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1、振弦式传感器的工作原理及其特点1. 概述振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直 接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度 影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比， 有着突出的优越性： (1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小,因此具有长期 零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感 器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2)随着电子、微机技术的发展，从实现
2、测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感 器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传 输、处理和存储，实现高精度的自动测试。为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINC0和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、 土压力计、空隙水压力计、应变计、测力（应力）计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负 荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木
3、建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水 库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用 和发展的前景。2. 工作原理振弦式传感器由受力弹性形变外壳（或膜片）、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自 振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力 的大小。现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。如图l所示，工作时开 启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线 圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断 地反馈
4、循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与 钢弦张力有关的频率信号。力应力或压力值等。3. 振弦的激振方式振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。振弦激振的方式分为间歇触发激振和等幅连续 激振。3.1问歇触发激振目前，单线圈形式的振弦传感器，均采用间歇触发的激振方式。如图2所示，由张驰振荡器产生 激振脉冲，当脉冲信号发出，则吸动继电器，通过常开触头，将触发电压加于振弦传感器的激振 线圈上，产生电磁力，吸动钢弦；当脉冲终止时，继电器释放，松开钢弦，从而产生自由振动并 切割磁力线，在激振线圈中产生感应电势，通过继电器常闭触头输入测试仪器，测得钢弦的振动 频率
5、。3.2等幅连续激振采用这种激振方式的振弦传感器具有激励和接收两组带磁钢的电磁线圈，与放大电路、反馈和稳 幅电路组成等幅的振荡器。在开启电源时激励钢弦，钢弦切割磁力线而在接收线圈中产生感应电 势，将其输出放大，并反馈到激励线圈补足能量，不断循环。在稳幅电路限制的反馈量下，达到 等幅连续振荡的激振方式，萁振动频率即为钢弦的自振频率。两种技术的构成不同，带来一些性能上的差异。一般而言，“拨振”-单线圈方式由于在传感器内 的电子部件降低到最低限度，传感器的可靠性及耐恶劣环境性都更好一些；同时，由于只采用一个线圈，传感器的体积可以做得很小（而自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便容纳两个线圈）; 此外，由
6、于单线圈振弦仪器只需两芯电缆，总体费用也更便宜。而“自动谐振”-双线圈方式的优 点是可通过高速计数技术或把频率转换成电压方式在一定范围可进行动态应变测量（通常动态信 号输人频率限制在大约100Hz内，这主要取决于传感器的谐振频率）。自动谐振”技术的另一优点 是可以使用通用的频率计和数据记录仪即可读取其它制造商的自动谐振传感器的数据。4.振弦式传感器的特性4.1非线性由（1）式可知，振弦式传感器的特性曲线是非线性的，测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判 定，是相当麻烦的。因此，必须进行线性回归，作线性化处理。在选择了较佳的传感器工作频段 时，从实测数据对比，其线性误差可小于2%。，能较为简便地
7、适应自动测试分析，也能保证较高 的测试精度。4.2灵敏度由式可知，灵敏度与弦长L成反比，将式平方，取对数再求导数，A可简化为:吐=丄=上式表示相应于单位应力增量引起基频的改变量，称为振弦的灵敏度。由上式可见，要提高灵敏 度最有效的办法是缩短弦长，同时在保证振弦能稳定起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。此外, 采用细弦，减小抗弯刚度，也可以提高灵敏度。但振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故 钢弦不能过短，弦长与直径之比应大于200,般在300-400之间为宜。4.3温度影响由于传感器零件的金属材料膨胀系数的不同，造成了温度误差。为减小这一误差，在零件材料选 择上，除尽量考虑达到传感器机械结构自
8、身的热平衡外，并从结构设计和装配技术上不断调整零 件的几何尺寸和相对固定位置，以取得最佳的温度补偿结果。实践结果表明，传感器在40-55C 使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5Hz/l0C。4.4稳定性 振弦式传感器是机械结构式的，它不受电流、电压、绝缘等电参数的影响，因此，零点稳定。这 是这类传感器的突出优点。但若材料选择处理不当，由于残余应力、蠕变等因素，会严重影响传 感器的稳定性。为了提高振弦式传感器的长期稳定性，必须严格选择材料、工艺处理、加工方法并进行时效处理，才能保证其良好的稳定性。4.5滞后性由于振弦式传感器是机械结构式的，以钢弦为转换元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静
9、态和不大于1 OHz的准动态测试。5.振弦传感器的主要技术指标1）指标掘號式翥力传感器实测畫料一二五六-七入 I备注aO25Si6125%0.06%0J40 025%重复養&O25J4&025J4aasjf&025J4乱05%G 025%ft025J4山02%aw(U25%6理0-033K(X 023%优歸aiHtjjr(kaiastjicai2fe%taQSffetawioaejiaws“ai$J4ai%從场彫响腮(U25%ao(1025%a 025aO25J0,025%100来电轆响& 025%乩05%0抵05%a a25!側牺过裁荷试豔a os ja 05%amaKdis%6 06%50
10、MQ5(W05(W50MQ8O4Q- -藏T 05%氐慟0-08%(K026M&026K十氐加5%E023%Qi23%(U%128歸U2S底賊U22X水榜性合格合格舍格飾含格合搭(1)回差：士 0. 5%(20 士 5C )(3) 弹性元件的抗蠕变能力好；(4) 弹性元件的残余应力小；(5) 材料成本低、性能稳定、工艺处理简便；(6) 选用材料经处理后，其机械性能应尽可能接近被测材料。2)工艺处理要求在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量，以保证最大载荷时材料的弹性变形为 材料弹性极限的三分之一左右。对各零件材料的抗蠕变能力及残余应力、加工应力应变等都进行 了较合理的工艺处理。同时
11、通过各种试验，确定了合理的结构，选择了最佳频段，使传感器性能 稳定，取得了良好效果。综合技术性能比较理想，选到了技术要求和设计目的。工艺处理要点：(1)材料的调质热处理使材料晶粒改变，内部结构均匀，强度增高，尺寸稳定，提 高抗蠕变能力并消除内应力；(2)控制加工进刀量，减小加工应力；(3)加工完成的传感器零件， 进行中温回火处理，以消除加工应力；(4)传感器零件进行冷冻处理，使材料组织内少量残余奥 氏体几乎全部变为稳定的马氏体组。以提高稳定性；(5)传感器装配前形变弹性体应超载张拉； (6)传感器总装完成后，应进行反复加、卸载试验；(7)严格防水密措施、防震措施；(8)在烘箱 内进行长时间加速时效处理。7.振弦式传感器的测量系统振弦式传感器通过激振电路激振后，输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪，进行测频 或周期的测试。也可通过频率电压转换器或接口转换，输送给打印机、函数记录仪、光线示波器
