振弦式仪器及其长期稳定性

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1、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(GEOKONINC.)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

2、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

3、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

4、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。基康仪器（北京）有限GEOKONINSTRUMENTS(BEIJING)CO.,LTD.地址：北京市海淀区彩和坊路8号天创科技大厦1111室电话：010‐62698899传真：010‐62698866两种技术的构成不同，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

5、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

6、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

7、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

8、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%