[发明专利]使用频谱分析的振弦式传感器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及传感器。更具体地，本发明的实施方案涉及振 弦仪(vibrating wire gauges)。

背景技术

振弦仪被广泛使用于各种应用中，包括测量建设项目中的各种性 能和力的大小，包括建筑，桥梁，水坝，桩，隧道衬砌，管道，锚固 及其它。该振弦仪已经适于监测应力，应变，挠度，压力，位移，液 位，角运动和温度。尽管进步的技术已经产生了其它种类的传感器， 由于该传感器的长期可靠性，振弦仪经常被认为是用于许多环境中的 最佳传感器。

该振弦仪一般按振弦原则工作，该振弦式原则规定当弦(wire) 被拨动时以它的共振频率振动。该共振频率由v=n2lσμ]]>确定，其中ν 是以周期/时间计的频率，n是基本(非谐振)振动模式的1个周期， l是该弦的长度，σ是以力/面积计的弦张力(或应力)，且μ是该弦 以体积/长度计的长度密度。将该振弦仪构建为使弦在小的直径内处 于拉伸的状态，是被焊接或以其它方式连接到结构元件的薄壁管。电 磁线圈用于拨动或激励该弦，并测量振动的频率。然后通常通过使用 一系列的校准因子将该频率用于计算任何数量的该结构元件的物理 性质。

在传统的系统中，通过在特定的时间周期内基于零交叉点的数量 或波形经过零振幅点的次数测量该振动的平均周期，来计算该振动的 频率。虽然这些方法计算效率高，然而由于这些方法不能区分弦共振 和外部噪声源因此它们经常发生错误。尤其，具有比该振弦更小的振 幅和不同频率的噪声源会引入大量的错误。

因此，需要能够确定具有改善对外部噪声源的抑制及改善的精度 的振弦式传感器(vibrating wire sensors)的共振频率的新方法。

发明内容

本发明涉及振弦仪。更具体地，本发明涉及一种用于分析振弦仪 (vibratory wire gauges)中振弦(vibratory wires)的共振频率的改进 的方法和系统。根据本发明的优选实施方案，振弦的共振频率通过使 用将该被激励的弦的响应数字化的接口确定。然后通过变换将该数字 化的响应转化成频谱。最终，从该变换的谱确定该振弦的共振频率。 使用这种方法，外部噪声源能够被隔离，以使该振弦的共振频率被该 系统更精确地表征。

例如，许多系统包括用于测量某些物理特性(例如应变、压力等 等)的振弦仪。该振弦仪中的振弦的共振频率通常与该物理特性相关。 在一个例子中，激励振弦，且将响应数字化。然后该被数字化的响应 经历变换，以便产生频谱。然后可以使用从该被数字化的响应的变换 产生的频谱确定或估计该振弦的响应的频率。

在另一个例子中，该被数字化的响应被转换为频谱。然后，对该 频谱实施插值处理，以确定或估计该振弦仪中的振弦的共振频率。

一旦确定或估计出该共振频率，该共振频率能够被用于各种目 的。例如，该振弦仪可以连接于结构元件，且该共振频率能够被用于 测量或估计该系统中的物理性质，例如应变，应力，荷载，挠度，流 体或空气压力，位移，液位，角旋转，流体流动，降水量，风速，降 雨，或雪水当量。在其它一些结构中，该振弦仪可以是孤立的，意味 着该振弦仪不与任何结构元件连接，例如在用振弦仪测量温度或压力 的结构中。

本发明的这些和其它的优势和特征将由随后的描述和所附的权 利要求更全面地显示，或者可以通过以下所列的本发明的实施来获 知。

附图说明

为了进一步阐明本发明的以上和其它的优势和特征，将参考附图 中图示的其具体实施方式提供本发明的更具体的说明。可以理解，这 些附图仅描述本发明的典型实施方式，因此其不用于限制它的范围。 将通过使用附图以更多的特性和细节描述并解释本发明，其中：

图1例示了适于与本发明相关的使用的示例性振弦仪；

图2例示了根据本发明估计振弦仪中振弦的共振频率的方法和系 统；