[发明专利]一种基于汉宁双窗的振弦传感器共振频率测量方法

说明书

本发明提供一种基于汉宁双窗的振弦传感器共振频率测量算法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：将振弦传感器的振动信号转换为振动信号离散序列；进行双窗全相位快速傅里叶变换得到振动信号离散谱；将窗函数设为汉宁双窗对窗函数进行归一化离散傅里叶变换；代入振动信号离散谱得到振动信号的汉宁双窗全相位傅里叶变换谱线幅值；比较两根旁谱线索引的频谱幅值大小；结合比较结果根据振动信号的汉宁双窗全相位傅里叶变换谱线幅值计算频率校正量；根据频率校正量、离散谱中峰值谱线的索引和数字角频率的分辨率计算数字角频率；根据数字角频率和采样频率计算振弦传感器的共振频率。本发明的测量算法可以提高对振弦传感器共振频率的测量精度。

技术领域

本发明涉及振弦传感器技术领域，具体涉及一种基于汉宁双窗的振弦传感器共振频率测量方法。

背景技术

在现有的基础设施应力应变自动化监测系统中，通常使用振弦传感器，通过振弦数据采集系统实现对振弦传感器共振频率的测量，测量方法一般可分为基于时域信号的频率测量法和基于数字信号频谱分析的测频法两种。

对于基于时域信号的频率测量法，当振弦传感器受到环境干扰情况下，时域信号将受噪声影响，整形之后的方波将有很大误差，会得出错误的测量结果；所以，目前对于振弦传感器共振频率的测量，更多时候采用的是基于数字信号频谱分析的测频法，该方法具体如下：数字信号处理系统获取到采样后的离散时域信号后，经过快速傅立叶变换(FFT)算法，分析信号的频谱情况，通过寻找最高谱线的位置进行振弦信号共振频率的估计。

对于上述基于数字信号频谱分析的测频法，使用FFT算法对振弦传感器共振频率进行测量，其优势在于抗干扰能力更强，但同时该方法存在计算量大的问题，FFT算法复杂度远高于时域测频法，因此对嵌入式测量系统提出更高要求；并且频谱分析测频法由于采用FFT算法，还会存在以下问题：受限于硬件计算能力，采样点数不够会导致频谱分辨率低；由于存在栅栏效应，较低的频谱分辨率会导致最终的频率测量结果误差较大。栅栏效应如图1所示，竖线表示离散频率的幅度值，圆点表示实际真实连续频谱信号的幅度值，从图1中可以看出，真实的峰值幅度被栅栏掩盖，实际测量的峰值并不是真实的频谱幅度峰值。FFT算法还会存在频谱泄露，频谱泄露引起的谱间干扰也会影响频率测量精度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于汉宁双窗的振弦传感器共振频率测量方法，以解决现有技术中存在的频谱分析测频法由于采用FFT算法，栅栏效应以及频谱泄露会使最终的频率测量结果出现较大误差的技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种基于汉宁双窗的振弦传感器共振频率测量算法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：

将振弦传感器的振动信号转换为振动信号离散序列；

对振动信号离散序列进行双窗全相位快速傅里叶变换，得到振动信号离散谱；

将振动信号离散谱中的窗函数设为汉宁双窗，对窗函数进行归一化离散傅里叶变换；

将经过归一化离散傅里叶变换的汉宁双窗代入振动信号离散谱，得到振动信号的汉宁双窗全相位傅里叶变换谱线幅值；

比较两根旁谱线索引的频谱幅值大小；结合比较结果，根据振动信号的汉宁双窗全相位傅里叶变换谱线幅值计算频率校正量；

根据频率校正量、离散谱中峰值谱线的索引和数字角频率的分辨率计算数字角频率；

根据数字角频率和采样频率计算振弦传感器的共振频率。

结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，振动信号离散序列如下式：

在上式中，π为圆周率，f₀为信号频率，f_s为采样率，θ₀为信号初相角，N为采样点数。