專利名稱：使用頻譜分析的振弦式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及傳感器。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施方案涉及振
背景技術(shù)：
振弦儀被廣泛使用于各種應(yīng)用中，包括測(cè)量建設(shè)項(xiàng)目中的各種性 能和力的大小，包括建筑，橋梁，水壩，樁，隧道襯砌，管道，錨固 及其它。該振弦儀已經(jīng)適于監(jiān)測(cè)應(yīng)力，應(yīng)變，撓度，壓力，位移，液 位，角運(yùn)動(dòng)和溫度。盡管進(jìn)步的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了其它種類的傳感器， 由于該傳感器的長(zhǎng)期可靠性，振弦儀經(jīng)常被認(rèn)為是用于許多環(huán)境中的 最佳傳感器。
該振弦儀一般按振弦原則工作，該振弦式原則規(guī)定當(dāng)弦(wire)
被撥動(dòng)時(shí)以它的共振頻率振動(dòng)。該共振頻率由 2"〃確定，其中" 是以周期/時(shí)間計(jì)的頻率，"是基本(非諧振)振動(dòng)模式的l個(gè)周期， Z是該弦的長(zhǎng)度，"是以力/面積計(jì)的弦張力(或應(yīng)力)，且^是該弦 以體積/長(zhǎng)度計(jì)的長(zhǎng)度密度。將該振弦儀構(gòu)建為使弦在小的直徑內(nèi)處 于拉伸的狀態(tài)，是被焊接或以其它方式連接到結(jié)構(gòu)元件的薄壁管。電 磁線圈用于撥動(dòng)或激勵(lì)該弦，并測(cè)量振動(dòng)的頻率。然后通常通過使用 一系列的校準(zhǔn)因子將該頻率用于計(jì)算任何數(shù)量的該結(jié)構(gòu)元件的物理 性質(zhì)。
在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，通過在特定的時(shí)間周期內(nèi)基于零交叉點(diǎn)的數(shù)量 或波形經(jīng)過零振幅點(diǎn)的次數(shù)測(cè)量該振動(dòng)的平均周期，來計(jì)算該振動(dòng)的頻率。雖然這些方法計(jì)算效率高，然而由于這些方法不能區(qū)分弦共振
和外部噪聲源因此它們經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)誤。尤其，具有比該振弦更小的振 幅和不同頻率的噪聲源會(huì)引入大量的錯(cuò)誤。
因此，需要能夠確定具有改善對(duì)外部噪聲源的抑制及改善的精度
的振弦式傳感器(vibrating wire sensors )的共振頻率的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及振弦儀。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于分析振弦儀 (vibratory wire gauges )中振弦(vibratory wires )的共振頻率的改進(jìn)
的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，振弦的共振頻率通過使 用將該被激勵(lì)的弦的響應(yīng)數(shù)字化的接口確定。然后通過變換將該數(shù)字 化的響應(yīng)轉(zhuǎn)化成頻譜。最終，從該變換的譜確定該振弦的共振頻率。 使用這種方法，外部噪聲源能夠被隔離，以使該振弦的共振頻率被該 系統(tǒng)更精確地表征。
例如，許多系統(tǒng)包括用于測(cè)量某些物理特性(例如應(yīng)變、壓力等 等)的振弦儀。該振弦儀中的振弦的共振頻率通常與該物理特性相關(guān)。 在一個(gè)例子中，激勵(lì)振弦，且將響應(yīng)數(shù)字化。然后該被數(shù)字化的響應(yīng) 經(jīng)歷變換，以便產(chǎn)生頻譜。然后可以使用從該被數(shù)字化的響應(yīng)的變換 產(chǎn)生的頻譜確定或估計(jì)該振弦的響應(yīng)的頻率。
在另一個(gè)例子中，該被數(shù)字化的響應(yīng)被轉(zhuǎn)換為頻譜。然后，對(duì)該 頻譜實(shí)施插值處理，以確定或估計(jì)該振弦儀中的振弦的共振頻率。
一旦確定或估計(jì)出該共振頻率，該共振頻率能夠被用于各種目 的。例如，該振弦儀可以連接于結(jié)構(gòu)元件，且該共振頻率能夠被用于 測(cè)量或估計(jì)該系統(tǒng)中的物理性質(zhì)，例如應(yīng)變，應(yīng)力，荷載，撓度，流 體或空氣壓力，位移，液位，角旋轉(zhuǎn)，流體流動(dòng)，降水量，風(fēng)速，降 雨，或雪水當(dāng)量。在其它一些結(jié)構(gòu)中，該振弦儀可以是孤立的，意味 著該振弦儀不與任何結(jié)構(gòu)元件連接，例如在用振弦儀測(cè)量溫度或壓力 的結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明的這些和其它的優(yōu)勢(shì)和特征將由隨后的描述和所附的權(quán) 利要求更全面地顯示，或者可以通過以下所列的本發(fā)明的實(shí)施來獲 知。


為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的以上和其它的優(yōu)勢(shì)和特征，將參考附圖 中圖示的其具體實(shí)施方式
提供本發(fā)明的更具體的說明。可以理解，這
些附圖僅描述本發(fā)明的典型實(shí)施方式，因此其不用于限制它的范圍。
將通過使用附圖以更多的特性和細(xì)節(jié)描述并解釋本發(fā)明，其中 圖l例示了適于與本發(fā)明相關(guān)的使用的示例性振弦儀； 圖2例示了根據(jù)本發(fā)明估計(jì)振弦儀中振弦的共振頻率的方法和系
統(tǒng)；
圖3是例示了與目前本領(lǐng)域中使用的零填充插值級(jí)數(shù)相比，原始 數(shù)據(jù)的頻譜的圖表；
圖4是例示了圖3中顯示的譜峰的放大的圖表；
圖5是在有負(fù)載應(yīng)變儀的情況下比較目前本領(lǐng)域中使用的周期平 均或零交叉點(diǎn)方法的結(jié)果與在本發(fā)明中描述的譜插值法的結(jié)果的圖
表；
圖6是用放大的x和y軸進(jìn)一步比較圖5的結(jié)果以顯示這兩種方法 的細(xì)微偏差的圖表；
圖7是例示了在釆樣間隔期間打開位于距離該振弦儀大約6英寸 的電鉆時(shí)所產(chǎn)生的釆樣振弦儀結(jié)果的圖表；
圖8是用放大的x和y軸進(jìn)一步比較圖7的結(jié)果以顯示這兩種方法 的偏差的圖表；
圖9是顯示依據(jù)目前本領(lǐng)域使用的周期平均法以及本發(fā)明的方法 進(jìn)行采樣振弦儀頻率估計(jì)的結(jié)果的圖表；
圖10例示了圖9中使用的振弦實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在數(shù)據(jù)已經(jīng)被去除線 性分量(detrend)以及被平均消減后，使用本發(fā)明披露的譜插值法；圖11例示了圖9中使用的振弦實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在數(shù)據(jù)已經(jīng)被去除線 性分量以及被平均消減后，使用本發(fā)明披露的周期平均法；
圖12例示了使用具有外部噪聲源的256點(diǎn)的樣本的譜插值法； 圖13例示了使用具有外部噪聲源的512點(diǎn)的樣本的譜插值法； 圖14例示了使用具有外部噪聲源的1024點(diǎn)的樣本的譜插值法； 圖15例示了使用具有外部噪聲源的2048點(diǎn)的樣本的譜插值法； 圖16例示了使用具有外部噪聲源的4096點(diǎn)的樣本的譜插值法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及振弦儀和使用頻譜分析確定該振弦的共 振頻率的方法。如以上簡(jiǎn)要描述的，本發(fā)明適于與振弦儀相關(guān)的使用。 更具體地，本發(fā)明適用于通過振動(dòng)計(jì)(vibratory gauge)機(jī)制收集的 原始響應(yīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的數(shù)據(jù)，以及將該數(shù)字化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成該振弦 的共振頻率的精確估計(jì)。如前所述，該振弦的共振頻率能夠被用于計(jì) 算或估計(jì)任意數(shù)量的性質(zhì)，包括但不限于應(yīng)變，應(yīng)力，荷載，撓度， 氣體壓力，流體壓力，位移，液位，角旋轉(zhuǎn)，溫度，風(fēng)速，流體流動(dòng)， 降水，雪水當(dāng)量等等或其任意組合。
圖l示出適于與本發(fā)明相關(guān)的使用的振弦儀的一種實(shí)施方案的示 意圖。根據(jù)本發(fā)明的披露，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解本發(fā)明的實(shí)施 方案在線規(guī)傳感器(wire gauge sensors )的各種變型和其它類型產(chǎn)生 與共振頻率相關(guān)的數(shù)據(jù)的傳感器中的應(yīng)用。更具體的討論如下，本發(fā) 明的方法和系統(tǒng)可以與任意數(shù)量的振弦結(jié)構(gòu) 一 起使用。
例如，振弦儀也可以用于該振弦儀不與任何結(jié)構(gòu)元件連接的結(jié)構(gòu) 中。例如，溫度計(jì)可以通過測(cè)量和計(jì)算振弦和支撐該弦的材料兩者(兩 者均被認(rèn)為是本領(lǐng)域中的"振弦儀"的元件)的不同的熱膨脹系數(shù)來 計(jì)算該振弦儀周圍的溫度。在另一種結(jié)構(gòu)中，振弦可以測(cè)量不附接于 任何結(jié)構(gòu)元件的系統(tǒng)的壓力。在一種壓力計(jì)結(jié)構(gòu)中，振弦儀包括一端 被固定且另一端連接于隔板的振弦。當(dāng)隔板響應(yīng)于壓力變化而彎曲時(shí)，振弦儀測(cè)量系統(tǒng)的壓力。因此，該振弦儀可以被用于任意數(shù)量的 與本發(fā)明相關(guān)的結(jié)構(gòu)中，且不限于該振弦儀附接于結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)。 因此，圖l示出了能夠測(cè)量結(jié)構(gòu)元件上的應(yīng)變的系統(tǒng)，但僅通過 例示的方式列入，且可以代表任意數(shù)量的振弦儀結(jié)構(gòu)。
一般地，振弦
應(yīng)變計(jì)35,例如圖l中畫出的那個(gè)，包括振弦12,在兩個(gè)固定裝置20
之間拉緊，每個(gè)被附著于被測(cè)量的混凝土、巖石、土壤，或結(jié)構(gòu)元件
40。該兩個(gè)固定裝置20可以被附著于結(jié)構(gòu)元件40，結(jié)構(gòu)元件40使用任 意數(shù)量的附著方法，例如焊接、螺栓連接，捆扎等。如前所述，通常 在測(cè)量該結(jié)構(gòu)元件40的應(yīng)變時(shí)激勵(lì)或撥動(dòng)該應(yīng)變計(jì)35的振弦12。 一種 激勵(lì)或撥動(dòng)該振弦12的方法曾經(jīng)是通過弦12提供足夠的電流，以提供 磁場(chǎng)來移動(dòng)來自初始或靜止位置的弦12的中心。在這個(gè)例子中，位于 振弦12上面的電線圏15用于"撥動(dòng)"振弦12。 一旦該弦被移動(dòng)10(如 虛線所示)，電流被切斷且弦12以它的共振頻率自由振動(dòng)。如前所述， 該振動(dòng)頻率與振弦12中的張力或應(yīng)變有關(guān)。
通過鄰近振弦安裝的拾音傳感器(pickup sensor) 25檢測(cè)振動(dòng)的 固有頻率。該拾音傳感器25通常包括位于電線圈中心的磁體。如圖， 用于拾音傳感器25的該線圈可以與用于撥動(dòng)振弦12的線圈相同?；?者，該拾音傳感器25可以與用于撥動(dòng)該弦12的線圈15分離。
該拾音傳感器25通常與用于測(cè)量弦的頻率的頻率計(jì)數(shù)器相連接。 根據(jù)振弦原理，如果固定裝置20之間的距離"L"改變，無論由于膨 脹、壓縮，或其它原因，將在振弦12上存在應(yīng)變或張力的改變，因此 有振弦12的共振頻率的改變。
當(dāng)測(cè)量該振弦12的頻率時(shí)，通過信號(hào)鉛皮電纜22將信號(hào)傳輸至數(shù) 據(jù)釆集系統(tǒng)，或數(shù)據(jù)記錄器，以及具有用于將該頻率顯示給用戶的用 戶界面的計(jì)算機(jī)處理單元。這里，該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理單元， 以及用戶界面都被作為中心處理單元30顯示，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以理解這些處理可以被單獨(dú)設(shè)置、移除或者合并，以組成能夠利用本發(fā)明的任意數(shù)量的不同結(jié)構(gòu)。
如前面提到的，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可以修改該振弦 儀的具體元件和結(jié)構(gòu)。例如，可以將振弦的一端附著于隔板以測(cè)量壓 力，或者在另一種結(jié)構(gòu)中，可以將振弦的兩端附著于與被設(shè)計(jì)以測(cè)量 溫度的系統(tǒng)中的振弦具有不同的膨脹系數(shù)的材料。在這些結(jié)構(gòu)的每一 種中，撥動(dòng)振弦，測(cè)量它的響應(yīng)，并以與圖l中例示的結(jié)構(gòu)相似的方 式傳輸。
在描述該振弦儀后面的基本機(jī)構(gòu)之后，圖2例示了用于分析振弦
的共振頻率的方法200的一種實(shí)施方案。在這個(gè)例子中，通常使用模 數(shù)轉(zhuǎn)換器將該被激勵(lì)的弦的響應(yīng)捕獲210并數(shù)字化。在接收該數(shù)字化 的響應(yīng)之后，對(duì)該數(shù)字化的響應(yīng)實(shí)施變換220,以生成頻譜。根據(jù)一 種實(shí)施方案，該變換包括傅里葉變換，更具體地該變換為快速傅里葉 變換225。接下來，該頻譜被用于確定230振弦的共振頻率。根據(jù)一種 實(shí)施方案，使用插值法，且更具體地，該插值方法可以是譜插值方法 235，例如下面描述的這個(gè)。換句話說，該插值法可以被用于確定被 激勵(lì)的弦的共振頻率，然后該共振頻率可以被用于計(jì)算結(jié)構(gòu)元件的各 種性質(zhì)。
有利的是，這個(gè)方法可以基于頻率內(nèi)容從噪聲中辨識(shí)信號(hào)。例如， 處于完全不同頻率的噪聲源可能在它影響該共振頻率的測(cè)量之前接 近與該弦共振相同的幅度。由于噪聲往往不接近該相同的振幅，可以 基于頻率內(nèi)容從該共振信號(hào)辨識(shí)噪聲。弦譜分析的例子有利地提供對(duì) 外部噪聲源的提高抑制，否則該外部噪聲源將影響共振測(cè)量，該例子 還改善測(cè)量的精度。
盡管其它的變換方法可以相關(guān)于本發(fā)明使用，但是傅里葉變換， 且更具體地，離散傅里葉變換(DFTs)經(jīng)常被用于信號(hào)處理以及相 關(guān)領(lǐng)域，以分析釆樣信號(hào)的頻率。 一般地，"J序列代表某一信號(hào)^) 的均勻間隔時(shí)間釆樣的有限集，其中t代表時(shí)間。由于使用一系列離散時(shí)間間隔代替連續(xù)時(shí)間采樣，且由于該釆樣僅僅為有限時(shí)段而記 錄，所以變換包含失真。為了提高所釆樣的頻率軸的分辨率，現(xiàn)有的 算法經(jīng)常需要更大的數(shù)據(jù)釆樣或者利用被稱為"零值填充"的過程， 其中為了得到加長(zhǎng)的時(shí)間釆樣，將零值的"采樣"添加到原始時(shí)間采 樣的末端。
圖3是例示了與零填充插值序列350 ( 16M個(gè)點(diǎn))相比原始數(shù)據(jù)點(diǎn) 300 (使用4K個(gè)點(diǎn))的譜的圖表。如圖所示，相對(duì)于該原始時(shí)間序列 所提供的，該零填充插值方法400提供更大的分辨率，且提供對(duì)譜峰 更精確的估計(jì)，如圖4所示。然而，不幸的是，該零填充方案需要大 的處理次數(shù)，以計(jì)算額外加入的點(diǎn)的結(jié)果，且計(jì)算成本高昂。相似地， 需要更大量數(shù)據(jù)釆樣的集合的算法也將需要額外的處理時(shí)間。另外， 振弦的響應(yīng)通常在被激勵(lì)之后衰減，限制每個(gè)響應(yīng)中的數(shù)據(jù)釆樣點(diǎn)的 可使用的數(shù)量。因此， 一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)方面是計(jì)算出具有可與使 用零值填充和增加的數(shù)據(jù)釆樣算法得到的結(jié)果相匹敵的分辨率和精 度的結(jié)果、具有更快處理速度的能力。
在本領(lǐng)域中可獲得許多適于結(jié)合本發(fā)明使用的傅里葉變換算法。 更具體地，快速傅里葉變換(FFT)算法很好地適合于需要高處理速 度的環(huán)境。 一種可以結(jié)合本發(fā)明使用該FFT是基2 ( radix-2 ) FFT算法， 或者類似的Cooley-Tukey算法，其中計(jì)算機(jī)處理器將許多數(shù)據(jù)點(diǎn)的 DFT遞歸地分解為許多更小的、計(jì)算量小的變換。
盡管 一 些譜插值方法可以被用作額外的步驟，以提供更高的分辨 率，然而譜峰的位置估計(jì)算法，例如在Richard G. Lyons的 "Understanding Digital Signal Processing" 中描述的算法尤其適用于 快速且高效地估計(jì)振弦的頻率。該算法，其中將中心頻率表示為 w—=M「，柳，其中rea柳是校正因子S的實(shí)部，校正因子S被定義 為其中mk是最大幅值釆樣l X(mk) l的整數(shù)指數(shù)。值X(mw)和 X(mk+0是峰值采樣的任一側(cè)的復(fù)數(shù)頻譜釆樣?；谠搹?fù)數(shù)譜值，計(jì)算
信號(hào)基于指數(shù)的頻率mpeak,且將mpeak應(yīng)用于公式
以提供以Hz計(jì)(in Hz)的頻率估計(jì)，其中fs是釆樣率且N是x(t) 的長(zhǎng)度。
圖5是比較目前本領(lǐng)域中使用的脈沖計(jì)數(shù)或者零交叉法500的結(jié) 果，以及在加載應(yīng)變儀的情況下本發(fā)明中所描述的譜插值方法550的 結(jié)果的圖表。如圖所示，兩種方法得到了相似的精確度的結(jié)果。圖6 是用放大的x和y軸進(jìn)一步比較圖5的結(jié)果以顯示這兩種方法的細(xì)微偏 差的圖表。如圖5中所示，譜插值方法600提供與周期平均法650相比， 相似的精確度。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的另外一方面是與那些目前使用周期平 均法實(shí)現(xiàn)的方案相比改善的噪聲抑制性能。圖7是例示出在釆樣間隔 期間當(dāng)位于離應(yīng)變計(jì)大約6英寸處的電鉆被打開時(shí)產(chǎn)生的樣本振弦儀 結(jié)果的圖表。操作該電鉆所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)例示了通?？赡茉跇?biāo)準(zhǔn)使用 和操作計(jì)量器期間發(fā)生的典型的電干擾。如圖7所示，周期平均法700 在測(cè)量為無噪聲條件期間讀數(shù)的+135%至-29%的噪聲條件期間返回 誤差。圖7也包括在相同條件下的譜插值法750的結(jié)果的曲線圖。圖8 中顯示了對(duì)譜插值方法800的圖7的結(jié)果的放大圖，其中該譜插值方法 800在無噪聲條件期間的讀數(shù)的±0.02%百分比的范圍內(nèi)返回誤差結(jié) 果。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是振弦應(yīng)變計(jì)的結(jié)果的改善的分辨率。如圖 9所示，譜插值方法950可以提供目前在本領(lǐng)域中使用的0.1Hz標(biāo)準(zhǔn)內(nèi) 的分辨率，在安靜條件下超過要求1000的系數(shù)。經(jīng)比較，圖9也顯示 了在相同振弦實(shí)驗(yàn)期間使用的周期平均法900的結(jié)果。如圖所示，該 周期平均法900提供了精確度較低的結(jié)果，在安靜條件下僅超過0.1Hz的要求125的系數(shù)。
更具體地，圖10例示出圖9中使用的振弦實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在將數(shù)據(jù)去 除線性分量且平均消減后使用譜插值方法1000。該去除線性分量的數(shù) 據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是O.OMmHz (0.0S5 x 10_3 Hz) rms。經(jīng)比較，圖ll例示 出圖9中使用的同一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在該結(jié)果被去除線性分量并平均消 減后，使用周期平均法IIOO。如圖所示，該周期平均法1100的精度較 低，具有7.9 mHz rms的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，該譜插值方法提供比本領(lǐng) 域中使用的現(xiàn)有方法更好的精確度。
如前所述，本發(fā)明的一方面是與目前本領(lǐng)域中使用的標(biāo)準(zhǔn)周期平 均法相比在噪聲條件下振弦頻率結(jié)果的增強(qiáng)的抗擾度。本發(fā)明的另一 方面是隨著本發(fā)明中公開的插值方法中使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的增加，提 供逐漸提高的抗擾度結(jié)果的能力。圖12至16例示出對(duì)于該方法中使用 的各種數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來說，譜插值方法改善的噪聲抗擾度。 圖12例示了具有在3510和3570秒之間打開的外部噪聲源時(shí)使用256點(diǎn) 樣本的譜插值方法1200。如圖所示，噪聲所致的誤差是+4.5Hz和-6.0 Hz。經(jīng)比較，圖13例示出在相同實(shí)驗(yàn)期間使用512點(diǎn)樣本的譜插值方 法1300。在512-點(diǎn)的方法1300中，該噪聲所致的誤差是+1.3 Hz和-1.3 Hz。類似地，圖14例示了在相同實(shí)驗(yàn)期間使用1024點(diǎn)樣本的譜插值方 法1400，并例示了+0.45 Hz和-0.29 Hz的噪聲所致誤差。圖15例示了 使用2048點(diǎn)樣本的方法1500并返回+0.18 Hz和-0.28 Hz的噪聲所致誤 差，以及圖16例示了使用4096點(diǎn)樣本的方法1600并返回+0.077 Hz和 -0.069Hz的誤差。因此，在用于本方法中的數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量增加時(shí)， 依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的方法產(chǎn)生了改善的噪聲抗擾性。
如此處更具體討論的，或者如一普通技術(shù)人員所知的，本發(fā)明的 實(shí)施方案可以包括，或者使用專用或者通用計(jì)算機(jī)、處理器、或者包 括各種計(jì)算機(jī)硬件和設(shè)備的邏輯設(shè)備來實(shí)施。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的 實(shí)施方案也可以包括計(jì)算機(jī)可讀媒體，其載有或具有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令或存儲(chǔ)于其上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些計(jì)算機(jī)可讀媒體可以為能夠被通用 計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)，或者邏輯設(shè)備所存取的任意可用媒體。舉例來
說，但不作為限制，這些計(jì)算機(jī)可讀媒體可以包括RAM、 ROM、
EEPROM、 CD-ROM或其它光盤存儲(chǔ)器、磁盤存儲(chǔ)器或其它磁存儲(chǔ)設(shè)
備，或者其它可以被用于裝載或者存儲(chǔ)以計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令或者數(shù)據(jù)
結(jié)構(gòu)的形式存在的期望的程序代碼工具且可以被通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)
算機(jī)，或其它邏輯設(shè)備存取的任意媒體。當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)或其它通信連接
(硬連線、無線，或硬連線或無線的結(jié)合)來將信息傳輸或提供給計(jì)
算機(jī)時(shí)，閱讀者可以適當(dāng)?shù)貙⒃撨B接看作計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。因此，任
何這些連接可以被適當(dāng)?shù)胤Q為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。上述的各種結(jié)合也應(yīng)
該被包括在計(jì)算機(jī)可讀媒體的范圍內(nèi)。計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令包括，例如，
使得通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)，或邏輯設(shè)備執(zhí)行某種功能或功能集合
的指令、邏輯、和數(shù)據(jù)。
此處描述的每種處理器可以為單個(gè)的傳統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算
機(jī)，或邏輯設(shè)備，或者，每種處理器可以為包括多個(gè)傳統(tǒng)通用計(jì)算機(jī)、
專用計(jì)算機(jī)，或多個(gè)邏輯設(shè)備的多處理器。而且，使用處理器實(shí)施的
那些功能中的許多都可以在其它類型的邏輯設(shè)備，例如可編程邏輯設(shè)
備上實(shí)施。此外，附加的處理器、邏輯設(shè)備，或硬件可以用于根據(jù)本
發(fā)明的另外的實(shí)施方案來執(zhí)行給定的功能或步驟。例如，如本領(lǐng)域一
普通技術(shù)人員所知的，附加的處理器可以被用于執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或檢
索。為了本發(fā)明不被細(xì)節(jié)所掩蓋，這些細(xì)節(jié)已經(jīng)被剔除了。
本發(fā)明可以在不偏離它的精神或本質(zhì)特性的情況下以其它的具
體形式實(shí)施。被描述的實(shí)施方案在所有方面都將被認(rèn)為是說明性的，
而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求而不是前面
的描述所指明。落入該權(quán)利要求的等價(jià)的含義和范圍內(nèi)的所有改變將 包含在其范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種在包含振弦儀的系統(tǒng)中估計(jì)該振弦儀中振弦的共振頻率的方法，該方法包括將已經(jīng)被激勵(lì)的振弦的響應(yīng)數(shù)字化；對(duì)被數(shù)字化的響應(yīng)實(shí)施變換，以產(chǎn)生頻譜；以及使用從對(duì)該被數(shù)字化的響應(yīng)的變換產(chǎn)生的所述頻譜確定該響應(yīng)的共振頻率。
2、 權(quán)利要求l的該方法，還包括激勵(lì)振弦儀的所述振弦。
3、 權(quán)利要求2的該方法，還包括接收該被激勵(lì)的振弦的所述響應(yīng)。
4、 權(quán)利要求1的該方法，其中，確定該響應(yīng)的頻率包括估計(jì)該響應(yīng)的頻率。
5、 權(quán)利要求1的該方法，還包括確定基于該響應(yīng)的共振頻率確定該系統(tǒng)的物理性質(zhì)。
6、 權(quán)利要求5的該方法，其中，該系統(tǒng)的該物理性質(zhì)由應(yīng)變、應(yīng)力、荷載、撓度、氣壓、流體壓力、位移、液位、角旋轉(zhuǎn)、溫度、風(fēng)速、流體流動(dòng)、雪水當(dāng)量，或降水量中的至少一種組成。
7、 權(quán)利要求1的該方法，其中對(duì)該被數(shù)字化的響應(yīng)的變換還包括實(shí)施傅里葉變換。
8、 權(quán)利要求7的該方法，其中，該傅里葉變換包括基2(radix-2)快速傅里葉變換。
9、 權(quán)利要求1的該方法，其中，確定該響應(yīng)的頻率還包括使用譜插值法來估計(jì)該響應(yīng)的頻率。
10、 權(quán)利要求9的該方法，其中，該譜插值法將中心頻率表示為附—=W -，其中real(S)包括如以下定義的校正因子S的實(shí)部—2xk)-，w)-xk+1)，其中，mk包括最大幅值采樣l X(mk) l的整數(shù)指數(shù)，且其中值X(mk-0和X(mk+0包括峰值釆樣的任一側(cè)的復(fù)數(shù)頻譜釆樣，并且其中，基于該復(fù)數(shù)譜值，計(jì)算中心頻率mpeak,且將mpeak應(yīng)用于f =附 Zl以提高以Hz計(jì)的響應(yīng)的頻率估計(jì)，其中fs是釆樣率且N是時(shí)間采樣響應(yīng)中的釆樣數(shù)。
11 、 一種在包含振弦儀的系統(tǒng)中估計(jì)該系統(tǒng)的物理性質(zhì)的方法，該方法包括數(shù)字化振弦儀中被激勵(lì)的振弦的響應(yīng)；將被數(shù)字化的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻譜；對(duì)該頻譜進(jìn)行插值，以確定該振弦的共振頻率；并使用該共振頻率確定該系統(tǒng)的物理性質(zhì)。
12、 權(quán)利要求11的該方法，其中，該系統(tǒng)的物理性質(zhì)由應(yīng)變、應(yīng)力、荷載、撓度、氣壓、流體壓力、位移、液位、角旋轉(zhuǎn)、溫度、風(fēng)速、流體流動(dòng)、雪水當(dāng)量，或降水量中的至少一種組成。
13、 權(quán)利要求11的該方法，其中數(shù)字化被激勵(lì)的振弦的響應(yīng)還包括獲得該響應(yīng)。
14、 權(quán)利要求11的該方法，其中將該被數(shù)字化的響應(yīng)轉(zhuǎn)化成頻譜還包括對(duì)該被數(shù)字化的響應(yīng)實(shí)施從時(shí)域到頻域的變換。
15、 權(quán)利要求14的該方法，其中實(shí)施變換還包括實(shí)施傅里葉變換，以使該頻譜包括傅里葉頻譜。
16、 權(quán)利要求15的該方法，其中該傅里葉變換包括基2快速傅里葉變換。
17、 權(quán)利要求11的該方法，其中對(duì)該頻譜進(jìn)行插值以確定該振弦的共振頻率還包括對(duì)該頻譜實(shí)施譜插值法。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17的該系統(tǒng)和方法，其中該譜插值法將中心頻率表示為附—=附廣^4^，其中real(5)包括如以下定義的校正因子S的實(shí)部<formula>formula see original document page 4</formula>其中，mk包括最大幅值采樣i X(mk) l的整數(shù)指數(shù)，且其中值X(mk-l)和X(mk+1)包括峰值釆樣的任一側(cè)的復(fù)數(shù)頻譜采樣，且其中，基于該復(fù)數(shù)譜值，計(jì)算中心頻率mpeak，且將mpeak應(yīng)用于<formula>formula see original document page 4</formula>以提高以Hz計(jì)的頻率估計(jì)，其中fs是釆樣率且N是時(shí)間釆樣響應(yīng)中的釆樣數(shù)。
19、 權(quán)利要求11的該方法，其中該方法還包括分析該頻譜，以從該振弦的共振頻率辨識(shí)噪聲。
20、 權(quán)利要求11的該方法，接收確定用于對(duì)該頻譜進(jìn)行插值以確定該共振頻率的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的輸入。
21、 一種估計(jì)振弦儀中的振弦的共振頻率的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于連接振動(dòng)計(jì)的接口，其中，在該被連接的接口接收從該振動(dòng)計(jì)中被激勵(lì)的弦收集的數(shù)據(jù)；和連接于該接口的處理單元，該處理單元包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從通過該接口由該振動(dòng)計(jì)接收的信號(hào)中釆樣和產(chǎn)生被數(shù)字化的數(shù)據(jù)；以及計(jì)算機(jī)處理單元，將該被數(shù)字化的數(shù)據(jù)變換成頻譜，并從該頻譜中識(shí)別該振弦被估計(jì)的共振頻率。
22、 權(quán)利要求21的該系統(tǒng)，其中該處理單元被并入在該接口中。
23、 權(quán)利要求21的該系統(tǒng)，其中該振動(dòng)計(jì)連接于結(jié)構(gòu)元件。
24、 權(quán)利要求23的該方法，其中該計(jì)算機(jī)處理單元基于該振弦被估計(jì)的共振頻率確定該結(jié)構(gòu)元件的物理性質(zhì)。
25、 權(quán)利要求24的該系統(tǒng)，其中該結(jié)構(gòu)元件的物理性質(zhì)由應(yīng)變、應(yīng)力、荷載、撓度、氣壓、流體壓力、位移、液位、角旋轉(zhuǎn)、溫度、風(fēng)速、雪水當(dāng)量、流體流動(dòng)，或降水量中的至少一種組成。
26、 權(quán)利要求24的該系統(tǒng)，其中該計(jì)算機(jī)處理單元確定該結(jié)構(gòu)元件的物理性質(zhì)，并在顯示器上顯示該物理性質(zhì)。
全文摘要
分析振弦儀內(nèi)振弦的共振頻率的系統(tǒng)和方法。通過使用將該振弦儀中被激勵(lì)的弦的響應(yīng)數(shù)字化的接口來確定該振弦的共振頻率。然后通過變換將數(shù)字化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成頻譜。生成的頻譜用于估計(jì)該振弦的共振頻率。所產(chǎn)生的共振頻率的測(cè)量結(jié)果或估計(jì)能夠被用于測(cè)量或確定連接到該振弦儀的設(shè)備或結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的一些物理特性。
文檔編號(hào)G01L1/10GK101641582SQ200780050979
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者喬迪·艾倫·斯文森, 大衛(wèi)·萊爾·伊茲列爾森, 拉里·尤金·雅各布森 申請(qǐng)人:坎貝爾科學(xué)股份有限公司