振弦式传感器的工作原理及特点

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SINCO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。   

振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定； 

式中，f 0 ——初始频率； 

L——钢弦的有效长度i 

p一-钢弦材料密度； 

σ o ——钢弦上的初始应力。 

由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f 0 ；当施加外力(即被测力——应力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初频也随之增加或减少。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的力——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。 

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1OOHz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(1)式可知，灵敏度与弦长L成反比,将(1)式平方，取对数再求导数，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-10 -55℃ 使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5Hz／lO℃。 

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，只能适用于静态和不大于1 0Hz的准动态测试。 

5. 振弦传感器的主要技术指标 

1)指标   

(1)回差：士0．5％(20士 5℃ ) 

(2)重复差：士O．5％(20士 5℃ ) 

(3)稳定误差：士1．O％ 

(4)使用温度范围：-10～  55℃ 

(5)温度附加误差：士O．25％／l 0℃ (1.5Hz／ 10℃ ) 

(6)灵敏度：士O.10％ 

(7)能抗与奥斯特外磁场干扰 

(8)能抗颠振 

6. 材料选择与工艺处理 

振弦传感器的材料选择与工艺处理直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性，因此，必须进行认真的选配和严格的工艺处理。 

1) 材料选择的原则 

(1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同； 

(2)选用弹性模量低、弹性极限高的材料，通过工艺处理，能保证在最大载荷下，材料弹性变形在材料变形极限的l／3～1／2以下； 

(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、微机等进行数据处理、记录存储。