振弦式傳感器的工作原理及其特點

1、 振弦式傳感器的工作原理及其特點  1. 概述 振弦式傳感器是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。由于振弦傳感器直接輸出振弦的自振頻率信號，因此，具有抗干擾能力強、受電參數(shù)影響小、零點飄移小、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動、壽命長等特點。與工程、科研中普遍應(yīng)用的電阻應(yīng)變計相比，有著突出的優(yōu)越性： (1)振弦傳感器有著獨特的機械結(jié)構(gòu)形式并以振弦頻率的變化量來表征受力的大小，因此具有長期零點穩(wěn)定的性能，這是電阻應(yīng)變計所無法比擬的。在長期、靜態(tài)測試傳感器的選擇中，振弦傳感器已成為取代電阻應(yīng)變計、而廣泛應(yīng)用于工程、科研的長期原觀的測試手段。 (2)隨著電子、微

2、機技術(shù)的發(fā)展，從實現(xiàn)測試微機化、智能化的先進測試要求來看，由于振弦傳感器能直接以頻率信號輸出，因此，較電阻應(yīng)變計模擬量輸出能更為簡單方便地進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲，實現(xiàn)高精度的自動測試。 為此，振弦傳感器得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。在國外，德國的MAlHAK、法國的TELEMAL、美國的SINCO和FOXBORO、英國的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦傳感器的系列產(chǎn)品。國內(nèi)從60年代起，先后研制開發(fā)了適合各種測試目的的多種振弦傳感器的系列產(chǎn)品，如振弦式壓力計、土壓力計、空隙水壓力計、應(yīng)變計、測力(應(yīng)力)計、鋼筋計、扭力計、位移計、反力計、吊重負荷計、傾斜計等等。它們廣泛應(yīng)用于

3、港口工程、土木建筑、道路橋梁、礦山冶金、機械船舶、水庫大壩、地基基礎(chǔ)等測試，已成為工程、科研中一種不可缺少的測試手段，顯示出了其廣闊應(yīng)用和發(fā)展的前景。 2. 工作原理 振弦式傳感器由受力彈性形變外殼(或膜片)、鋼弦、緊固夾頭、激振和接收線圈等組成。鋼弦自振頻率與張緊力的大小有關(guān)，在振弦?guī)缀纬叽绱_定之后，振弦振動頻率的變化量，即可表征受力的大小。 現(xiàn)以雙線圈連續(xù)等幅振動的激振方式，來表述振弦式傳感器的工作原理。如圖l所示，工作時開啟電源，線圈帶電激勵鋼弦振動，鋼弦振動后在磁場中切割磁力線，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢由接收線圈送入放大器放大輸出，同時將輸出信號的一部分反饋到激勵線圈，保持鋼弦的振動，這樣不斷

4、地反饋循環(huán)，加上電路的穩(wěn)幅措施，使鋼弦達到電路所保持的等幅、連續(xù)的振動，然后輸出的與鋼弦張力有關(guān)的頻率信號。 振弦這種等幅連續(xù)振動的工作狀態(tài)，符合柔軟無阻尼微振動的條件，振弦的振動頻率可由下式確定； 式中，f 0 初始頻率； L鋼弦的有效長度i p一-鋼弦材料密度； o 鋼弦上的初始應(yīng)力。 由于鋼弦的質(zhì)量m、長度L、截面積S、彈性模量E可視為常數(shù)，因此，鋼弦的應(yīng)力與輸出頻率f 0 建立了相應(yīng)的關(guān)系。當外力F未施加時，則鋼弦按初始應(yīng)力作穩(wěn)幅振動，輸出初頻f 0 ；當施加外力(即被測力應(yīng)力或壓力)時，則形變殼體(或膜片)發(fā)生相應(yīng)的拉伸或壓縮，使鋼弦的應(yīng)力增加或減少，這時初頻也隨之增加或減少。因此，

5、只要測得振弦頻率值f，即可得到相應(yīng)被測的力應(yīng)力或壓力值等。   3. 振弦的激振方式 振弦式傳感器的振弦是鋼弦，通過激振產(chǎn)生振動。振弦激振的方式分為間歇觸發(fā)激振和等幅連續(xù)激振。 3.1 問歇觸發(fā)激振 目前，單線圈形式的振弦傳感器，均采用間歇觸發(fā)的激振方式。如圖2所示，由張馳振蕩器產(chǎn)生激振脈沖，當脈沖信號發(fā)出，則吸動繼電器，通過常開觸頭，將觸發(fā)電壓加于振弦傳感器的激振線圈上，產(chǎn)生電磁力，吸動鋼弦；當脈沖終止時，繼電器釋放，松開鋼弦，從而產(chǎn)生自由振動并切割磁力線，在激振線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，通過繼電器常閉觸頭輸入測試儀器，測得鋼弦的振動頻率。 3.2 等幅連續(xù)激振 采用這種激振方式的振弦傳

6、感器具有激勵和接收兩組帶磁鋼的電磁線圈，與放大電路、反饋和穩(wěn)幅電路組成等幅的振蕩器。在開啟電源時激勵鋼弦，鋼弦切割磁力線而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將其輸出放大，并反饋到激勵線圈補足能量，不斷循環(huán)。在穩(wěn)幅電路限制的反饋量下，達到等幅連續(xù)振蕩的激振方式，萁振動頻率即為鋼弦的自振頻率。 兩種技術(shù)的構(gòu)成不同，帶來一些性能上的差異。一般而言，“撥振”-單線圈方式由于在傳感器內(nèi)的電子部件降低到最低限度，傳感器的可靠性及耐惡劣環(huán)境性都更好一些；同時，由于只采用一個線圈，傳感器的體積可以做得很小(而自動諧振式傳感器需要更長的鋼弦以便容納兩個線圈)；此外，由于單線圈振弦儀器只需兩芯電纜，總體費用也更便宜。而“

7、自動諧振”-雙線圈方式的優(yōu)點是可通過高速計數(shù)技術(shù)或把頻率轉(zhuǎn)換成電壓方式在一定范圍可進行動態(tài)應(yīng)變測量(通常動態(tài)信號輸人頻率限制在大約1OOHz內(nèi)，這主要取決于傳感器的諧振頻率)。自動諧振”技術(shù)的另一優(yōu)點是可以使用通用的頻率計和數(shù)據(jù)記錄儀即可讀取其它制造商的自動諧振傳感器的數(shù)據(jù)。   4. 振弦式傳感器的特性 4.1 非線性 由(1)式可知，振弦式傳感器的特性曲線是非線性的，測試的量值需用查對率定曲線的辦法進行判定，是相當麻煩的。因此，必須進行線性回歸，作線性化處理。在選擇了較佳的傳感器工作頻段時，從實測數(shù)據(jù)對比，其線性誤差可小于2，能較為簡便地適應(yīng)自動測試分析，也能保證較高的測試精度。

8、 4.2 靈敏度 由(1)式可知，靈敏度與弦長L成反比,將(1)式平方，取對數(shù)再求導(dǎo)數(shù)， 上式表示相應(yīng)于單位應(yīng)力增量引起基頻的改變量，稱為振弦的靈敏度。由上式可見，要提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長，同時在保證振弦能穩(wěn)定起振的情況下，鋼弦應(yīng)力盡可能小些。此外，采用細弦，減小抗彎剛度，也可以提高靈敏度。但振弦應(yīng)滿足柔軟無阻尼振動運動微分方程，故鋼弦不能過短，弦長與直徑之比應(yīng)大于200，般在300-400之間為宜。 4.3 溫度影響 由于傳感器零件的金屬材料膨脹系數(shù)的不同，造成了溫度誤差。為減小這一誤差，在零件材料選擇上，除盡量考慮達到傳感器機械結(jié)構(gòu)自身的熱平衡外，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配技術(shù)上不斷調(diào)整

9、零件的幾何尺寸和相對固定位置，以取得最佳的溫度補償結(jié)果。實踐結(jié)果表明，傳感器在-10 -55 使用溫度范圍內(nèi)時，溫度附加誤差僅有1.5HzlO。 4.4 穩(wěn)定性 振弦式傳感器是機械結(jié)構(gòu)式的，它不受電流、電壓、絕緣等電參數(shù)的影響，因此，零點穩(wěn)定。這是這類傳感器的突出優(yōu)點。但若材料選擇處理不當，由于殘余應(yīng)力、蠕變等因素，會嚴重影響傳感器的穩(wěn)定性。為了提高振弦式傳感器的長期穩(wěn)定性，必須嚴格選擇材料、工藝處理、加工方法并進行時效處理，才能保證其良好的穩(wěn)定性。 4.5 滯后性 由于振弦式傳感器是機械結(jié)構(gòu)式的，以鋼弦為轉(zhuǎn)換元件，存在滯后的特性，因此，只能適用于靜態(tài)和不大于1 0Hz的準動態(tài)測試。 

10、0; 5. 振弦傳感器的主要技術(shù)指標 1)指標 (1)回差：士05(20士 5 ) (2)重復(fù)差：士O5(20士 5 ) (3)穩(wěn)定誤差：士1O (4)使用溫度范圍：-10+ 55 (5)溫度附加誤差：士O25l 0 (1.5Hz 10 ) (6)靈敏度：士O.10 (7)能抗與奧斯特外磁場干擾 (8)能抗顛振   6. 材料選擇與工藝處理 振弦傳感器的材料選擇與工藝處理直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，因此，必須進行認真的選配和嚴格的工藝處理。 1) 材料選擇的原則 (1)在常溫下材料的線膨脹系數(shù)盡量接近或相同； (2)選用彈性模量低、彈性極限高的材料，通過工藝處理，能保證在最

11、大載荷下，材料彈性變形在材料變形極限的l312以下； (3)彈性元件的抗蠕變能力好； (4)彈性元件的殘余應(yīng)力?。?(5)材料成本低、性能穩(wěn)定、工藝處理簡便； (6)選用材料經(jīng)處理后，其機械性能應(yīng)盡可能接近被測材料。 2) 工藝處理要求 在彈性模量基本相同的情況下，盡量提高材料的回彈模量，以保證最大載荷時材料的彈性變形為材料彈性極限的三分之一左右。對各零件材料的抗蠕變能力及殘余應(yīng)力、加工應(yīng)力應(yīng)變等都進行了較合理的工藝處理。同時通過各種試驗，確定了合理的結(jié)構(gòu)，選擇了最佳頻段，使傳感器性能穩(wěn)定，取得了良好效果。綜合技術(shù)性能比較理想，選到了技術(shù)要求和設(shè)計目的。 工藝處理要點：(1)材料的調(diào)質(zhì)熱處理使材料晶粒改變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，強度增高，尺寸穩(wěn)定，提高抗蠕變能力并消除內(nèi)應(yīng)力；(2)控制加工進刀量，減小加工應(yīng)力；(3)加工完成的傳感器零件，進行中溫回火處理，以消除加工應(yīng)力； (4)傳感器零件進行冷凍處理，使材料組織內(nèi)少量殘余奧氏體幾乎全部變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體組。以提高穩(wěn)定性； (5)傳感器裝配前形變彈性體應(yīng)超載張拉；(6)傳感器總裝完