(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科工程總公司，北京 100038)

1 概 述

振弦式監(jiān)測儀器是目前在測力應用方面最為先進的傳感器之一，這種傳感器輸出的是頻率信號，因此,其抗干擾能力強，溫漂、零漂小，受電參數(shù)影響小，性能穩(wěn)定可靠，能適應惡劣條件下長期觀測和遠距離測試[1]，被廣泛地用于水庫大壩、港口工程、橋梁、基坑等工程的應力應變、變形、滲流、液位、溫度等監(jiān)測中[2]。大多數(shù)振弦式監(jiān)測儀器內部集成溫度測量原件，可以對參數(shù)進行溫度補償，從而得到更精確的測量值。

業(yè)界普遍采用時域分析法測量振弦式監(jiān)測儀器的共振頻率，該方法原理簡單，可以得到滿足行業(yè)規(guī)范的測量結果。目前，國外一些儀器公司(如美國Campbell)開始研究并使用頻譜測量法檢測振弦式儀器的共振頻率。本文從噪聲免疫能力、信號診斷功能、分辨率和測量準確度這三個方面對時域分析法和頻譜測量法進行了比較評價，表明采用頻譜測量法檢測振弦式監(jiān)測儀器共振頻率更加先進和適用。

2 振弦式監(jiān)測儀器

振弦式監(jiān)測儀器感應元件與振弦相連，內部結構如圖1所示，外力改變會使振弦的張緊程度相應改變，當張緊的振弦受到外加激勵后，將以其共振頻率進行自由振蕩。激勵與拾取線圈是一個電磁線圈，它以特定的頻率譜有規(guī)律地撥動振弦，促使其自由振蕩。理想情況下，振弦以其固有頻率振蕩較長的時間，而疊加在內的噪聲信號會在20ms內快速衰減。振弦的振蕩會切割拾取線圈的磁力線，產(chǎn)生以其共振頻率交變的電壓信號，反饋給后級的檢測電路。

圖1 一種振弦式監(jiān)測儀器的剖面圖

3 時域分析法

目前，振弦式監(jiān)測儀器輸出信號的檢測多數(shù)是基于時域分析法，在共振期間捕獲N(200～500)個正斜率零交叉周期信號，取均值后得到共振周期(Tresonant=T/N)，再求倒數(shù)，得到共振頻率[3][見圖2(a)]。這種測量方法在弱噪聲環(huán)境是有效的。但多數(shù)情況下，噪聲無處不在，這對于只有較低信號幅值的共振頻率信號(有些低于1mV rms)干擾極大[見圖2(b)]。因此這種測量方法對外部噪聲特別敏感。如果噪聲幅值小于測量電路的比較器閾值，噪聲頻率和有效信號頻率均被獲取，從而導致錯誤的測量結果。

圖2 振弦式儀器響應信號的時間序列

時域分析法因原理簡單，被業(yè)界普遍采用。但時域分析法對外部電磁噪聲敏感，容易得出錯誤的測量結果；無法提供噪聲診斷信息，難以評價信號質量；為保證測量精度，前級采集電路需要增加額外的放大器、高通和低通濾波器等噪聲抑制電路，使振弦式儀器量程范圍內的頻率信號可以通過，超出振弦式儀器量程范圍的頻率被電子濾波器隔離。濾波器的分辨帶寬設定為100～6500Hz。雖然使用了各種濾波器，但處于100～6500Hz之間的干擾信號仍然通過了濾波器，如何有效地從眾多的頻率信號中分離出振弦式儀器的共振頻率信號一直是頻率測量技術的難點。

4 頻譜測量法

頻譜是經(jīng)過傅里葉變換后的時域信號。自變量是頻率，其橫軸是頻率，縱軸是該頻率信號的幅度，表達信號的頻譜分量[見圖3(a)]。輸入信號首先通過一個可變衰減器，以提供不同的測量范圍；然后信號通過低通濾波器，除去處于測量頻譜范圍之外的高頻分量；接著對波形取樣，由高速模數(shù)轉換電路實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的變換；最后數(shù)字信號處理器接收離散的波形數(shù)據(jù)，用FFT或DFT計算波形的頻譜[4]。頻率分辨力是頻譜分析最重要的性能指標之一，是指它能把靠得最近的相鄰兩個頻譜分量(兩條相鄰譜線)分辨出來的能力。它與信號的采樣頻率和傅里葉變換的點數(shù)有關，傅里葉采樣點數(shù)越多，頻率分辨率越高，反之亦然。采樣大量的點數(shù)并對其分析計算需要消耗大量的時間，而振弦式傳感器的振蕩衰減相當快，較短的測量時間無法獲得較高的頻率分辨力。例如，測量來自于振弦0.25s的響應，只能得到4Hz的分辨率，這與儀器制造商期望的0.1Hz的分辨率相差了40倍。Richard G.Lyons提出了一種革新的光譜插值方法[5]，很好地解決了這一問題，使頻譜測量法獲得0.001Hz的分辨率，與時域分析法相比，提高了將近10倍。因為頻域分析法可以區(qū)分振弦信號和噪聲信號[見圖3(b)]，在典型的噪聲環(huán)境里，頻譜測量法測得的頻率誤差小于±0.02%F.S，比傳統(tǒng)的時域分析法提高了100%。同時，頻譜測量法在無噪聲條件下，可以獲得高于1×10-3Hz rms的頻率精度。

圖3 振弦式儀器響應信號的頻譜

5 頻譜測量法的診斷功能

頻譜測量法不僅可以消除噪聲，還可以提供振弦式監(jiān)測儀器的信號診斷信息，如信號幅值、信噪比(SNR)、噪聲頻率和信號衰減率(見圖4)。這些參數(shù)有助于評價信號質量，監(jiān)控監(jiān)測儀器的健康狀態(tài)和長期穩(wěn)定性。

圖4 頻譜圖中包含的診斷信息

5.1 信號幅值(Samp)

振弦式監(jiān)測儀器測量的信號幅值一般為1～10mV rms。信號幅值的長期變化趨勢可以用來監(jiān)控傳感器的健康狀態(tài)。

5.2 信噪比(SNR)

信噪比是共振頻率信號的幅值與最大噪聲頻率信號幅值的比值。該指標反應出有效信號相對于噪聲信號的強弱比例。SNR>100說明傳感器埋設環(huán)境所受噪聲干擾較小。

5.3 噪聲頻率(fnoise)

通過噪聲頻率可發(fā)現(xiàn)干擾最大的噪聲成分，同時各種噪聲頻率的分布范圍也是可見的，可以據(jù)此為不同類型的監(jiān)測儀器設置不同的采樣分辨帶寬，從而獲得具有更高信噪比的共振信號。

5.4 信號衰減率

信號衰減率指標是通過時間序列數(shù)據(jù)分析的(見圖5)，通過圖形可以看到振弦受到激勵后自由振蕩的衰減速率，從而分析傳感器是否受到良好激振。一般儀器制造工藝較差或者振弦末端物理連接不好的傳

圖5 振弦式儀器響應信號的時序

感器，振弦共振的持續(xù)時間較短，信號衰減率較高。

上述4項評價指標可以通過改變采樣分辨帶寬進行優(yōu)化(圖6是對GK4000振弦式儀器進行采樣)，采樣分辨帶寬為100Hz～6500Hz，激勵電壓為5Vp-p，測得的共振頻率為1676.02Hz，信噪比為8.7，衰減率為0.57，波峰幅值為1.61mV，噪聲頻率為5274.78Hz；采樣分辨帶寬設置為1400～1800Hz(圖7是對同一支傳感器同時間進行測量)，得到的共振頻率為1676.03Hz，信噪比為7156.59，衰減率為0.59，波峰幅值為2.65mV，噪聲頻率為0?？梢?，將采樣分辨帶寬設置在共振頻率附近較窄的范圍，信噪比增加了800倍，共振信號幅值增加了1.05mV，噪聲基本得到抑制，測得的共振頻率準確度更高且更可信。

圖6 GK4000采樣信號頻譜和時間序列(帶寬100～6500Hz)

圖7 GK4000采樣信號頻譜和時間序列(帶寬1400～1800Hz)

6 結 論

用時域分析法測量振弦式監(jiān)測儀器的共振頻率，抗干擾能力較差，不能提供測量診斷信息，測量準確度較高 (σf_resonant=0.01Hz rms)。頻譜測量法具有更高的抗干擾能力，可以提供多種評價指標診斷共振頻率信號質量，具有非常高的測量準確度(σf_resonant=0.001Hz rms)。采用頻譜測量法測量振弦式監(jiān)測儀器共振頻率更加先進和適用，是未來的研究和發(fā)展方向。