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1、第二讲第二讲 测试系统与传感器原理测试系统与传感器原理 1、测试系统的组成与主要性能指标、测试系统的组成与主要性能指标2、差动电阻式传感器的基本原理、差动电阻式传感器的基本原理3、振动钢弦式传感器的基本原理振动钢弦式传感器的基本原理4、电感式传感器的基本原理电感式传感器的基本原理 5、电阻应变片式传感器基本原理电阻应变片式传感器基本原理6、其它类型的传感器原理、其它类型的传感器原理7、测试系统选择的原则、测试系统选择的原则第一节第一节测试系统的组成与主要性能指标测试系统的组成与主要性能指标 1、科技发展与测试的关系、科技发展与测试的关系科技的发展，定量化与可控（可预测）是必然要求。科技的发展，
2、定量化与可控（可预测）是必然要求。人类获取外部信息需要借助人类获取外部信息需要借助“感官神经大脑感官神经大脑”，感官感官功能包括：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉，但人的感官功能功能包括：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉，但人的感官功能不能满足对外部世界探索与发现的需要（有感觉阀限）。不能满足对外部世界探索与发现的需要（有感觉阀限）。人类耳朵能听到人类耳朵能听到的声波频率为的声波频率为2020000Hz，一，一般在般在5005000Hz频率高于频率高于20000Hz的声波称为的声波称为超声波超声波Ultrasonic，频率低于频率低于20Hz的声波称为次的声波称为次声波声波Infrasonic。视觉阀
3、限（可见光）视觉阀限（可见光）听觉阀限（可闻声听觉阀限（可闻声)为突破感觉阀限，人类利用各类传感器去感知并记录外部世界的为突破感觉阀限，人类利用各类传感器去感知并记录外部世界的“信信息息”，这扩展并延伸了人的，这扩展并延伸了人的“感官感官”系统。系统。信息信息Information：信息是事物现象及其属性：信息是事物现象及其属性标识标识的集合。的集合。信息以物质介质为载体信息以物质介质为载体,传递和反映世界各种事物存在方式运动作态的传递和反映世界各种事物存在方式运动作态的表征，信息是物质运动规律总和表征，信息是物质运动规律总和,信息不是物质，也不是能量信息不是物质，也不是能量!信息论的创始人香
4、农认信息论的创始人香农认:“信息是能够用来消除不确定性的东西信息是能够用来消除不确定性的东西”。信号信号Signal：传送信息的载体或工具，如光、声、电信号。传送信息的载体或工具，如光、声、电信号。测试包括试验与测量的全过程，需要选用专门的仪器、设计合理的试测试包括试验与测量的全过程，需要选用专门的仪器、设计合理的试验方法并进行必要的数据处理，从而获得被测对象的有关信息的量值。验方法并进行必要的数据处理，从而获得被测对象的有关信息的量值。测试过程是人们从客观事物中获取有关信息的认识过程，是人们认识测试过程是人们从客观事物中获取有关信息的认识过程，是人们认识客观规律的重要手段和方法。客观规律的重
5、要手段和方法。测试技术的发展促进了科学技术的进步测试技术的发展促进了科学技术的进步,科学技术的进步又为测试技术科学技术的进步又为测试技术的提高创造了条件。的提高创造了条件。测试技术的作用测试技术的作用：A、参数测定、参数测定B、实时检测与监控、实时检测与监控C、参数的反馈、调节与自动控制。、参数的反馈、调节与自动控制。岩土工程中测试系统与监测的作用：参数测定、状态检测、监控岩土工程中测试系统与监测的作用：参数测定、状态检测、监控地质定性评估与监测定量分析。地质定性评估与监测定量分析。2、测试系统的组成、测试系统的组成一个完整的测试系统包括一个完整的测试系统包括:被测对象、被测物理量、测量系统、
6、信被测对象、被测物理量、测量系统、信号传输与处理系统、显示记录系统、观测者。其中测量系统一般包括传号传输与处理系统、显示记录系统、观测者。其中测量系统一般包括传感器和测量控制装置感器和测量控制装置，传感器是整个测试系统中的关键。，传感器是整个测试系统中的关键。最简单的测试系统：弹簧秤。最简单的测试系统：弹簧秤。传感器传感器（Transducer/Sensor)：能感受或响应被测物理量，并按一能感受或响应被测物理量，并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感原件和产生可用信号输出的转换原件以及相应的
7、电子线路构测量的敏感原件和产生可用信号输出的转换原件以及相应的电子线路构成。（见国家标准成。（见国家标准GB766587传感器通用术语）传感器通用术语）(感应传递）感应传递）定义定义2：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。系的、便于应用的某种物理量的测量装置。岩土工程监测中的测试系统：岩土工程监测中的测试系统：被测对象（物理量）：岩土体或工程结构（位移、力等）被测对象（物理量）：岩土体或工程结构（位移、力等）测量系统：各类仪器的组成及传感器。测量系统：各类仪器的组成及传感器。信号传输与处理
8、系统：信号传输、排除干扰、滤波、计算等。信号传输与处理系统：信号传输、排除干扰、滤波、计算等。显示记录系统：显示、记录、存储等。显示记录系统：显示、记录、存储等。传感器的分类传感器的分类1、按原理分：、按原理分：电参量：电阻、电感、电容电参量：电阻、电感、电容磁电式：磁电感应、磁栅磁电式：磁电感应、磁栅压电式：压力、加速度压电式：压力、加速度光电式：红外、光电式：红外、CCD、光纤光纤热电式：热电偶热电式：热电偶波式：超声波、微波波式：超声波、微波射线式：核辐射射线式：核辐射半导体式：温度、湿度半导体式：温度、湿度其它原理其它原理2、按用途分类：、按用途分类：位移传感器位移传感器压力传感器压力
9、传感器振动传感器振动传感器温度传感器温度传感器其它传感器其它传感器3、综合分类、综合分类3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：A、系统精度与误差系统精度与误差:测试系统的精度指测试系统给出的指示值与被测量的真值测试系统的精度指测试系统给出的指示值与被测量的真值的接近程度，误差为指示值与被测量的真值的差异程度，两者的接近程度，误差为指示值与被测量的真值的差异程度，两者是同一概念的不同表示方式。是同一概念的不同表示方式。绝对误差：绝对误差：x=x-A0相对误差：相对误差：x=(x-A0)/A0100%引用误差：引用误差：y=(x-A0)/Xm100（F.S)式中：式中：x仪器指示值
10、仪器指示值A0真值（是难以确切测量的，可用精度更高的仪真值（是难以确切测量的，可用精度更高的仪器得到约定真值）器得到约定真值）Xm仪器测量上限。仪器测量上限。3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：B、稳定性（可靠性）稳定性（可靠性）：误差随测量过程及环境影响是变化的，：误差随测量过程及环境影响是变化的，如读数产生漂移、噪声干扰等，稳定性是衡量测试系统在工作如读数产生漂移、噪声干扰等，稳定性是衡量测试系统在工作条件和工作时间内，保持原有技术性能的能力。条件和工作时间内，保持原有技术性能的能力。稳定性有两个指标：时间上的稳定性及外部环境变化引起稳定性有两个指标：时间上的稳定性及外部
11、环境变化引起的示值不稳定性。的示值不稳定性。时间上的稳定性时间上的稳定性：它是由于仪器随机性变化、周期性变化、漂：它是由于仪器随机性变化、周期性变化、漂移等引起的示值变化，一般用测量波动值与时间长短表示。如：移等引起的示值变化，一般用测量波动值与时间长短表示。如：1.3mv/8h,0.05Reading/a、0.2%F.S.R/year等等环境对稳定性的影响：环境对稳定性的影响：指工作场所的环境条件如温度、大气压、指工作场所的环境条件如温度、大气压、振动等外部条件及电源电压、频率等因素对仪器精度的影响。振动等外部条件及电源电压、频率等因素对仪器精度的影响。用影响系数用影响系数(修正系数修正系数
12、)表示表示:如温度修正系数、气压修正系数如温度修正系数、气压修正系数等。等。如：如：0.025%F.S.R/1任何仪器都有特定的使用环境要求。任何仪器都有特定的使用环境要求。3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：C、测量范围（量程）测量范围（量程）：仪器在正常工作时所能测量的量值范：仪器在正常工作时所能测量的量值范围。有些仪器同时考虑超量程指标。围。有些仪器同时考虑超量程指标。Yf.sD、分辨率分辨率：仪器所能检测到的被测量的最小变化值。：仪器所能检测到的被测量的最小变化值。E、灵敏度：、灵敏度：对测试系统当输入一个变化量对测试系统当输入一个变化量x,就会相应地输就会相应地输出
13、另一个变化量出另一个变化量y，Sy/x为测试系统的灵敏度。为测试系统的灵敏度。E、传递特性：传递特性：表示测量系统输入与输出对应关系（方程、图表示测量系统输入与输出对应关系（方程、图形、参数）的性能。动态与静态测量的传递特性是有差异的。形、参数）的性能。动态与静态测量的传递特性是有差异的。在不考虑滞后与蠕变时的静态测的数学模型为：在不考虑滞后与蠕变时的静态测的数学模型为：y=a0+a1x+a2x2+anxn其中：其中：输入输入x：被测物理量（如位移）输出：被测物理量（如位移）输出y：测量信号量（如电压）：测量信号量（如电压）a0传感器的零位输出，传感器的零位输出，a1.an为各阶常数。为各阶常
14、数。静态测量：静态测量：测量不随时间变化（或变化很慢在测量不随时间变化（或变化很慢在测量时间内可忽略）的量的测试过程叫静态测测量时间内可忽略）的量的测试过程叫静态测量。量。动态测量：动态测量：测量随时间而变化的量。测量随时间而变化的量。y（t)=f(x,t)标定曲线：标定曲线：反映测试系统输入反映测试系统输入x与输出与输出y之间关之间关系的曲线。系的曲线。A、非线性度（非线性度（No-Linearity）线性度又称非线性，是表征传感器输出线性度又称非线性，是表征传感器输出输入校准曲线输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离
15、）程度的指标。通常用相对误差来表示非线性度，偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示非线性度，即即式中：式中：Lmax输出平均值与拟合直线间的最大偏差；输出平均值与拟合直线间的最大偏差；Y FS.理论满量程输出值。理论满量程输出值。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。并考虑使用与计算方便。4、测试系统的静态传递特性指标、测试系统的静态传递特性指标下面介绍几种目前常用的拟合方法。1理论直线法理论直线法如图如图a以传感器
16、的理论特性线作为拟合直线，它以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。其优点是简单、方便，但通与实际测试值无关。其优点是简单、方便，但通常常Lmax很大。很大。2端点线法端点线法如图如图b以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为合直线。其方程式为式中式中b和和k分别为截距和斜率。这种方法也很简分别为截距和斜率。这种方法也很简便，但便，但Lmax也很大。也很大。3“最佳直线最佳直线”法法这种方法以这种方法以“最佳直线最佳直线”作为拟合直线，该直线作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏能保证传感器正反行程校准曲线
17、对它的正、负偏差相等并且最小，如图差相等并且最小，如图c所示。由此所得的线性所示。由此所得的线性度称为度称为“独立线性度独立线性度”。显然，这种方法的拟合。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，精度最高。通常情况下，“最佳直线最佳直线”只能用图只能用图解法或通过计算机解算来获得。解法或通过计算机解算来获得。当校准曲线（或平均校准曲线）为单调曲当校准曲线（或平均校准曲线）为单调曲线，且测量上、下限处之正、反行程校准数据的线，且测量上、下限处之正、反行程校准数据的算术平均值相等时，算术平均值相等时，“最佳直线最佳直线”可采用端点连可采用端点连线平移来获得。有时称该法为端点平行线法。线平移来获得
18、。有时称该法为端点平行线法。4最小二乘法最小二乘法这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。如用式（21）表示最小二乘法拟合直线，式中的系数b和k可根据下述分析求得。按最小二乘法原理，应使 最小；故由分别对k和b求一阶偏导数并令其等于零，即可求得k和b：B、滞后（、滞后（Hysteresis迟滞误差、回程误差）迟滞误差、回程误差）滞后是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减滞后是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值通常用正反行程输
19、出的最大差值Hmax计算，并以相计算，并以相对值表示（见图）。对值表示（见图）。C、不重复性（、不重复性（NoRepeatability）不重复性是衡量传感器在相同工作条件下，输入量从同一方向作满量程变化，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。D、综合误差、综合误差该误差实际反映传感器准确度，表示传感器测值接近真值的程度。一般根据非线性、滞后、重复性误差来计算综合误差，即在仪器不重复性误差、滞后误差较小时，用二次拟合曲线方法给出仪器综合误差。此方法给出的传感器的准确度较高。第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 1、仪器原理、仪器原理 差动电
20、阻式传感器是差动电阻式传感器是1932年美国人卡尔逊年美国人卡尔逊Calson研制成功的。习惯研制成功的。习惯称为卡式仪器。称为卡式仪器。1933年开始试用，以后大量使用。年开始试用，以后大量使用。1952年后形成系列年后形成系列产品。我国产品。我国58年开始研制，年开始研制，68年正式设厂生产。年正式设厂生产。利用张紧在仪器内部的弹性钢丝（电阻丝）作为传感元件，将仪利用张紧在仪器内部的弹性钢丝（电阻丝）作为传感元件，将仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式式(ElasticWire)仪器。仪器。由物理学知道
21、，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与由物理学知道，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系式：电阻变化之间有如下关系式：R/R=L/L R/R=L/L 式中式中 RR钢丝电阻变化量；钢丝电阻变化量；R R钢丝电阻；钢丝电阻；钢丝电阻应变灵敏系数：钢丝电阻应变灵敏系数：LL钢丝变钢丝变形增量；形增量；L L钢丝长钢丝长度。度。第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理可可见见仪仪器器的的钢钢丝丝长长度度的的变变化化和和钢钢丝丝的的电电阻阻变变化化是是线线性性关关系系，测测定定电电阻阻变变化化利用上式可求得仪器承受的变形。利用上式可求得仪器承
22、受的变形。钢钢丝丝还还有有一一个个特特性性，当当钢钢丝丝感感受受不不太太大大的的温温度度改改变变时时，钢钢丝丝电电阻阻随随其其温温度变化之间有如下近似的线性关系：度变化之间有如下近似的线性关系：RT=RO（1+T）22式中式中RT 温度为温度为T的钢丝电阻；的钢丝电阻；RO 湿度为湿度为0的钢丝电阻；的钢丝电阻；电阻温度系数，一定范围电阻温度系数，一定范围内为常数；内为常数；0以上以上2.8910-3（1/），），0以下以下3.1510-3（1/）T T钢丝温度。钢丝温度。故故测定电阻变化可得变形量；测定电阻变化可得变形量；测定电阻值可估计温度。测定电阻值可估计温度。第二节第二节 差动电阻式传
23、感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 差差动动电电阻阻式式（DifferentialResistanceType)传传感感器器基基于于上上述述两两个个原原理理，利利用用弹弹性性钢钢丝丝在在力力的的作作用用和和温温度度变变化化下下的的特特性性设设计计而而成成，把把经经过过预预拉拉长长度度相相等等的的两两根根钢钢丝丝0.040.06mm用用特特定定方方式式固固定定在在两两根根方方形形断断面面的的铁铁杆杆上上，钢钢丝丝电电阻阻分分别为别为R1和和R2，因为钢丝设计长度相等，因为钢丝设计长度相等，R1和和R2近似相等，如图近似相等，如图2-2所示。所示。当当仪仪器器受受到到外外界界的的拉拉压压而而
24、变变形形时时，两两根根钢钢丝丝的的电电阻阻产产生生差差动动的的变变化化，一一根根钢钢丝丝受受拉拉，其其电电阻阻增增加加，另另一一根根钢钢丝丝受受压压，其其电电阻阻减减少少，两两根根钢钢丝丝的的串串联联电电阻阻不不变变，而而电电阻阻比比R1R2发发生生变变化化，测测量量两两根根钢钢丝丝电电阻阻的的比比值值，就就可可以以求求得得仪仪器器的变形或应力的变形或应力。温度改变时，引起两根钢丝的电温度改变时，引起两根钢丝的电 阻变化是同方向的，温度升高时，阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都增大。两根钢丝的电阻则都增大。测定两根钢丝的串联电阻，测定两根钢丝的串联电阻，就就可可求求得得仪仪器器测
25、测点点位位置置的的温温度度。2-2差差动动电电阻阻式式仪仪器器原原理理受外力作用前受外力作用前：受外力作用后受外力作用后：由于由于因此电阻比的变化量为因此电阻比的变化量为由上述可知，在仪器的观测数据中，包含着有外力作用引起的由上述可知，在仪器的观测数据中，包含着有外力作用引起的Z和由温度变化引起的和由温度变化引起的T两种因数，所要观测的物理量两种因数，所要观测的物理量P应是应是Z和和T的函数，即的函数，即P=（Z,T）。在原型观测中：）。在原型观测中：PZ+bT式中：式中：仪器最小读数（仪器最小读数（-60.01）；）；b仪器温度补偿系数（仪器温度补偿系数（-6）；）；T仪器温度变化量，仪器温
26、度变化量，Z仪器电阻比变化量。仪器电阻比变化量。可见，测定电阻比的变化及温度的变化可求出受力的变化。可见，测定电阻比的变化及温度的变化可求出受力的变化。2仪器结构仪器结构差阻式仪器三芯接线差阻式仪器三芯接线差动电阻式传感器基于上述原理，利用差动电阻式传感器基于上述原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成。一般仪器内两方型铁杆上性设计而成。一般仪器内两方型铁杆上安装两对园瓷子（也可以是一对园瓷子安装两对园瓷子（也可以是一对园瓷子和一对半园瓷子），把有一定张力的两和一对半园瓷子），把有一定张力的两根钢丝绕在两对瓷子上。当仪器受到外根钢丝绕在两对瓷子上
27、。当仪器受到外力变形时，一组钢丝受拉，一组钢丝受力变形时，一组钢丝受拉，一组钢丝受压，两组钢丝电阻压，两组钢丝电阻R1、R2，分别用黑、，分别用黑、红、白三芯电缆引出红、白三芯电缆引出。差动电阻式传感器的内阻较低，在差动电阻式传感器的内阻较低，在6080之间。因此，仪器电缆的芯线电之间。因此，仪器电缆的芯线电阻或芯线接触电阻变差等会给测量带来阻或芯线接触电阻变差等会给测量带来较大误差。我国发明了利用恒流源技术，较大误差。我国发明了利用恒流源技术，用五芯电缆接法测量仪器电阻、电阻比用五芯电缆接法测量仪器电阻、电阻比的方法，消除了导线电阻及其变化对测的方法，消除了导线电阻及其变化对测值的影响，为仪
28、器实现远距离自动化精值的影响，为仪器实现远距离自动化精确测量创造了条件确测量创造了条件差阻差阻式仪器三芯接线式仪器三芯接线差阻差阻式仪器五芯接线式仪器五芯接线第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 3、仪器测读数差差动动电电阻阻式式传传感感器器的的读读数数装装置置是是电电阻阻比比电电桥桥(惠惠斯斯曼曼型型)，电电桥桥内内有有一一可可以以调调节节的的可可变变电电阻阻R，还还有有两两个个串串联联在在一一起起的的50固固定定电电阻阻M2，将将仪仪器器接接入入电电桥桥，仪器钢丝电阻仪器钢丝电阻R1和和R2就和电桥中可变电阻就和电桥中可变电阻R，以及固定电阻以及固定电阻M构成
29、电桥电路。构成电桥电路。图图a是测量仪器电阻比的线路，调节及使电桥平衡，则：是测量仪器电阻比的线路，调节及使电桥平衡，则：R/M=R1/R2 2-3M100，故故由由电电桥桥测测出出之之R值值是是及及R1和和R2之之比比的的100倍倍，R100即即为为电电阻阻比比。电桥上电阻比最小读数为电桥上电阻比最小读数为0.01。图图b是测量串联电阻时，利用是测量串联电阻时，利用上述电桥接成的另一电路，上述电桥接成的另一电路，调节调节R达到平衡时则：达到平衡时则：(M/2)/R=(M/2)/(R1+R2)2-4第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 简化式简化式2-4得：得：R
30、=(R1+R2)2-5这这时时从从可可变变电电阻阻及及读读出出的的电电阻阻值值就就是是仪仪器器的的钢钢丝丝总总电电阻阻，从从而而求求得得仪仪器器所所在测点的温度。在测点的温度。综上所述，差动电阻式仪综上所述，差动电阻式仪器以一组差动的电阻器以一组差动的电阻Rl和和R2，与电阻比电桥与电阻比电桥形成形成桥路从而测出电阻比和电桥路从而测出电阻比和电阻值阻值两个参数，来计算出两个参数，来计算出仪器所承受的应力和测点仪器所承受的应力和测点的温度。的温度。电桥测量原理电桥测量原理4该类仪器的特点及注意事项我国从六十年代开始研制生产差阻式系列传感器，到目前为我国从六十年代开始研制生产差阻式系列传感器，到目
31、前为止，已有止，已有20余万支差阻式仪器用于水电建设工程，在工程安余万支差阻式仪器用于水电建设工程，在工程安全监测领域发挥了很大作用，而我国也成为生产差阻式监测全监测领域发挥了很大作用，而我国也成为生产差阻式监测仪器最多的国家。由于该类仪器仪器最多的国家。由于该类仪器长期稳定可靠，并能兼测温长期稳定可靠，并能兼测温度度，在高水压下也可以长期可靠的工作等优点，加之我国发，在高水压下也可以长期可靠的工作等优点，加之我国发明了五芯测量技术，解决了长电缆测量中的电缆电阻及接线明了五芯测量技术，解决了长电缆测量中的电缆电阻及接线电阻变差等影响，为差阻式系列传感器实施自动化监测开辟电阻变差等影响，为差阻式
32、系列传感器实施自动化监测开辟了广阔前途。了广阔前途。差动电阻式传感器内的高强钢丝直径一般为差动电阻式传感器内的高强钢丝直径一般为0.040.06mm，钢丝极限强度一般为钢丝极限强度一般为3000Mpa。因仪器为两组钢丝差动变化，。因仪器为两组钢丝差动变化，需先对钢丝预加需先对钢丝预加250470g的张力，对的张力，对0.05mm的仪器钢丝而的仪器钢丝而言，在不工作的状态下，钢丝所受张力为言，在不工作的状态下，钢丝所受张力为13002400Mpa。所以该类仪器所以该类仪器不耐震不耐震，更不能碰撞。在仪器率定及安装埋设，更不能碰撞。在仪器率定及安装埋设过程中必须注意，否则极易造成仪器钢丝损坏而失效
33、。由于过程中必须注意，否则极易造成仪器钢丝损坏而失效。由于仪器钢丝工作在高应力状态，所以仪器的超载能力差，现场仪器钢丝工作在高应力状态，所以仪器的超载能力差，现场率定时一定注意。另外，率定时一定注意。另外，现场仪器电缆接长时接头处理不好现场仪器电缆接长时接头处理不好或电缆绝缘下降都会对测量结果造成影响或电缆绝缘下降都会对测量结果造成影响。卡式卡式仪器图片仪器图片应变计应变计渗压计渗压计测缝计测缝计钢筋计钢筋计卡式卡式仪器图片仪器图片读书仪（比例电桥）读书仪（比例电桥）多点位移计及位移传感器多点位移计及位移传感器钢板应力计钢板应力计土土压力计压力计电阻温度计电阻温度计第三节第三节 钢弦式传感器的
34、基本原理钢弦式传感器的基本原理 1、仪器原理、仪器原理 钢钢弦弦式式传传感感器器的的敏敏感感元元件件是是一一根根金金属属丝丝弦弦(一一般般称称为为钢钢弦弦，振振弦弦或或简简称称“弦弦”)。常常用用高高弹弹性性弹弹簧簧钢钢、马马氏氏不不锈锈钢钢或或钨钨钢钢制制成成，它它与与传传感感器器受受力力部部件件连连接接固固定定，利利用用钢钢弦弦的的自自振振频频率率与与钢钢弦弦所所受受到到的的外外加加张张力力关关系系式式测测得得各各种种物物理理量量，因因此此也也称称为为振振动动钢钢弦弦式式（VibratingWire)，简简称称弦弦式式。由由于于它它结结构构简简单单可可靠靠，传传感感器器的的设设计计、制制造
35、造、安安装装和和调调试试都都非非常常方方便便，而而且且在在钢钢弦弦经经过过热热处处理理之之后后其其蠕蠕变变极极小小，零零点点稳稳定定。因因此此，倍倍受受工工程程界界青青睬睬。近近年年来来在在国国内内外外发发展展较较快快，欧欧美美已已基基本本替替代代了了其其他他类类型型的的传传感感器器。弦弦式式仪仪器器1919年年在在德德国国出出现现，1932年年法法国国Telemac公公司司开开始始生生产产，后后由由于于频频率率测测定定方方法法的的限限制制发发展展较较慢慢。6070年年代代后后由由于于检检测测技技术术发发展展而而再再次次兴兴起起。钢钢弦弦式式传传感感器器所所测测定定的的参参数数主主要要是是钢钢
36、弦弦的的自自振振频频率率，常常用用专专用用的的钢钢弦弦频频率率计计测测定定，也也可可用用周周期期测测定定仪仪测测周周期期，二二者者互互为为倒倒数数。在在专用频率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。专用频率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。Vibrating Wire SensorsWireCoils第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 钢钢弦弦式式仪仪器器是是根根据据钢钢弦弦张张紧紧力力与与谐谐振振频频率率成成单单值值函函数数关关系系设设计计而而成成的的。由由于于钢钢弦弦的的自自振振频频率率取取决决于于它它的的长长度度、钢钢弦弦材材料料的的密密度度和
37、和钢钢弦弦所所受的内应力。其关系式为：受的内应力。其关系式为：26式中式中f 钢弦自振频率；钢弦自振频率；L钢弦有效长度；钢弦有效长度；钢弦的应力；钢弦的应力；钢弦材料密度。钢弦材料密度。fE钢弦材料的弹性模量￥第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 由由式式(26)可可以以看看出出，当当传传感感器器制制造造成成功功之之后后所所用用的的钢钢弦弦材材料料和和钢钢弦弦的的直直径径有有效效长长度度均均为为不不变变量量。钢钢弦弦的的自自振振频频率率仅仅与与钢钢弦弦所所受受的的张张力有关：因此，张力可用频率力有关：因此，张力可用频率f f的关系式来表示：的关系式来表示：27式中式中F
38、钢弦张力；钢弦张力；K传感器灵敏系数；传感器灵敏系数；f x张力变化后的钢弦自振频率张力变化后的钢弦自振频率;f o传感器钢弦初始频率；传感器钢弦初始频率；A修正常数修正常数(在实际应用中可设为在实际应用中可设为“0”)第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 从从式式(27)中中可可以以看看出出，钢钢弦弦式式传传感感器器的的张张力力与与频频率率的的关关系系为为二二次次函函数数，频频率率平平方方与与张张力力为为一一次次函函数数。仪仪器器的的结结构构不不同同，张张力力“F”可可以以变变换换为为位位移移、压压力力、压压强强、应应力力、应应变变等等各各种种物物理理量量。从从式式(2
39、7)中中可可以以看看出出钢钢弦弦的的张张力力与与自自振振频频率率的的平平方方差差呈呈直直线线关关系系。为为方方便便起起见见，一一般般用用频频率率模模数数F表表示示弦弦式仪器的输出量，式仪器的输出量，F=f2/1000。这样，物理量的变化与频率模数为线性关系。这样，物理量的变化与频率模数为线性关系。2仪器结构仪器结构弦式应变计由两端头加一张紧的弦、外壳、激励线圈等弦式应变计由两端头加一张紧的弦、外壳、激励线圈等组成。该小应变计芯子装在钢筋计钢套上组成钢筋计；组成。该小应变计芯子装在钢筋计钢套上组成钢筋计；锚索测力计钢筒上装上锚索测力计钢筒上装上36支弦式应变计即组成锚索测支弦式应变计即组成锚索测
40、力计。弦式测缝计为一钢弦与一吊簧组成位移测量传感力计。弦式测缝计为一钢弦与一吊簧组成位移测量传感器。钢弦吊一不锈钢浮子可组成量水堰水位计。器。钢弦吊一不锈钢浮子可组成量水堰水位计。3、频率测量、频率测量测量系统主要由振弦式传感器、激振电路、检测电路、测量系统主要由振弦式传感器、激振电路、检测电路、微控制器控制、测频电路等组成。微控制器控制、测频电路等组成。激振电路采用扫频激振技术，当激振频率和传感器振弦激振电路采用扫频激振技术，当激振频率和传感器振弦的固有频率接近时，振弦能迅速达到共振状态。的固有频率接近时，振弦能迅速达到共振状态。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然作衰减震荡。当激振信号撤去
41、后，弦由于惯性作用仍然作衰减震荡。振动产生的感应信号通过检测电路滤波、放大、整形成振动产生的感应信号通过检测电路滤波、放大、整形成脉冲信号送到微控制器，微控制器通过测量脉冲信号的脉冲信号送到微控制器，微控制器通过测量脉冲信号的周期或频率，即可测得传感器的振动频率周期或频率，即可测得传感器的振动频率第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 钢钢弦弦传传感感器器的的激激振振一一般般由由电电磁磁线线圈圈完完成成。经经过过把把各各类类物物理理量量转转换换为为拉拉(或或压压)力力作作用用在在钢钢弦弦上上，改改变变钢钢弦弦所所受受的的张张力力，在在磁磁芯芯的的激激发发下下，使使钢钢弦弦的
42、的白白振振频频率率随随张张力力变变化化而而变变化化。通通过过频频率率的的变变化化可可以以换换算算出出被被测测物物理理量量的的变变化化值值。由由于于钢钢弦弦放放置置于于电电测测原原件件“磁磁芯芯”的的磁磁场场中中，当当钢钢弦弦振振动动时时就就在在接接收收线线圈圈中中产产生生感感应应电电动动势势V。测测出出它它的的频频率率就就确确定定了了被测钢弦的自振频率。被测钢弦的自振频率。钢钢弦弦传传感感器器的的激激振振方方式式不不同同，所所需需电电缆缆的的芯芯数数也也不不同同。图图25中中的的三三种种激激振振方方式式代代表表了了钢钢弦弦式式传传感感器器的的发发展展过过程程。图图25(a)是是单单线线圈圈间间
43、歇歇激激振振型型传传感感器器，它它激激振振相相接接收收共共用用一一组组线线圈圈，结结构构简简单单，但但由由于于线线圈圈内内阻阻不不可可能能很很大大，一一般般是是几几十十欧欧姆姆到到几几百百欧欧姆姆。因因此此，传传输输距距离离受受到到一一定定限限制制，抗抗干干扰扰能能力力比比较较差差，传传输输电电缆缆要要求求截截面面较较大大的的屏屏蔽蔽电电缆为好。缆为好。第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 单单脉脉冲冲输输入入：当当激激发发脉脉冲冲输输到到磁磁芯芯线线圈圈上上，磁磁芯芯产产生生一一个个脉脉动动磁磁场场拨拨动动钢钢弦弦，所所以以国国外外也也有有叫叫“拨拨弦弦式式”，钢钢弦弦
44、被被拨拨动动后后产产生生一一个个衰衰减减振振荡荡，切切割割磁磁芯芯的的磁磁力力线线在在磁磁芯芯的的输输出出端端也也产产生生如如图图2 25(a3)5(a3)的的衰衰减减正正弦弦波波。接接收收仪仪表表测测出出此此波波的的频频率率即即为为钢弦此刻的自振频率。钢弦此刻的自振频率。三三线线制制双双线线圈圈钢钢弦弦式式传传感感器器：有有两两个个线线圈圈组组成成一一个个线线圈圈为为激激振振线线团团，一一个个为为接接收收线线圈圈。激激振振线线圈圈由由二二次次仪仪表表送送来来一一个个l000Hzl000Hz左左右右的的激激发发脉脉冲冲，一一船船为为正正弦弦波波或或锯锯齿齿波波。当当钢钢弦弦激激振振后后由由接接
45、收收线线圈圈传传送送到到二二次次仪仪表表中中，经经放放大大反反馈馈一一部部分分到到激激发发线线圈圈上上，使使激激发发频频率率与与接接收收频频率率相相等等，让让钢钢弦弦处处于于谐谐振振状状态态一一部部分分送送到到整整形形、计计数数、显显示示电电路路测测出出频频本本。这这种种结结构构比比单单线线圈圈的的性性能能有有了了很很大大的的改改善善，但但同同样样存存在在线线圈圈内内阻阻小小对对电电缆缆要要求求较较高高的的不不足足。常常用用三三芯芯或或双双芯芯屏屏蔽蔽电电缆缆，屏屏蔽蔽层层或或其其中中一一芯芯为为公公用线，一芯激发线，一芯接收线。用线，一芯激发线，一芯接收线。第三节第三节 钢弦式传感器的基本原
46、理钢弦式传感器的基本原理 25三种钢弦式传感器原理图三种钢弦式传感器原理图（a）单线圈间歇激振（拨弦式）型输入输出波形；（单线圈间歇激振（拨弦式）型输入输出波形；（b）三线制双线圈连续激振型输三线制双线圈连续激振型输入输出波形；（入输出波形；（c）二线制双线圈连续激振型输入输出波形二线制双线圈连续激振型输入输出波形第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 二二线线制制双双线线圈圈的的钢钢弦弦传传感感器器：结结构构比比较较新新颖颖，磁磁芯芯中中有有一一组组反反馈馈放放大大电电路路，对对二二次次仪仪表表来来说说，由由二二芯芯传传输输线线直直流流输输入入，经经内内部部电电路路激激发
47、发，正正弦弦波波输输出出。此此方方式式采采用用了了现现代代电电子子技技术术，把把磁磁芯芯内内阻阻做做到到3500左左右右，内内阻阻提提高高，传传输输损损耗耗小小，传传输输距距离离较较远远，抗抗干干扰扰增增强强。因因此此，对对电电缆缆要要求求较较低低。一一般般用用二二芯芯不不屏屏蔽蔽电电线线即即可可。若若一一组组有有几几个个传传感感器器的的，每每增增加加一一只只传传感感器器只只需需增增加加一一芯芯电电缆缆。例例一一组组四四点点位位移移计计只只需一根需一根5芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。钢钢弦弦式式传传感感器器利利用用电电磁磁线线圈
48、圈铜铜导导线线的的电电阻阻值值随随温温度度变变化化的的特特性性可可以以进进行行温温度度测测量，也可在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。量，也可在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。钢钢弦弦式式传传感感器器的的优优点点是是钢钢弦弦频频率率信信号号的的传传输输不不受受导导线线电电阻阻的的影影响响，测测量量距距离离比比较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。44、VibratingVibrating Wire AdvantagesWire AdvantagesFrequencyoutput-cantransmitsig
49、nalsoverlongcables-notinfluencedbywaterormoisture-easilydataloggedRobust(结实、牢靠）结实、牢靠）Failsafe（故障保护）（故障保护）LongTermStability Defined as the change in calibrated output with respect to time Is critical when transducers are installed and re-calibration is not possible Long term stability dataLong term s
50、tability data for 8 for 8 GeokonGeokon vibrating wire pressure vibrating wire pressure transducers under laboratory conditionstransducers under laboratory conditionsVibratingVibrating Wire DisadvantagesWire DisadvantagesNot suitable for dynamic applicationsCan be damaged by electrical surges,lightni