高性能高精度振动测量方法，包括以下操作步骤：
31.s1：准备振动测量所需要使用到的工具与设备，包括多组传感器、mcu、外部控制器与布线工具；
32.s2：由nxn的振动传感器组成阵列，mcu或者外部控制器送出一个同步信号，通过布线工具进行布线处理，根据nxn的振动传感器阵列调节布线走向位置；
33.s3：同步信号走线到达每个传感器的长度相同，保证同步触发信号能够同步到达每个传感器，使得每个传感器都同时接收到外部的同步信号，进行同步测量；
34.s4：n的数目决定了传感器的噪声系数和精度，越大精度越高，噪声越低，同时测量的带宽会变得越窄；
35.s5：传感器的间距会决定整个测量体系的尺寸，再加上外壳的重量，会对整个测量体系的共振频率产生影响，测量时需要避开共振频点，对每一个传感器进行同步测量，得到最终测量数据，进行数据输出。
36.进一步的，振动测量方法流程为传感器阵列的布置、同步信号发射、信号走线布置，传感器接收信号、传感器同步测量、数据输出，精度更高，噪声更低，4x4的传感器矩阵可以获得4倍的单个传感器的性能提高，可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合。
37.进一步的，s2步骤中对同步信号走线进行布置，同步信号走线与每组传感器的距离相同，即每组传感器同步接收mcu输出的信号。
38.进一步的，s2步骤中对传感器的位置进行布置，由传感器组成阵列，且阵列为nxn的方式，n的数目越大，则输出的测量数据更为精确。
39.进一步的，s2步骤中对传感器的位置进行布置，由传感器组成阵列，传感器的间距决定整个测量体系的尺寸大小，传感器布置时需避开共振频点。
40.进一步的，振动测量方法采用多组传感器组成阵列并同步进行测量操作，取最终平均值。
41.进一步的，s5步骤中测量振动的结果和振动频率，振动幅度对应加速度幅度的关系，频率越高，达到同样加速度值时，振动的幅度就越小。
42.进一步的，振动测量方法可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合。
43.实施例一：
44.如图2所示，测量振动的结果和振动频率，振动幅度对应加速度幅度的关系，频率越高，达到同样加速度值时，振动的幅度就越小，反之，当需要测低频低幅度的振动的时候，
就很困难，因为需要较大振动幅度，导致测量误差会很大，那么在哪些场合下，需要测量低频低幅度的测量精密测量呢？如桥梁，高架路在车辆行驶过程中的振动，高铁路基的振动，高层建筑的振动，等等，这些测量和监控可以提前预警一些建筑物的隐患，将事故发生的可能性降到最低。
45.实施例二：
46.如图3所示，单个的振动传感器的随机噪声会导致结果发生偏差，如图中的第一种结果，nxn的传感器矩阵，如果每个传感器独立工作，各自的测量结果在圆心图上的分布结果将会向各个方向随机性分布扩散，但是通过平均值后，结果会相对比较准确，如图中的第三个结果，当传感器矩阵使用同步信号后，所有的传感器都工作在外部条件下，且每个传感器彼此之间的相隔距离一致，这时候传感器矩阵会相当于一个更大的更敏感的单个传感器，其随机噪声都被一体化了，随机误差更加小，输出更稳定，这时候再将所有的结果进行平均值计算低通滤波，以及kalman滤波后，可以得到低幅度低频率的振动测量结果，其结果就像图中的第四个结果。
47.实施例三：
48.如图4、5所示，以adi的adxl355加速度传感器为例：
49.测量640μg@0.4hz和0.66μg@0.013hz加速度，进行4x4adxl355噪声性能和单个adxl355噪声性能对比；
50.1.矩阵传感器可以降低随机噪声，提高振动的灵敏度；
51.2.16个传感器，可以提高4倍稳定性和准确性；
52.3.在数据采集mcu中，加上0.005hz到1hz的低通滤波和kalman滤波器可以获得低频低幅度的振动测量结果；
53.举例说明：
54.高架桥的振动周期(t)＝火车的长度/火车的速度，或者是高架桥的振动频率的倒数(f)；
55.振动引起的位移，disp(t)＝disp_max*sin(2*pi*f*t)，则加速度为acc(t)＝(2*pi*f)2*disp(t)(m/s2)；
56.高铁：火车车厢长度25m，常规配置为8或者16节车厢，总长为204m，车速为300km/h；
57.货运：火车车厢长度25m，最大26节车厢，总长为654m，时速为30km/h；
58.这两种情况的计算结果分别为：
59.高铁：t＝2.5s,f＝0.4hz,disp＝1mm,得到加速度为640ug；
60.货运：t＝78s,f＝0.013hz,disp＝1mm,得到加速度为0.66ug。
61.工作原理：准备振动测量所需要使用到的工具与设备，包括多组传感器、mcu、外部控制器与布线工具，由nxn的振动传感器组成阵列，mcu或者外部控制器送出一个同步信号，通过布线工具进行布线处理，根据nxn的振动传感器阵列调节布线走向位置，同步信号走线到达每个传感器的长度相同，保证同步触发信号能够同步到达每个传感器，使得每个传感器都同时接收到外部的同步信号，进行同步测量，n的数目决定了传感器的噪声系数和精度，越大精度越高，噪声越低，同时测量的带宽会变得越窄，传感器的间距会决定整个测量体系的尺寸，再加上外壳的重量，会对整个测量体系的共振频率产生影响，测量时需要避开
共振频点，对每一个传感器进行同步测量，得到最终测量数据，进行数据输出，精度更高，噪声更低，4x4的传感器矩阵可以获得4倍的单个传感器的性能提高，可以用于铁路，高架桥，桥梁的震动实时测量和监控，地震波监控等场合。
62.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。