一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法与装置与流程

本发明涉及岩土工程健康监测，特别是一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法与装置。

背景技术：

1、在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称为钢弦式)仪器等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的安全。

2、振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成，在感知外界作用力(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等)的时候，钢弦会产生拉伸变形，导致钢弦产生特定的固有频率，通过测量钢弦的机械振动固有频率可以推断出施加在振弦式传感器上的外界作用力信息。因此，钢弦的机械振动固有频率是振弦式传感器中最为关键的测量因子，它直接影响着振弦式传感器的灵敏度、响应速度和测量精度。

3、测量钢弦的机械振动固有频率(简称振动频率、或频率参量)通常采用激振-拾振的方法，将钢弦设置在频率测量线圈和永磁体构成的磁场中，通过激振钢弦使之自由振动起来，自由振动起来的钢弦在磁场中作切割磁力线运动，在测量线圈中产生感生电动势，通过拾振方法拾取测量线圈中产生的微弱感生电动势的频率，即为钢弦的机械振动固有频率。

4、现有拾振方法多用激振钢弦后，对测量线圈中产生的感生电动势进行放大、滤波、整形为方波信号后，采用基于脉冲计数原理的等精度测频方法来测量信号的频率；或对激振钢弦后产生的微弱电动势信号进行放大、滤波、采样及数字化，采用fft等频谱分析方法计算出钢弦的振动频率。

5、其中，针对基于脉冲计数原理的等精度测频方法，测量原理如图1所示。采用的方法是激振后选择“波形稳定”的一段时间间隔δt内，通过同时计数δt内的待测脉冲信号个数nx和已知高频时基的个数ns来计算待测脉冲信号的频率。计数器cnt1计数待测脉冲信号，计数器cnt2计数高频时基信号，得出待测信号频率fx的计算公式为：

6、fx＝fs*nx/ns                               (1)

7、式(1)中，fs是高频时基频率，为定值。软件预置闸门启动后，待测信号随之而来的第一个上升沿/下降沿到来时刻，计数器cnt1和cnt2同时开始计数；软件预置闸门关闭后，待测脉冲信号随之而来的第一个上升沿/下降沿到来时刻，cnt1和cnt2停止计数；因为计数是用待测脉冲信号的上升沿/下降沿来进行同步的，nx的计数值没有±1个字的计数误差。因此，式(1)中，fx误差由cnt2的计数值ns的误差确定。

8、该测频方法，选用振弦式传感器被激励后响应的某一个时间段δt内脉冲信号的频率作为传感器的固有频率f的测量值，如果选择的δt时间段内波形不稳定或δt间隔选择不当，均会导致待测信号频率的测量误差。而且，如果传感器或采集装置受到电磁干扰，会导致干扰信号叠加在信号上，使波形的上升沿或下降沿出现抖动，导致计数值错误，直接引起频率测量的误差甚至错误；也就是说，在δt时间段内，待测脉冲信号fx的任何一个脉冲信号波形受到干扰，即上升沿或下降沿出现抖动，均会影响cnt1的计数值nx，导致根据式(1)计算的待测信号频率fx出现错误。

9、而采用fft等频谱分析的测频方法虽然较好地解决了传感器和测量装置的抗电磁干扰问题，但实现该方法硬件资源要求高，分析信号频率的算法比较复杂。

技术实现思路

1、本发明针对现有的基于脉冲计数原理的等精度测频方法在波形不稳、时间间隔选择不当以及受电磁干扰时导致频率测量的误差甚至错误，而现有的频谱分析的测频方法存在硬件资源要求高且分析信号频率的算法比较复杂等问题，提供一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法，是在基于脉冲计数原理测频的基础上进行改进的振弦式仪器频率测量方法，在激振信号停止后的整个振弦自由振动期间，通过具有输入捕获功能的单片机捕获振弦被激振后的全部响应，进而对全部响应的数据通过筛选算法分析与处理估计振弦信号的频率，在测频的准确度方面，优于基于脉冲计数的等精度频率测量方法。本发明还涉及一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量装置。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、振弦自由振动信号产生步骤，对振弦式传感器的频率测量线圈两端施加激振信号，振弦在交变的电磁力作用下发生机械振动，然后停止激振信号，振弦开始自由振动，自由振动的振弦在频率测量线圈中产生的感生电动势信号经处理转换为方波信号，再经过光电隔离后转化为脉冲方波信号，送入具有输入捕获功能的单片机的输入捕获引脚；

5、振弦自由振动存续期间全过程捕获步骤，通过具有输入捕获功能的单片机对振弦式传感器的振弦自由振动存续期间输入的脉冲方波信号的上升沿/下降沿进行全过程捕获，在脉冲方波信号的每个上升沿/下降沿，在单片机内均将当前定时器计数值自动存到捕获寄存器中，得到全过程捕获期间所有上升沿/下降沿时刻的定时器计数值系列；

6、振弦信号频率估计步骤，根据相邻两个捕获的定时器计数值之差得到待测脉冲方波信号的一个信号波形周期，进而计算得到全过程捕获期间每个脉冲方波信号的信号波形周期系列，再将各信号波形周期系列通过筛选算法估计得到振弦信号频率。

7、优选地，所述振弦信号频率估计步骤中，在计算得到全过程捕获期间每个脉冲方波信号的信号波形周期系列后，先对信号波形周期系列作为若干初始数据点进行排序形成初始数据集，并计算初始数据集的均值和标准差，然后通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比x％的初始数据点形成第一数据集，并计算第一数据集的均值和标准差，以及第一数据集与初始数据集的第一均值偏差，将所述第一均值偏差与预设测量误差比对，当第一均值偏差小于等于预设测量误差时，根据初始数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率；当第一均值偏差大于预设测量误差时，通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比2x％的初始数据点形成第二数据集，并计算第二数据集的均值和标准差，以及第二数据集与第一数据集的第二均值偏差，将所述第二均值偏差与预设测量误差比对，当第二均值偏差小于等于预设测量误差时，根据第一数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率；当第二均值偏差大于预设测量误差时，再通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比3x％的初始数据点形成第三数据集，并计算第三数据集的均值和标准差，以及第三数据集与第二数据集的第三均值偏差，将所述第三均值偏差与预设测量误差比对，当第三均值偏差小于等于预设测量误差时，根据第二数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率，否则，以此类推，直到通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比nx％的初始数据点形成第n数据集，进行相同的判断以及比对处理，进而估计得到振弦信号频率。

8、优选地，所述振弦信号频率估计步骤中，当通过筛选算法从头部和尾部舍去的百分比nx％的初始数据点达到60％-70％的初始数据点时，形成第n数据集，并计算第n数据集的均值和标准差，以及第n数据集与第n-1数据集的第n均值偏差，将所述第n均值偏差与预设测量误差比对，当第n均值偏差小于等于预设测量误差时，根据第n-1数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率；当第n均值偏差大于预设测量误差时，则本次测量失败。

9、优选地，所述振弦自由振动信号产生步骤中，自由振动的振弦在频率测量线圈中产生的感生电动势信号依次经过电压放大、带通滤波和整形后，转换为方波信号，再经过光电隔离后转化为由单片机直接处理的脉冲方波信号。

10、优选地，所述振弦自由振动存续期间全过程捕获步骤采用的是具有输入捕获功能的stm32系列单片机，通过调用hal函数进行输入捕获初始化、配置捕获通道、启动输入捕获、停止输入捕获以及获取中断处理。

11、一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量装置，包括激振装置，所述激振装置对振弦式传感器的频率测量线圈两端施加激振信号，振弦在交变的电磁力作用下发生机械振动，其特征在于，还包括拾振装置，所述拾振装置包括依次连接的振弦自由振动信号产生模块、振弦自由振动存续期间全过程捕获模块以及振弦信号频率估计模块，所述激振装置停止激振信号，振弦开始自由振动，所述振弦自由振动信号产生模块，将自由振动的振弦在频率测量线圈中产生的感生电动势信号经处理转换为方波信号，再经过光电隔离后转化为脉冲方波信号，送入具有输入捕获功能的单片机的输入捕获引脚；所述振弦自由振动存续期间全过程捕获模块，通过具有输入捕获功能的单片机对振弦式传感器的振弦自由振动存续期间输入的脉冲方波信号的上升沿/下降沿进行全过程捕获，在脉冲方波信号的每个上升沿/下降沿，在单片机内均将当前定时器计数值自动存到捕获寄存器中，得到全过程捕获期间所有上升沿/下降沿时刻的定时器计数值系列；所述振弦信号频率估计模块，由所述具有输入捕获功能的单片机根据相邻两个捕获的定时器计数值之差得到待测脉冲方波信号的一个信号波形周期，进而计算得到全过程捕获期间每个脉冲方波信号的信号波形周期系列，再将各信号波形周期系列通过筛选算法估计得到振弦信号频率。

12、优选地，所述振弦信号频率估计模块中，在计算得到全过程捕获期间每个脉冲方波信号的信号波形周期系列后，先对信号波形周期系列作为若干初始数据点进行排序形成初始数据集，并计算初始数据集的均值和标准差，然后通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比x％的初始数据点形成第一数据集，并计算第一数据集的均值和标准差，以及第一数据集与初始数据集的第一均值偏差，将所述第一均值偏差与预设测量误差比对，当第一均值偏差小于等于预设测量误差时，根据初始数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率；当第一均值偏差大于预设测量误差时，通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比2x％的初始数据点形成第二数据集，并计算第二数据集的均值和标准差，以及第二数据集与第一数据集的第二均值偏差，将所述第二均值偏差与预设测量误差比对，当第二均值偏差小于等于预设测量误差时，根据第一数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率；当第二均值偏差大于预设测量误差时，再通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比3x％的初始数据点形成第三数据集，并计算第三数据集的均值和标准差，以及第三数据集与第二数据集的第三均值偏差，将所述第三均值偏差与预设测量误差比对，当第三均值偏差小于等于预设测量误差时，根据第二数据集的均值和标准差估计得到振弦信号频率，否则，以此类推，直到通过筛选算法从头部和尾部舍去百分比nx％的初始数据点形成第n数据集，进行相同的判断以及比对处理，进而估计得到振弦信号频率。

13、优选地，所述振弦信号频率估计模块中，是通过筛选算法从头部和尾部均舍去百分比2.5％的初始数据点共舍去5％的初始数据点形成第一数据集，通过筛选算法从头部和尾部均舍去百分比5％的初始数据点共舍去10％的初始数据点形成第二数据集，以及通过筛选算法从头部和尾部均舍去百分比7.5％的初始数据点共舍去15％的初始数据点形成第三数据集，以此类推，直至通过筛选算法从头部和尾部均舍去百分比30％的初始数据点共舍去60％的初始数据点形成第十二数据集，当计算出的12个均值偏差均大于预设测量误差时，则本次测量失败。

14、优选地，所述振弦自由振动信号产生模块包括依次连接的电压放大电路、带通滤波电路、整形电路和光电隔离电路，自由振动的振弦在频率测量线圈中产生的感生电动势信号依次经过电压放大、带通滤波和整形后，转换为方波信号，再经过光电隔离后转化为由单片机直接处理的脉冲方波信号，送入具有输入捕获功能的单片机的输入捕获引脚。

15、优选地，所述振弦自由振动存续期间全过程捕获模块包括具有输入捕获功能的stm32系列单片机，通过调用hal函数进行输入捕获初始化、配置捕获通道、启动输入捕获、停止输入捕获以及获取中断处理。

16、本发明的技术效果如下：

17、本发明涉及一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法，是应用于岩土工程安全监测仪器中的振弦式仪器频率测量的方法，包括：振弦自由振动信号产生步骤，在激振信号停止后，振弦开始自由振动，自由振动的振弦在频率测量线圈中产生的感生电动势信号经处理转换为方波信号，再经过光电隔离后转化为脉冲方波信号，送入具有输入捕获功能的单片机的输入捕获引脚，感生电动势信号转换为方波信号再光电隔离，既能有效地减少传输信号时的电气噪声和抑制干扰，增强抗电磁干扰性能，又能转换为后续单片机可直接处理的脉冲方波信号；振弦自由振动存续期间全过程捕获步骤，通过具有输入捕获功能的单片机对振弦式传感器的振弦自由振动存续期间输入的脉冲方波信号的上升沿/下降沿进行全过程捕获，即在激振信号停止后的整个振弦自由振动期间，通过具有输入捕获功能的单片机捕获振弦被激振后的全部响应，在单片机内均将当前定时器计数值自动存到捕获寄存器中，得到全过程捕获期间所有上升沿/下降沿时刻的定时器计数值系列；振弦信号频率估计步骤，根据相邻两个捕获的定时器计数值之差得到待测脉冲方波信号的一个信号波形周期，进而计算得到全过程捕获期间每个脉冲方波信号的信号波形周期系列，再将各信号波形周期系列通过筛选算法估计得到振弦信号频率。本发明提高了振弦式仪器频率测量的准确度：通过具有输入捕获功能的单片机对钢弦振动在测量线圈中产生的全部感生电动势信号转化的每一个脉冲信号的全过程捕获以及分析整个方波信号持续时间内所有上升沿(或下降沿)的捕获定时器计数值，可理解为是一种振弦自由振动存续期间的全过程捕获+数据分析与处理的振弦式仪器频率估计方法，基于脉冲计数原理，在激振信号停止后的整个振弦自由振动期间，通过具有输入捕获功能的单片机捕获振弦被激振后的全部响应，进而对全部响应的数据通过筛选算法分析与处理估计振弦信号的频率，在测频的准确度方面，优于基于脉冲计数的等精度频率测量方法，且本发明方法可以适应各种类型的振弦式传感器的频率测量，可以作为一种优化方案广泛推广，具有一定的岩土工程应用前景。

18、本发明增强了振弦式仪器频率测量的适应能力：常规的基于脉冲计数原理的等精度测频方法，往往设定一个相对固定时间段δt(如300-400ms)，通过同时计数δt内的感生电动势信号和时基信号的个数来进行测频。这会带来两个局限性，一是测频选择的固定时间段δt是整个振弦自由振动时间段的一部分，存在选择不当的问题；二是振弦式仪器千差万别，激振后感生电动势的持续时间因不同的传感器或传感器处于不同的受力状态而不同，选择一个相对固定的时间段δt不能适应所有情况。本发明通过全过程捕获振弦式仪器被激振后自由振动的整个时间段内感生电动势信号转化的每一个脉冲信号的频率，不会因为信号持续时间的差异而改变，可以很好地解决上述问题。

19、本发明增强了振弦式仪器频率测量的抗电磁干扰能力：基于脉冲计数原理的等精度测频方法，如果在测量过程中，受到电磁干扰，干扰信号进入测量环节的直接影响就是方波的上升沿和下降沿出现抖动，抖动会造成定时器的误触发，且这个计数器错误的计数值是无法剔除的，会直接导致频率测量误差或错误。本发明通过捕获振弦整个自由振动期间全部感生电动势信号转化的每一个脉冲信号的频率，虽然从单个或有限个捕获过程来说，由于待测脉冲信号受到电磁干扰，上升沿或下降沿的抖动也会引起捕获错误，但局部错误不会破坏整体，单个或有限个脉冲的捕获错误能够通过后续振弦信号频率估计步骤的数据处理筛选剔除掉。因此，偶发的电磁干扰不会影响整个测量过程的频率估计，大大提高了频率测量的抗电磁干扰能力。

20、本发明还涉及一种抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量装置，该装置与上述的抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法相对应，可以理解为是实现上述的抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量方法的装置，包括激振装置和拾振装置，其拾振装置包括依次连接的振弦自由振动信号产生模块、振弦自由振动存续期间全过程捕获模块以及振弦信号频率估计模块，各模块相互协同工作，依次产生振弦自由振动信号、振弦自由振动存续期间全过程捕获和振弦信号频率估计，在激振信号停止后，在整个振弦的自由振动期间，通过具有输入捕获功能的单片机捕获自由振动期间在频率测量线圈中产生的全部感生电动势信号转化的每一个脉冲信号频率，通过筛选算法估计振弦信号的频率，形成一种振弦自由振动存续期间的全过程捕获+数据分析与处理的振弦式仪器频率估计装置，解决了目前基于脉冲计数原理的等精度测频方案在波形不稳、时间间隔选择不当以及受电磁干扰时导致频率测量的误差甚至错误等问题，同时还避免了现有的频谱分析的测频方法存在硬件资源要求高且分析信号频率的算法比较复杂等问题，本发明在基于脉冲计数原理测频的基础上进行改进，在激振信号停止后的整个振弦自由振动期间，通过具有输入捕获功能的单片机捕获振弦被激振后的全部响应，进而对全部响应的数据通过筛选算法分析与处理估计振弦信号的频率，提高了振弦式仪器频率测量的准确度，经验证，本发明在频率测量的准确度方面优于基于计数测频的等精度测频装置。

21、本发明抗电磁干扰的振弦式传感器频率测量装置也为一种基于单片机输入捕获测频的抗电磁干扰的振弦式仪器频率筛选和估计装置，其振弦自由振动信号产生模块优选包括依次连接的电压放大电路、带通滤波电路、整形电路和光电隔离电路，振弦自由振动存续期间全过程捕获模块和振弦信号频率估计模块主要是带有输入捕获功能的单片机的全过程捕获+数据分析与处理，故该频率测量装置进一步可理解为是由电压放大电路、带通滤波电路、整形电路、光电隔离电路和带有输入捕获功能的单片机组成。电压放大电路把拾振线圈中由于电磁感应产生的微弱电动势放大；带通滤波电路实现带宽400-6000hz的滤波；整形电路把经放大和滤波的正弦信号转换为方波信号；光电隔离电路实现了单片机数字电路和振弦式仪器模拟信号处理电路的隔离，增强了电路的抗电磁干扰能力，并把整形电路输出的方波信号转化为单片机可直接处理的脉冲方波信号；带有输入捕获功能的单片机完成脉冲方波信号的上升沿或下降沿捕获。进一步地，振弦自由振动存续期间全过程捕获模块包括具有输入捕获功能的stm32系列单片机，通过调用hal函数进行输入捕获初始化、配置捕获通道、启动输入捕获、停止输入捕获以及获取中断处理。具有输入捕获功能的stm32系列单片机在捕获到信号的上升沿或下降沿时可以立即获取当前定时计数器的值，从而计算出精确的时间或脉冲宽度；并支持多种捕获模式和输入通道配置，比如可以捕获单边沿(上升沿或下降沿)、双边沿(上升和下降沿同时捕获)等捕获模式，以适应不同的应用需求；具有输入捕获功能的stm32系列单片机捕获功能可设计为使用硬件定时器和低功耗模式相结合，以实现高效的功耗管理，在进行周期性事件测量或时间触发的应用中，捕获功能能够在最小的功耗消耗下运行；且其捕获功能可以配置为使用中断或dma(直接存储器访问)，使得在捕获事件发生时能够及时响应并处理。