超越测量数值本身: 振弦频谱分析技术VSPECT诊断功能的价值

超越测量数值本身： 振弦频谱分析技术VSPECT®诊断功能的价值

如果您正在使用 VSPECT®技术进行振弦测量

如何验证每次测量的质量？

VSPECT 技术的设计目标不仅仅是读取一个个测量数值——它能帮助您理解每次测量背后的质量。不仅测量振弦传感器的固有频率，VSPECT 还能生成诊断值，帮助确认您的数据是否坚实、可靠并可供使用。

Campbell Scientific 销售的每一款振弦测量模块都配备了 VSPECT 技术。此外，振弦频谱分析仪 (VWAnalyzer) 甚至能为每次测量生成一份清晰、详细的报告。但真正的问题是：您是否充分发挥了这项技术的潜力？所有这些诊断和设置到底意味着什么？以及，您如何知道传感器是否已“准备就绪"可以部署？

在这篇博客文章中，我们将详细介绍 VSPECT 的诊断参数和设置，解析它们是什么、有什么作用，以及如何利用它们获得尽可能可靠的数据。

从智能设置开始

频率扫描

默认情况下，VSPECT 覆盖 300 至 6,500 Hz 的频率范围，这涵盖了大多数现代振弦传感器的工作范围。这对于一般用途效果很好，但通过调整扫描范围以匹配您传感器的预期输出，您可以提高测量质量。原因如下：

• 针对性激励 —— 缩小范围可将能量仅集中在关键区域，从而提高信号强度并降低噪声。

• 更高置信度 —— 缩小范围可以屏蔽无关频率，因此您看到的信号确定来自您的传感器，而非其他干扰源。

但在此上下文中，“扫描"是什么意思呢？在 VSPECT 中，扫描意味着以温和的方式在频率范围内激励钢弦，而非剧烈拨动。在正确的范围内扫描激励频率可确保传感器在其谐振频率附近被激励，从而获得准确且可重复的读数。

激励设置

支持 VSPECT 的设备在设计上考虑了灵活性。它们提供多种激励级别以适应不同的安装条件。

默认情况下，激励电压设置为 5 伏。这对于大多数应用效果良好，并能提供可靠、高质量的读数。但在某些情况下，将激励电压提高到 12 伏会产生显著差异。为什么？因为更高的激励级别向传感器发送更多能量，有助于产生更强的信号

当您处理非常长的电缆线路时——例如几百米或更长——更强的激励电压尤其有用。在这些情况下，额外的能量有助于克服电缆电阻和衰减引起的信号损失，确保您的数据保持准确和可靠。

何时适合采用更高激励

在以下情况下，提高激励尤其有用：

• 嘈杂环境 —— 增加激励强度会增强返回信号的振幅，提高信噪比 (SNR)，帮助信号从背景电气噪声中凸显出来。

• 传感器响应弱 —— 如果传感器响应不佳，施加更强的激励可以增强其信号响应，产生更明显的返回信号，从而增加对测量值的可靠性。

何时适合采用较低激励

另一方面，较低激励是高频监测的理想选择。新型支持 VSPECT 的设备增强了处理能力，现在可以每秒读取一次传感器（1 Hz）。但在这些情况下，您不希望在下一次读数开始时，传感器仍因上一次激励而振动。

为防止这种重叠，新设备可以配置为较低的激励电平——仅为 2 伏。这确保了传感器在两次读数之间有足够的时间稳定下来，避免了残留振动的干扰，从而提供更准确的结果。

VSPECT技术允许设备提供三种激励水平的设置来匹配您的实际安装要求：

更高的激励会缩短传感器寿命吗？研究结果如下。

好消息是：没有可靠证据表明，在推荐范围内使用更高的激励电平会缩短振弦传感器的使用寿命。

事实上，没有已发表的研究表明更强的激励会导致这些传感器过早磨损、疲劳或失效。恰恰相反——挪威岩土工程研究所 (NGI) 进行了一项长期研究，考察了超过 25 年的连续激励效果：https://www.tib.eu/en/search/id/BLCP:CN071467090/A-case-study-of-vibrating-wire-sensors-that-have/。结果如何？即使在使用了数十年之后，传感器钢弦也没有出现可测量的疲劳或损坏。

因此，您可以在需要时放心使用更高的激励电平，因为您的传感器就是为承受这种激励而设计的。

理解诊断参数

虽然测量的频率是关键结果，但附加的诊断参数在评估该信号质量方面起着重要作用。它们有助于确认报告的频率不仅准确，而且可信。

以下是用于评估测量质量的其他诊断参数，按其重要性排序：

#1 SNR：诊断参数中的(最)有价值指标

这是最重要的诊断参数。它显示了传感器主信号与附近(最)强噪声之间的比率，本质上告诉您信号从任何干扰中凸显出来的清晰度。

• SNR > 3 → 信号良好（通常）

• SNR > 10、100 甚至 1,000 → 在清洁环境中信号(极)佳

• SNR ≈ 1–3 → 存疑；请使用 VWAnalyzer 验证

通常可以通过缩小频率扫描范围和/或增加激励来提高 SNR。

#2 频率振幅

该值显示了振弦响应的电气强度——本质上就是信号强度。

• > 0.1 mV → 通常被认为是可接受的响应

• < 0.01 mV → VSPECT 默认忽略

类似于改善 SNR，将扫描频率调整为针对特定传感器的激励和/或增加激励振幅可以提高传感器的响应振幅。

#3 噪声频率

噪声频率是指在定义的扫描范围内第二强的信号。虽然它不是主要诊断参数，但当您试图识别该区域潜在的电气干扰源时，了解噪声频率会很有帮助。

• 噪声频率可能因每次读数而异，通常不是问题——除非您正在排查低 SNR 问题。

• 为了更清晰地了解情况，VWAnalyzer 上的频谱图是发现和可视化噪声源的(绝)佳工具。

#4 衰减比

这告诉您传感器信号在被激励后衰减的速度有多快——换句话说，就是钢弦恢复到静止状态的速度。

• 虽然它通常对于确认良好读数并非必需，但长期关注衰减比可以提供关于传感器长期健康状况的见解。

• 衰减比会发生变化也是正常的，即使是在相同的传感器之间。衰减更快或更慢并不意味着有问题；这只是自然变化的一部分。

额外测量：温度

许多振弦传感器内置热敏电阻，这在需要温度校正时特别有用，例如应变计测量。

温度的测量方式取决于所用热敏电阻的类型。大多数制造商使用 3 KΩ 热敏电阻，这意味着其在 25°C (77°F) 时电阻为 3 KΩ。

如果选择了正确的热敏电阻型号——或者输入了正确的转换因子——一些设备可以自动将该电阻转换为摄氏度或华氏度的温度读数。

数据可视化：一目了然的图形

VSPECT 技术允许用户创建图形化图表，轻松查看时域和频域，让您更清楚地了解传感器的响应情况。在使用 CR6数据采集器 或 AVW200 双通道振弦采集模块 时，您可以在 设备配置实用程序 (DevConfig) 中查看这些图表。或者，在使用 VWAnalyzer 进行测量后，您可以立即在屏幕上看到这些图表。

• 时域图 —— 显示激励后最初 300 毫秒内振幅 (mV) 随时间 (s) 的变化。使用此图可发现波形异常、检查信号一致性并比较不同测量间的性能。

• 频域图 —— 此图显示了对原始信号应用快速傅里叶变换 (FFT) 的结果，以散点图形式绘制振幅与频率的关系。通过此图，您可以快速直观地看到主信号频率以及任何周围的噪声或竞争信号。

图表的白色区域代表声明的扫描频率——即接受有效传感器响应的范围。该范围之外的所有信号均被忽略。

在无噪声干扰的环境中，如下方的图 1 所示，传感器会产生一个强而清晰的峰值。相比之下，更下方的图 2 显示了一个噪声较多的信号（与上一个时域图中的信号相同），其中 VSPECT 仍能检测到主导频率。但现在，额外的噪声和谐波更容易看到，帮助您识别潜在的干扰源并做出明智决策以提高测量可靠性。

下方的两张图片显示了同一支点焊式振弦应变计，在不同的噪声条件下捕获的读数。这图表是在 DevConfig VW 诊断选项卡中查看，由 CR6 创建的诊断文件生成。

示例 1

                     图一：纯净信号，高置信度

在(第)一个示例中，传感器在一个理想环境中测量，扫描范围内几乎没有噪声。在 5,000 Hz 左右出现一个小尖峰，但 VSPECT 智能地将其滤除。真实信号清晰地突出在 2,460 Hz 处，振幅高达 7.8 mV，无任何干扰，从而获得(极)佳的 SNR。时域图显示了一个平滑、重复的波形和温和的衰减——这些都是高质量测量的指标。

总结

• 噪声： 极小

• 信号： 2,460 Hz，振幅 7.8 mV

• SNR： (极)高

• 洞察： 时域图和频域图均确认信号干净、准确。置信度 = 非常高

示例 2

图2：噪声信号（也能得到很好的读数）

在第二个示例中，传感器在一个噪声大得多的环境中运行。由于机械共振或信号干扰，谐波（或信号众多组成部分之一的回声）可能出现在扫描范围内。它们的存在可能在时域视图中掩盖主信号，使真实传感器响应的视觉识别复杂化。然而，通过缩小扫描范围以匹配传感器特性，VSPECT 仍然正确识别出 2,460 Hz 为固有频率，即使 4,500 Hz 处存在更强的信号幅值。虽然该固有频率对应的信号振幅略低，但 SNR 稳定在 3 以上，因此我们可以对这一识别结果抱有充分信心。这与在无噪声环境中获得的结果高度吻合，进一步证明了这一点。

总结

• 噪声： 在 4,500 Hz 处较强，但已成功滤除

• 信号： 正确频率仍被识别；振幅略低但稳定

• SNR： 略高于 3；仍然可接受

• 洞察： 尽管存在噪声，频域图确认了测量是可靠的。

VSPECT 振弦频谱分析技术带给您的不仅仅是一个个数值——它给我们测量带来强大的信心。该振弦频谱分析技术有助于确保您的传感器即使在充满挑战的环境中也能正常工作。无论您是安装新系统还是让旧传感器重新投入使用，VSPECT 都是一个强大的工具，可以从振弦传感器获取干净、可靠的数据。