振弦式传感器的应用和发展研究

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1引言

振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。其输出的是频率信号，不需要A/D 或D/A 转换，抗干扰能力强，能够远距离传输。其稳定性、重复性较好，结构简单，寿命长，灵敏度高，因此被广泛应用于大坝、桥梁、公路等对力、位移和裂缝的检测。国际上生产振弦式传感器的著名厂家有美国基康公司，法国TELEMAL 等，他们生产的振弦式传感器在精度、寿命和稳定性方面都有良好的表现。如今，振弦式传感器已经成为了应力、应变测量的先进传感器之一。

2振弦式传感器的工作原理

金属丝在一定的拉力下具有一定的自振频率。随着应力的变化，其自振频率也跟着变化。而其自振频率跟应力具有某种数学关系。所以，通过测量金属弦的固有频率就可以换算得到外界参数的变化。

图1是振弦式传感器的等效物理模型。金属弦的自振频率的得到公式如下：

f = (1) 式中，f 为金属弦的自振频率；l 为金属弦的长度；ρ为金属弦的线密度；T 为金属弦所受张力。

而

v T s s E l l σρρσ⎧=⨯⎪⎪=⨯⎨⎪∆=⎪⎩

(2)

式中，σ为金属弦所受应力；s 为金属弦横截面积；v ρ为金属弦的体密度；E 为金属弦的弹性模量；l ∆为金属弦受张力后的长度增量。

将式(2)带入式(1)，得

f =

(3)

由上式可看出，当传感器确定之后，弦长l 、弹性模量E 、弦的体密度v ρ都为常量。外力的变化引起弦长度的增量l ∆与弦的自振频率存在着确定的关系式。

3振弦式传感器的发展历史与现状

1919年，谢弗和麦哈克公司联合研制了世界上首款振弦式传感器。虽然这款传感器能够用来测量应变。但是由于其自身的缺点，如测量范围窄、灵敏度低等，而未能大规模应用于工程实践中。而后由于技术的发展，不仅提高了其范围与灵敏度，测量与传输距离也大幅提高。使得振弦式传感器不仅用于应变的测量，还可以用来测量液位、位移、扭矩等。虽然此时振弦式传感器的各项性能已经满足工程测量的需求，但却未能广泛应用。主要原因就是采集振弦传感器信号的设备还未面世。

20世纪30年代，前苏联成功研究开发出了采集振弦式传感器信号的监测设备。振弦式传感器在工程测量中大规模应用也正是源于监测设备的成功开发。振弦式传感器由于可以长期测量液位、压力、渗流和位移等物理量，而成为大坝等水利设施上一种非常重要的传感器。 20世纪70年代后，随着电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路技术的飞速发展，振弦式传感器的研究也获得了长足的进步。现代生产的振弦式传感器由于体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输、处理和存储而成为工程监测中一种较为先进的传感器。

国外对振弦式传感器的研究起步较早，国际著名的振弦式传感器制造公司有美国基康公司(GEKON)、德国MAILHAK 公司、法国TELEMAL 公司、加拿大ROCTEST 公司及英国SCHLUBERGER 等公司。这些公司研究早，发展快，生产的传感器性能好、数字化及智能化。

国内振弦式传感器的研究开始于19世纪60年代。虽然起步较晚，但是也取得了不俗的成就。 国内比较著名的振弦式传感器公司有：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、南京格能仪器科技有限公司等。

20世纪70年代开始，山东科技大学邓铁六教授等人便投身于对振弦式传感器、智能仪器和监测系统的研究，于后来提出了()

()2200F A F F B F F =-+-的精确数学模型，提高了传感器的准确性和重复性。并与90年代研制出了单线圈振弦式传感器。此传感器的振弦传感技术由振弦传感器、激发电路、高准确度快速测频电路、单片机、微机等组成测量系统组成，是一项综合技术，具有广阔的发展前景。2010年，邓铁六等教授又发明了一种高准确度振弦式压力传感器。1984年南京水利科学研究所研制出了可以监测32个点的振弦传感器巡回检测装置。1996年崔玉亮教授等人对振弦式传感器测量精度的公式进行了修正。2013年水利部珠江水利委员会蒙永务研究了振弦式传感器频率测量的问题，针对其输出信号弱，易受干扰提出了基于锁相环的新型测频电路。

经过几十年的发展，振弦式传感器以经成为了一种技术含量高，使用广泛的传感器。振弦式传感器的研究工作也仍然在进行中。

4振弦式传感器的应用研究

4.1在大坝安全监测中的应用

4.2

4.3

4.4

5结束语