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只看楼主倒序阅读使用道具 0楼发表于: 2009-03-19

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振弦传感器的工作原理是源于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比，这种基本关系可以用来测量多种物理量如应变、荷载、力、压力、温度和倾斜等。
振弦传感器较一般传感器的优点就在于传感器的输出是频率而不是电压。频率可以通过长电缆（>2000米）传输，不会因为导线电阻的变化、浸水、温度波动、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减。除此之外，再加上基康独特工艺的设计和制造，基康的振弦式传感器均具有极好的长期稳定性，特别适于在恶劣环境中的长期监测。
振弦式仪器自３０年代发明以来，由于其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由于历史的原因，振弦式仪器的长期稳定性一直是争议的话题。直到７０年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术才得以完善并真正能满足工程应用的要求。根据美国垦务局及陆军工程师团在数十座大坝长期使用弦式仪器的经验，以美国基康公司( GEOKON INC.)为代表的弦式仪器专业制造商生产的仪器，具有令人满足的长期稳定性。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。
振弦式传感器的技术已日趋完善，弦式仪器产品的种类几乎可以满足大多数工程的需要。尽管并非每一个仪器制造商都掌握了生产高品质弦式传感器的技术，但成功的制造商的经验表明，通过谨慎选择材料和使用适当的技术，振弦式传感器可以具有很高的精度和耐恶劣环境能力，很低的温度灵敏度以及很小的长期漂移。系统控制这些材料的选择及技术的使用可以确保所有批量生产的传感器具有相同的长期稳定性。
附转文章一篇：

振弦式仪器及其长期稳定性
蒋小钢、辛松林

１、引言
　　振弦式仪器自３０年代发明以来，由于其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由于历史的原因，振弦式仪器的长期稳定性一直是争议的话题。直到７０年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式仪器技术才得以完善并真正能满足工程应用的要求。根据美国垦务局及陆军工程师团在数十座大坝长期使用弦式仪器的经验，以美国基康公司( GEOKON INC.)为代表的弦式仪器专业制造商生产的仪器，具有令人满足的长期稳定性。目前，性能完善的弦式仪器已成为新一代工程仪器的潮流。
２、弦式仪器的工作原理
　　振弦式仪器通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力／应变等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：
　　　　　Ｆ＝（1/2L）（T/M）1/2
这里：Ｆ──钢弦的自振频率
Ｌ──钢弦的长度
　　　　　Ｍ──单位长度钢弦的质量
　　　　　Ｔ──钢弦的张力。
　　实践证明，弦式仪器的技术难点在于其长期稳定性，影响振弦式仪器长期稳定性的因素很多，最重要的因素包括钢弦及其相关部件材料的选择、钢弦的固定技术、尽可能地减小由于温度和应变引起的弦线徐变以及减小潜在的腐蚀。高质量的振弦式传感器应具有良好的设计工作特性和较低的长期漂移。
３、振弦技术
　　从激励和读数技术来区分，振弦式仪器主要有“拨振”和“自动谐振”两种方式。“拨振”技术是一种最简单的方法，它是将一个电磁线圈放在弦的中间且距弦非常近，该线圈兼作激励和信号感应线圈，电子脉冲信号通过两芯导线传入线圈引起磁场改变使钢弦以其谐振频率振动。由于张力不同的钢弦的谐振频率不同，线圈感受到钢弦切割磁力线的频率并将信号通过上述两根电缆传到读数装置。读数装置使用高频石英计时器及周期平均技术来精确地测定弦的振动频率（周期），并在几毫微秒内给出重复分辨率，通常分辨率能达到0.1个微应变或更好。
在传统的“自动谐振”技术中，一般使用2个独立的线圈。一个线圈作为激励线圈，激励钢弦以其谐振频率振动。另一个线圈作为感应线圈，用来感应钢弦的振动并反馈到主动线圈。
　　两种技术的构成不同，因而也带来一些性能上的差异。一般而言，“拨振”－单线圈方式仪器和测量电路结构最简单；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（而双线圈自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便能容纳两个线圈）；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以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（通常动态信号输入频率限制在大约 100HZ内），然而目前由于目前单线圈连续激振技术已经获得了突破，双线圈“自动谐振”方式基本已经没有更多存在的理由。
４、振弦传感器的类型
　　不同结构形式的振弦技术可以形成不同的测量方法或传感器类型。
　　应变计的钢弦固定在两个端块之间并且把端块连接在要监测的元件上。应变计广泛应用于基础、岩土及建筑结构的应力／应变量测，应变计也可在荷载盒、压力盒和挠度计中用作感应元件。
　　压力传感器的钢弦被固定在一个灵敏的膜片上，压力改变引起膜片变位，进而导致钢弦张力的改变。振弦式压力传感器广泛应用于渗压计、水位计、压力盒、荷载盒和沉降传感器中。
　　位移传感器包括与弹簧串连的振弦和滑动轴。轴的移动改变了弹簧和振弦的张力。最常见的如多点位移计、边界计、测缝计等。
　　振弦也可用作力传感器，这种类型的传感器常常用在液位监测及静力水准系统中，液面变化改变了浸入水中部件的浮重从而引起钢弦张力的改变。在工业应用中，振弦式力传感器常用作特殊衡重量测。
　　振弦技术也可应用于极端恶劣的环境，例如：通过恰当地选择材料和技术，可以制造出能在-５０℃～＋２００℃环境下工作的弦式仪器。振弦式仪器也常在高辐射条件下应用。
５、振弦式传感器的特性
　　频率和应变分辨率：振弦式传感器的谐振频率主要取决钢弦的长度以及钢弦的应变。在弦长和应变一定时，钢弦直径及材质对其频率影响甚微。在读数设备的精度一定时，频率变化越大，传感器的应变分辨率就越高。例如：压力传感器的弦长为 150MM，膜片在全量程内位移0.05MM时，则全量程的应变为 333微应变，其频率变化大约为55HZ。如果弦的长度为25MM，膜片位移量和上例相同，那么全量程的应变为2000微应变并且频率变化大约为2800HZ。对于压力传感器来说，最重要问题是线性度和分辨率。大部分成功的振弦式传感器的线性度小于全量程的±0.5%，分辨率为全量程的0.1%或者更好。一些优秀制造商生产的传感器的指标可以达到线性度为全量程的±0.1%及分辨率为全量程的±0.01%。
６、振弦式传感器的精度
　　精度的含义是测值与真实值的接近程度，为了真实反映传感器的精度，应该考虑所有的误差来源。通常误差来源包括标准精度误差、温度误差和长期稳定性。
　　标准精度误差通常是由非线性，滞后现象和不可重复性等引起的误差的综合。一般对振弦传感器进行标定是采用可示踪的0.1%或更高的标准来确定振弦传感器的精度和重复性。实践证明了振弦传感器在0.025%F.S.范围内是可重复的。
　　温度误差是由零点误差（在空载情况下，由于温度的变化引起的输出读数的改变）和温度间隔误差（在全量程范围内由于温度变化引起的读数的改变）决定的。典型的弦式传感器的温度误差小于0.02%F.S./°F。
　　长期稳定性或漂移的定义是指已标定的输出读数相对于时间的变化情况。如果传感器没有很好的长期稳定性，那么就无法精确确定其它误差来源，除非对传感器进行定期标定，然而这在大多数工程中是难以做到的。因此，弦式仪器长期稳定性一直是工程界最为关心的问题。已经公开的资料表明，即便是一些国际上知名的仪器公司生产的产品，其长期稳定性也不能令人满足。　　有关方面测试了两个有名的欧洲仪器制造商制造的振弦式渗压计的样本漂移数据。在３年多时间里，制造商Ａ的传感器漂移量大约为1.6%F.S.，制造商Ｂ的传感器漂移量大约为1.8%F.S.（数据未进行温度和气压修正）。尽管数据点的数据较少且扩散，其漂移率却显示是与时间相关的。上述的两种传感器具有相似的漂移趋势，可能表征了设计上的问题。　　同样的测试也对比了一家著名的美国观测仪器公司与美国基康公司(GEOKON INC.)的同类传感器（每组７支）。受测仪器制造好后立即开始监测，监测进行了大约４个月。第１组和第２组传感器使用了相同的材料，但制造技术不同。从数据可以看出，头４个月里，第１组出现了明显的徐变，徐变量大约为16KPa(平均)或1.4%F.S.（数据已进行了温度和气压修正）。而第２组基康公司的传感器基本没有变化（变化小于0.1% F.S.）。
更长期的测试显示了美国基康公司生产的几种压力传感器的长期稳定性，超过7年的数据测试表明，所有的被测传感器都非常稳定并且总的漂移不超过0.2% F.S.。
　　事实表明，在弦式仪器的长期稳定性方面，至今只有为数不多的制造商真正掌握了有关技术诀窍。
７、影响弦式仪器长期稳定性的因素
　　传感器部件材料的选择：材料的选择通常是决定仪器长期稳定性的第一个因素。材料本身（不论是一种还是几种材料接合），均应有较好的力学、耐腐蚀和长期稳定性，传感器部件如壳体和膜片材料必须和弦的温度系数相匹配，且这些材料必须和使用的固定（焊接）技术兼容。
　　弦的应力：一般而言，弦的应力与应变应保持尽可能地低。在典型的压力传感器中，钢弦的屈服应力大约是2750 MPa，弦的最大应力应进行恰当的选择。通常传感器在使用后，作用在膜片上的压力减少，从而导致了弦上的应力大大降低，这样将减小弦的徐变趋势。但在应变计和位移传感器中，弦的应变常高达4000－5000微应变，弦的应力超过1000MPa，此时传感器仍应稳定地工作。
　　钢弦预张与固定技术：传感器的钢弦用预定的张力固定着，保持初始张力不变的技术是至关重要的，因为在长期受力状态下，钢弦固定端的滑动或徐变都会引起错误的信息。钢弦的固定技术被认为是生产高品质传感器的关键技术。经验证明，采用传统的机械夹持工艺难以保持预定的张力从而无法保证所有批量生产的传感器具有相同的长期稳定性。而采用特殊的焊接设备和工艺，可使弦及固端深层焊透而又不产生热应力，并且焊接不使用填充料以避免腐蚀。　　结构设计：振弦仪器的结构设计很大程度上决定了仪器的工作特性。为了最大可能的提高分辨率，钢弦的长度应尽可能短。然而，考虑到弦端固定及线圈应置于弦中心位置的要求，过短的弦常会带来一些制造上的困难。此外，当弦非常短时，在谐振情况下把弦激活变得更加困难。综上所叙述，对于特定类型的传感器例如压力传感器来说，弦长、膜片的直径、偏移量存在一个最优组合。对一些特殊性能的传感器如微压传感器，其工作量程可达厘米级，大气压力的变化对传感器的影响是非常明显的。为了修正气压的影响，传感器应与大气通气以便在压力感应膜上形成压力平衡。　　现代的弦式仪器常把弦线与壳体部件焊接成密闭共振腔。在传感器内部有限的空间内，气体温度变化可引起不容忽视的压力变化。为最大限度地减小温度变化的影响并为振弦元件提供一个稳定的环境，共振腔内应抽成真空。这样可以消除压力的影响。
　　对比数据显示了同一批产品中抽取的12支345KPA的传感器样本，在这些样本中，有6支传感器内部抽成真空，另 6支传感器内部为常压。抽真空的传感器平均对温度的灵敏度为-0.121KPA/℃，内部不抽成真空的传感器平均对温度的灵敏为0.264KPA/℃。
　　密封技术：由于大部分工程仪器是工作在恶劣环境中，密封的失效将导致传感器不能正常工作。对于压力传感器如渗压计应特别注意机壳与电缆引入处的密封，在传感器机壳有电缆引入线的地方都用双“Ｏ”型环将传感器密封在机壳里。在传感器机壳内有加工好的“Ｏ”型环槽，这就允许“Ｏ”型环自由定位并防止机壳外的差动应力对传感器造成影响。另外，在每个引线贯穿线圈内部空间的地方，应设内部隔极。即使传感器的所有“O”型环密封都失败，&127;或者水渗入到电缆里面并到达隔极密封的地方，传感器仍能正常工作。
　　失效技术：一般认为工厂失效能有助于提高现场传感器的长期稳定性，但并非所有的失效技术都保证能获得满意的长期稳定性。上面提及的其他生产商均采用了某种失效技术，然而测试数据并不能证明其失效技术的有效性。
　　电缆技术：振弦式传感器的输出信号是以频率变化的方式出现的，温度起伏、潮气侵入等引起的电缆电阻的变化对信号没有影响，故对电缆的要求较其他传感器低得多。但在长电缆条件下，多种原因产生的电子噪音对信号有一定影响。防止这种干扰的最好方法是把每对导线双绞并屏蔽起来。例如美国基康公司生产的电缆带有铝箔－聚酯薄膜绝缘带，这种绝缘带缠绕于导线周围，且电缆内设有一根裸铜排扰线以便把产生的感应电流排放到大地。此外，导线使用的绝缘材料也非常重要。聚乙烯和聚丙烯都是很好的绝缘材料且电介质吸收率很小。实践证明，这种技术是消除电子噪音的最好方法。采用这种技术，联接“拨振”型振弦式传感器的电缆延伸了３公里，传感器仍工作很好。此外，对地漏电在 5K欧姆范围以内的情况，对其他传感器如粘贴应变片式传感器来说是一个严重问题，但振弦式传感器却可以正常工作。
　　传感器的实验室长期测试：在大多数工程应用中，传感器通常是埋在结构体内，无法重新标定。在对结构特性和安全的可信程度作出决定时，具有很好的长期稳定性的传感器就显得特别重要。连续进行的实验室长期测试可以显示出传感器的稳定性随时间的变化情况并为安装在现场的传感器特性提供进一步的证明资料。同时，产品出厂的标定参数应该建立在经过连续进行的实验室长期测试结果的基础上。
８、结论
　　振弦式传感器的技术已日趋完善，弦式仪器产品的种类几乎可以满足大多数工程的需要。尽管并非每一个仪器制造商都掌握了生产高品质弦式传感器的技术，但成功的制造商的经验表明，通过谨慎选择材料和使用适当的技术，振弦式传感器可以具有很高的精度和耐恶劣环境能力，很低的温度灵敏度以及很小的长期漂移。系统控制这些材料的选择及技术的使用可以确保所有批量生产的传感器具有相同的长期稳定性。