振弦式传感器的工作原理及其特点
振弦式传感器的工作原理及其特点
振弦式传感器（String Vibration Sensor）是一种常见的机械振动测量装置，广泛应用于工程领域的振动监测和控制中。
本文将介绍振弦式传感器的工作原理及其特点。
一、工作原理振弦式传感器的工作原理基于维纳-弗洛伊德方程（Wien-Floquet-Equation），即将传感器的振弦进行理论分析，其中振弦是一个由弹性材料制成的细长线性结构。
当振弦受到外部机械振动作用时，会引起它的振动，传感器通过测量振动的频率、振幅和相位等参数，来确定外部振动的强度和频率。
振弦式传感器通常由振弦、固定支承和传感器电子模块组成。
振弦的两端固定在支承上，当受到外部振动力作用时，振弦会发生弯曲振动或拉伸振动。
传感器电子模块通过电极对振弦进行振动信号的采集和分析，将振动信号转化为电信号输出，完成对振动信号的测量。
二、特点1.高精度测量：振弦式传感器采用先进的振动信号处理技术，能够实现高精度的振动测量。
传感器对振动信号的测量范围广，能够捕捉到微小的振动变化。
2.宽频率响应：振弦式传感器具有较宽的频率响应范围，可以测量多种类型振动的频率。
传感器能够满足不同应用场景下的频率要求，适用于多种机械设备的振动监测。
3.快速响应：振弦式传感器响应速度快，可以准确捕捉瞬态振动信号。
传感器具有良好的动态特性，适用于对快速振动变化的监测和控制。
4.稳定可靠：振弦式传感器采用高品质的材料和先进的制造工艺，具有良好的稳定性和可靠性。
传感器在长时间工作中能够保持较高的测量精度，具有较长的使用寿命。
5.易于安装和维护：振弦式传感器安装简便，可以灵活布置在需要监测的位置。
传感器的维护成本低，不需要频繁的校准和调整。
6.多种输出方式：振弦式传感器可以通过模拟信号输出或数字信号输出，方便与其他设备进行数据交互和处理。
传感器具有多种接口选项，适配不同的控制系统和数据采集设备。
7.广泛应用：振弦式传感器广泛应用于机械设备振动监测、故障诊断和预警等领域。
《2024年总线式振弦传感器监测装置的研究与开发》范文
《总线式振弦传感器监测装置的研究与开发》篇一一、引言在现代工业生产过程中，振弦传感器的使用愈发普遍。
对于如地震、桥梁、大坝等重要工程结构的监测，其准确性、稳定性和实时性要求极高。
总线式振弦传感器监测装置作为现代传感器技术的重要一环，其研究与开发对于提高监测系统的性能和可靠性具有重要意义。
本文将详细探讨总线式振弦传感器监测装置的研究与开发，包括其原理、设计、应用等方面。
二、总线式振弦传感器原理及特点总线式振弦传感器是一种基于振弦效应的传感器，其工作原理是通过测量振弦的振动频率或振动周期来反映被测物理量的变化。
振弦传感器具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点，广泛应用于各种工程结构的监测。
总线式振弦传感器通过采用总线技术，实现了多个传感器的并联连接，简化了系统布线，提高了系统的可扩展性和可靠性。
三、总线式振弦传感器监测装置的设计1. 硬件设计：总线式振弦传感器监测装置的硬件设计主要包括传感器部分和数据处理部分。
传感器部分负责采集振弦的振动信息，包括振弦的振动频率或振动周期；数据处理部分负责对采集的数据进行处理和分析，如信号滤波、数据转换等。
同时，为保证数据的实时性和可靠性，硬件设计还需考虑抗干扰能力、低功耗等方面的要求。
2. 软件设计：软件设计是总线式振弦传感器监测装置的核心部分，主要包括数据采集、数据处理、数据传输和上位机软件等部分。
数据采集部分负责从传感器中获取原始数据；数据处理部分负责对原始数据进行处理和分析，提取有用的信息；数据传输部分负责将处理后的数据传输给上位机；上位机软件负责对数据进行进一步的处理和展示。
四、总线式振弦传感器监测装置的应用总线式振弦传感器监测装置广泛应用于各种工程结构的监测，如桥梁、大坝、建筑结构等。
通过安装振弦传感器，可以实时监测结构的状态和变化，及时发现潜在的安全隐患。
同时，总线式振弦传感器监测装置还可以与其他监测系统进行集成，实现多参数、多功能的综合监测。
五、结论总线式振弦传感器监测装置的研究与开发对于提高工程结构监测的准确性和可靠性具有重要意义。
(完整word版)振弦式传感器
基于振弦式传感器测频系统的设计白泽生(延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000)利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。
因此，可获得非常理想的测量效果。
1 振弦式传感器的工作原理振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。
振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。
振弦的振动频率可由以下公式确定：其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。
当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。
2 测频系统的设计2.1 基本原理振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。
通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。
当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。
单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。
测频原理框图如图2所示。
2.2 系统硬件电路设计根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。
主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。
工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。
2.2.1 激振电路激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。
振弦式传感器汇总
弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑
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第四章 非电量的电测技术
7
2、非线性
振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输 出-输入特性如下图所示。
为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。 也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根 振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度 误差和非线性误差。
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第四章 非电量的电测技术
8
3、频率稳定性
f
2
1 4l 2
El
vl
K
f
df f
dE E 3 dl 2 2l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传 感器的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
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第四章 非电量的电测技术
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三、振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计
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第四章 非电量的电测技术
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第四章 非电量的电测技术
3
1、间歇激发 当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线
圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自 由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输 出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量 感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。
（三）部件性能对传感器性能的影响
振弦 电磁铁 弦的夹紧件
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第四章 非电量的电测技术
6
二、传感器的特性分析
1、灵敏度
1 El f=
2l vl
2 fdf Kd
f
8.2振弦式传感器
✓ 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器， 电路输出信号频率与作用力的大小有关，可以通过测量 输出信号的频率来测量作用力。
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88..22..33 振振弦弦传传感感器器的的误误差差
✓ 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过 测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
✓ 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络， 起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和 C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。
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✓ 根据以下三式
d
dt
， e Ble ，和 FL Bl ie L
可得
e Ble
d
dt
Ble k
dFL dt
B2le2 k
diL dt
式中，iL为对应于力FL的电流。
（8.2.6）
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✓ 由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中
的电感，其等效电感为
振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同 的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 ✓ 改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振荡频率的变 化。 ✓ 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。
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✓ 由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。
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6-3节 振弦式传感器
§6-3 振弦式传感器
设在时间 t = tx 时振弦偏离初始平横位置为δ，则其弹性反作用力 Fe 为
式中 由于
Fe=kδ
k——振弦的横向刚度系数。
d
dt
v,e Blv, Fe
Blie
, 则反电势为
e Bl d (Bl )2 die
dt k dt
(6-12) (6-13)
弦的应力不能太大或太小，太小会影响传感器的稳定性，不容易起振； 太大则又可能超过弦的屈服点，使弦产生较大的松弛，影响传感器的精度。由 于弦质量不可能完全均匀，因此使用时对弦的抗拉强度应考虑一定的安全系数。
另外，除正确地选择振弦的材料及几何尺寸外，还必须进行适当的应力 及热老化处理。实验表明，一根未经热处理的弦在长期的高应力拉伸下，会逐 渐松弛，并在高应力、高温度情况下会加速松弛的过程。当弦经过高应力和热 老化处理后，松弛过程基本上可消除。
此时，振弦的固有频率 f0 可由下式决定
f0
1 2l
T
式中
l——振弦的有效长度；
(6-7)
ρ——振弦的线密度（单位长度的质量）。
由上式可见，对于ρ为定值的振弦，其固有频率f0由张力T或有效长度l决 定。因此，张力T或长度l可用f0来测量。利用振弦的固有频率与其张力的函数
§6-3 振弦式传感器
关系，可以作成压力、力、力矩或加速度传感器；利用振弦的固有频率与其 长度l的函数关系，可以作成温度式、位移式传感器。
§ 6-3 振弦式传感器
振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧 力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。其 输入量为力，输出量为频率信号。
振弦式传感器的工作原理及其特点
振弦式传感器的工作原理及其特点振弦式传感器是一种常见的测量物理量的传感器，其工作原理是基于共振频率的变化。
该传感器通常由一根细长的弹性杆状物体（振弦）组成。
当受到外界物理量的作用时，振弦将发生弯曲、扭转等形变，从而改变其固有的共振频率。
通过测量共振频率的变化，我们可以得到外界物理量的相关信息。
振弦式传感器的工作原理可以通过简单的梁（杆）弯曲模型来解释。
当振弦受到外力作用时，它将在弯曲方向上振动。
振动的频率取决于振弦的弹性特性和几何尺寸。
在无外力作用时，振弦具有固有的基频。
当外力作用于振弦时，它将改变振弦的弹性特性和几何尺寸，从而改变其频率特性。
因此，通过测量频率的变化，我们可以获得外力的信息。
1.高灵敏度：振弦式传感器可以实现很高的灵敏度。
由于振弦对外力变化的响应非常敏感，因此可以检测到微小的力、压力、液位等变化。
这使得振弦式传感器在许多应用中非常有用，特别是需要高精度测量的场合。
2.宽测量范围：振弦式传感器适用于广泛的测量范围。
它可以测量从微小的力到大型结构的压力、应变等物理量。
通过选择合适的振弦材料和尺寸，可以实现不同范围的测量要求。
3.快速响应：由于振弦式传感器对外界物理量的变化非常敏感，因此其响应速度非常快。
这使得它在需要高频率反馈的快速响应系统中非常有用，例如振动测量和动态力学测量。
4.高精度：振弦式传感器具有高精确度。
通过精确计算和控制振弦的几何尺寸和材料特性，可以获得非常准确的测量结果。
此外，振弦式传感器的测量结果受到环境温度、湿度等因素的影响较小，因此可以在各种环境条件下获得可靠的测量数据。
5.强韧耐用：振弦式传感器通常采用高强度、耐腐蚀的材料制成，可以在恶劣的工作环境中使用。
其结构简单，无易损件，因此具有较长的使用寿命和良好的可靠性。
6.易于集成和安装：振弦式传感器可以灵活地设计和制造，便于集成到各种系统和设备中。
它们通常采用小型、轻量级的结构，易于安装和操纵。
此外，振弦式传感器可以通过合适的信号放大和处理电路，与其他设备进行接口连接，实现自动化控制和远程监测。
振弦式传感器原理
振弦式传感器原理
振弦式传感器是一种常见的测量和检测物理量的装置，它基于弦的振动频率与被测物理量之间的关系。
它由弦、传感元件和信号处理装置组成。
在振弦式传感器中，弦部分通常由金属或其他材料制成，具有一定的弹性和韧性。
当弦受到外力作用时，会发生振动，其频率与外力的大小成正比。
传感元件负责测量弦的振动频率，常见的传感元件包括压电陶瓷和电容式传感器。
传感元件会将振动频率转化为相应的电信号。
信号处理装置是振弦式传感器的核心部分，它负责接收传感元件输出的电信号，并对其进行放大、滤波和计算等处理。
在信号处理过程中，可以采用模拟电路和数字电路两种方式。
模拟电路一般用于较简单的振弦式传感器，而数字电路可实现更精确和复杂的信号处理。
振弦式传感器的工作原理基于弦的振动频率与外力之间的关系。
当外力作用在弦上时，会改变弦的振动频率，进而对应的电信号也会发生变化。
通过测量弦的振动频率或电信号的变化，可以推导出外力的大小或其他被测物理量的信息。
振弦式传感器具有灵敏度高、响应快、精度高等优点，因此在工业自动化控制、仪器仪表、机械制造等领域得到广泛应用。
它可以用于测量压力、力、扭矩、振动、位移等多种物理量，具有较大的适用范围。
振弦式传感器的原理及校准方法
基本误差 ( %FS) 三个循环各 点平均值 R i
962012 915110 868214 821211 774310 750816 738915 727210 715511 703618 680016 632911 585415 538210 491114
第二循环上 、 下 两行程平均值
962010 915018 868213 821119 774310 750816 738916 727119 715511 703618 680011 632819 585419 538118 491110
N N N
C0 N + C1
N
i =1
∑
R i + C2
N
i =1
∑
R2 i =
N
i =1
φ ∑
i
N
BN +
N
i =1
∑
Ri =
N
i =1
φi ∑
N
C0
i =1
∑
N
R i + C1 R i + C1
2
i =1 N
∑
R i + C2 R i + C2
3
2
i =1 N
∑
Ri = Ri =
4
3
i =1 N
励 ,一个线圈接收 。图 1 是振弦式倾角测量仪的传 感器结构图 ,采用的是单线圈激励方式 ,当倾角变化 时 ,下垂重块发生摆动 ,振动钢弦内部的应力也发生 了改变 ,根据式 ( 1 ) 则输出频率也发生了变化 , 再与 二次仪表钢弦频率测定仪配合即可读出振动频率 值 。假设下垂重块的摆动角度为 φ ,角度 φ 与钢弦 的拉力 p 之间有转换关系 ,简化考虑成一次线性关 系 ,引入系数 k ,将式 ( 1) 变换 ,得到式 ( 2 ) ,其中 : f 0 为初始角对应的频率值 。
8.2振弦式传感器
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由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过
测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
图 8.2.1（ b）中的 R1 、 R2 和场效应管组成负反馈网络，
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8.2.2 8.3.2 激振装置 扭矩测量原理
振弦振动有强迫振动、自由振动和自激振动三种方式。 图8.2.2给出了振弦传感器在自激振动状态下的两种激励方
式的原理图。
（1）磁电式变换器 如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图
a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
振弦的等效LC谐振回路作为整个振荡电路中的正反馈网 络，由于振弦对于它的固有振动频率有着非常尖锐的阻 抗特性，电路只在其信号频率等于振弦的固有振动频率 时才能达到振荡条件。
R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
的频率，根据频率变化测定膜片所受压
力的大小。
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3.5.13.5传感器测量原理振弦式传感器原理
June 10, 2004
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Introduction to thesis
3.5 钢弦式压力盒
3.5.1 基本原理 土压力盒的主要技术性能参数
• 灵敏度系数K
土压力盒在未受压力时：
f0
1 2L
0
•
土压力盒在受压力时： fi
1 2L
0
灵敏度系数 传感器系数
• 综合以上两式可得：
Pi
4L2 • A
，易于防潮，可用于长期观测，故在地下工程和岩土工程现场测 试和监测中得到广泛的应用。其缺点是灵敏度受压力盒尺寸的限 制，并且不能用于动态测试。该种传感器是测定地下结构和岩土 体压力最为常用的元件。
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Introduction to thesis
3.5 钢弦式压力盒
构造分类 现在使用的土压力盒，从盒体构造分，可以分为：
• 单膜式土压力盒 • 双膜式土压力盒
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土压力传感器
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Introduction to thesis
3.5 钢弦式压力盒
June 10, 2004
1——一次膜 2——盒体
3——后盖
单膜式土压力传感器
7
Introduction to thesis
3.5 钢弦式压力盒
1——一次膜 2——盒体 3——后盖 4——二次膜
21
3.5 钢弦式压力盒 3.5.2土压力盒的选择和埋设
土压力盒的埋设方法 直接埋设 预留孔埋设 量测墙体接触压力时 土压力盒的埋设
22
3.5 振弦式传感器 3.5.3振弦式钢筋应力计
钢弦式钢筋应力计的构造 钢弦式钢筋应力计主要由传力应变管（钢管）、钢弦及其夹紧部 件、电磁激励线圈等组成。基本原理与钢弦式土压力盒相同。
振弦式传感器的工作原理
振弦式传感器的工作原理振弦式传感器是一种基于振动原理的传感器，能够测量物体的重量、压力、拉力、扭矩等物理量。
它主要由振动系统、传感器信号处理器等组成。
本文将详细介绍振弦式传感器的工作原理。
1. 振弦式传感器的基本结构振弦式传感器主要由振弦、加速度计和电子秤三部分组成。
振弦：振弦是传感器的核心部分，它由两个平行的弦组成，用来测量物体施加在传感器上的力。
加速度计：加速度计是用来测量振弦在振动过程中加速度的一种设备。
电子秤：电子秤是将电子元件与传统机械秤结合起来的一种智能秤，能够将振弦产生的信号转换成数字信号输出，从而实现精确的测量。
2. 振弦式传感器的工作原理振弦式传感器的原理基于振动原理，通过测量振弦在物体施加作用力的情况下，在垂直方向的振动状态和振动周期的变化，来确定物体的质量。
在静止状态下，传感器振弦处于稳定状态，平衡力和弹性力平衡。
但当施加作用力时，振弦发生弹性形变，暂时失去平衡状态，从而导致振弦发生振动。
振动过程中，振弦始终处于弹性变形状态，而变形程度和物体施加的力成正比。
同时，振弦的振动周期和物体的质量成正比，振动幅度和物体施加的力和质量也成正比。
加速度计则测量振弦在振动状态下的加速度，经过积分后得到振弦的振动位移。
进而通过信号处理器处理后，输出电信号进行计算和转换，最终得到物体的质量。
3. 振弦式传感器的优缺点3.1 优点1.测量范围大：振弦式传感器可以测量物体的重量、压力、拉力、扭矩等物理量，测量范围大。
2.精度高：振弦式传感器精度高，可以实现精确测量，并且稳定性好。
3.响应速度快：振弦式传感器相对于其他传感器响应速度较快，可以实现实时读取。
3.2 缺点1.价格高：振弦式传感器价格较高，不适合大规模生产。
2.使用不方便：振弦式传感器需要在物体上施加作用力才能测量，使用上较为不方便。
3.稳定性不够高：由于振弦式传感器振动时需要克服空气摩擦力和阻尼力等因素的影响，因此稳定性不够高。
4. 总结振弦式传感器通过测量振弦在振动过程中的振幅、频率等参数来测量物体的重量、质量、压力、拉力等物理量，具有测量范围大、精度高和响应速度快等优点。
振弦式传感器的工作原理及其特点
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。
如图丨所示，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。
接收贱圈输止團］掘弦旬割S器工作原理團（连鮭超D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疋;L --- 钢弦的有效长度i p 一-钢弦材料密度；（T 0——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受力壳体钢弦式中，f 0初始频率;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。
【全文】振动传感器的原理及应用 (1)
a
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2、机械隔离器
为了避免振梁与产生力的机械系统直 接连接，在振动梁两端固定着机械隔离系 统，它包括隔离器弹性体，隔离器质量块 以及弯曲去载区。隔离系统的自振频率要 选择得比振动梁的低得多（约低几个数 级），从而能有效地消除固定件对振动梁 的影
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响，振动梁端部的反作用力和反作用力矩 将迫使隔离器的质量块和弹性体振动，由 于隔离系统的自振频率很低，从而可以消 除对振动梁频率的影响，也就是把梁隔离 起来了。
a
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振动与激励元件均由铁芯和线圈组成， 为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空 间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定。圆 柱壳与外壳之间形成真空腔，被测压力引 入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误 差，在圆柱壳内安置了一个起补偿作用的 温度敏感元件。
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电磁激励振动筒压力传感器原理结构
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采用电磁方式作为激励、拾振手段最突 出的优点是与壳体无接触，但也有一些不 足。如电磁转换效率低，激励信号中需引 入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定 性差，易于产生电磁耦合等。
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对运行中机械设备的工作状态有无异常， 设备运行故障原因在哪里进行监测的各种 振动测量仪器。设备管理人员与维修人员 能利用这些振动测量仪方便地检测运行中 电机、泵、风机、压缩机等一切机械设备 的振动值，从中得到许多设备运行的重要 信息。
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VIB-10b便携式智能振动测量仪
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但大多数便携式振动测量仪只有测量、 显示及少量的存储等功能，测量人员通 过检测运行设备的振动值后，还需根据 被测设备的类型、功率及允许的振动限 值来判断该设备的工况（良好、正常、
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振弦式应变传感器特性研究_张莉
收稿日期:2004-06-28作者简介:张 莉(1973-),女,山西平顺人,工程师,硕士,从事煤炭技术开发与管理工作。
理论研究振弦式应变传感器特性研究张 莉(天地科技股份有限公司,北京和平里 100013)摘 要:振弦式应变传感器具有很多特点和优点,稳定性好,可靠性高,近年来被一些重大工程如核电站安全壳、煤矿井巷等所广泛选用。
介绍了振弦式应变传感器基本原理,工作特征和使用选型。
关键词:振弦式应变传感器;应变;频率;灵敏系数中图分类号:T H87 文献标识码:A 文章编号:1005-2798(2004)05-0002-031 工作原理将一根金属丝(弦)两端固定然后张拉,金属丝内部将产生一定的张力,此时金属丝的固有振动频率与其内部张力就具有一定的定量关系,根据动力学原理可以得到金属丝振动公式(1)。
f =k l σρ(1)式中:f ———金属弦的振动频率,Hz ;k ———0,1,2……;σ———金属丝内部张力,N ;l ———金属丝长度,m ;ρ———金属丝密度,kg /m 。
由公式(1)知,金属丝振动频率与张力的平方成正比,当金属丝内部张力变化时,其固有振动频率将随之发生变化,通过测试弦的固有振动频率的变化就可以确定其内部张力,而内部张力可以由结构应变引起,振弦式应变传感器就是根据这一原理而制成。
振弦式应变传感器结构,见图1。
一根金属钢丝弦两端被固定,外部有一金属管起支撑和保护作用,金属管的中间位置有一个激励线圈和测温电阻,用一个脉冲电压信号去激励线圈,线圈中将产生变化的磁场,钢丝弦在磁场作用下产生衰减振动,振动频率为钢丝弦固有频率,因此可知钢丝弦固有频率与其长度、内部张力有关。
当传感器两端受到压缩或拉伸时,其内部张力将发生变化,从而引起钢丝弦固有频率的变化,所以通过钢丝弦的固有频率的变化,可以方便地测出外界应变的变化。
振弦式传感器主要有两种工作方式,一种是单线圈激励方式,另一种为双线圈激励方式。
什么是振弦式传感器？
什么是振弦式传感器？振弦式传感器是一种常见的物理量测量设备，它基于物体的振动特性来测量物理量，比如压力、重量、力等。
振弦式传感器是一种非常精确和高精度的传感器，其测量的准确性很高，常用于实验室和科研领域中。
工作原理振弦式传感器主要由振弦和线性电容数组组成。
振弦是一种能够发生固有频率振动的弹性元件，它的振动特性与物体的质量和弹性系数有关。
当振弦受到外力作用时，其产生的振动会引起线性电容数组的电容值改变，通过测量电容差值即可计算出物体所受的力或压力大小。
优点和缺点振弦式传感器具有以下优点：1.高精度：振弦式传感器测量的准确性非常高，可以达到微克级别。
2.宽频响：振弦式传感器的工作频率范围很宽，可以满足不同要求的测量需求。
3.可扩展：振弦式传感器可以与其他传感器组合使用，实现多种物理量的测量。
4.稳定性好：振弦式传感器具有较好的稳定性和可靠性。
但是，振弦式传感器也具有以下缺点：1.价格较高：振弦式传感器的制造和校准成本较高，导致价格较高。
2.独立性差：振弦式传感器在外力作用时容易受到干扰，对测量结果产生影响。
3.大量原材料：振弦式传感器需要大量的原材料，制造过程对环境产生一定的影响。
因此，使用振弦式传感器需要仔细评估利弊，根据实际需求选择合适的传感器。
应用场景振弦式传感器被广泛应用于以下领域：1.实验研究：振弦式传感器在实验室中被用来测量微小物理量，如分子质量、微重量、弹性恢复力等。
2.工业制造：振弦式传感器可用于测量机器设备的振动、电机的角动量、压力等物理量，从而保证设备的正常运行。
3.建筑结构监测：振弦式传感器可以用于监测构建结构的振动频率、应变、压力等物理量，以诊断和修复建筑结构的损伤。
4.医学领域：振弦式传感器可用于测量人体的重量、血压、心率等生理参数，从而帮助医生诊断疾病。
总结振弦式传感器是一种高精度和稳定性好的传感器，被广泛应用于实验室、工业制造、建筑监测和医学领域等。
虽然其价格较高、独立性差、对环境影响较大，但是在一些精密度高、准确度要求高的领域中仍是首选传感器。
振弦式传感器资料
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第四章 非电量的电测技术
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3、频率稳定性
f
2
1 4l 2
El
vl
K
f
df f
dE E 3 dl 2 2l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传 感器的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
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第四章 非电量的电测技术
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三、振弦式传感器的应用
弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮 的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。
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第四章 非电量的电测技术
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一、工作原理和测量电路 （一）工作原理
顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，
称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变
振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐
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第四章 非电量的电测技术
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1、间歇激发 当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线
圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自 由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输 出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量 感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。
1、振弦式混凝土表面应变计
运用：测量混凝土表面的应变， 主要设计用于安装到混凝土结 构上，如:混凝土结构、桩；梁； 桥；锚筋；隧洞衬砌；吊索。 在混凝土结构上以及使用区间 有限的部位仅需一个小截面即 可安装。
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第四章 非电量的电测技术
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2、振弦式沉降仪
运用：用于测量和控制纵 向运动，水坝和河堤沉降； 建筑地基和储油罐的沉降 和隆起；海填埋的施工控 制；桥墩和桥拱座的沉降； 掩埋场的监测；
振弦式压力传感器原理
振弦式压力传感器原理振弦式压力传感器原理振弦式压力传感器是一种常用的压力测量设备，其原理基于振弦在受力时的共振频率变化。
以下将从浅入深地解释振弦式压力传感器的原理及其工作过程。
原理概述振弦式压力传感器的原理基于以下几个关键点：1.振弦：振弦是指由材料制成的细长弹性体，具有一定的弹性和质量。
2.共振频率：振弦在特定长度和拉力下的自然振动频率，与振弦的长度、材料和张力有关。
3.压力引起的张力变化：施加在振弦上的压力会导致张力的变化，进而改变振弦的共振频率。
工作原理振弦式压力传感器的工作过程可以简述为以下几个步骤：1.安装：将振弦式压力传感器安装在待测对象上，使其与压力源接触。
2.张力变化：当压力引起的张力变化作用在振弦上时，振弦的共振频率会发生改变。
3.传感器检测：传感器通过测量振弦的共振频率变化来间接检测压力的大小。
4.传输信号：传感器将测得的数据转化为电信号，并传输给外部设备进行进一步的处理和分析。
振弦式压力传感器的关键设计因素1.振弦材料：振弦的材料决定了其弹性和共振频率的范围。
常见的振弦材料包括金属、合金和聚合物等。
2.振弦长度：振弦长度与共振频率呈反比关系，较短的振弦共振频率较高，较长的振弦共振频率较低。
3.张力控制：振弦的张力会影响到振弦的共振频率，因此需要对张力进行精确控制，以确保传感器的准确性和稳定性。
4.灵敏度调节：通过调节振弦的长度、张力和材料等参数，可以调节传感器的灵敏度，以满足不同应用需求。
优势和应用领域振弦式压力传感器具有以下优势：•高精度: 通过监测共振频率变化，能够实现较高的精确度和稳定性。
•高可靠性：振弦式压力传感器结构简单，没有移动部件，因此具有较长的使用寿命和较高的可靠性。
•宽测量范围：通过调节振弦的参数，可以满足不同压力范围的测量需求。
振弦式压力传感器广泛应用于以下领域：•工业控制和自动化•制造业和工艺监测•石油和化工行业•医疗设备和生物医学研究等。
结论振弦式压力传感器利用振弦在压力引起的张力变化下的自然共振频率变化，间接测量压力大小。
振弦式传感器的工作原理及其特点
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。
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.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。
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。
(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。
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振弦式传感器的工作原理及其特点
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。
无阻尼振动
振幅不变的简谐振动叫作无阻尼振动。
简谐振动的物体在客服外界阻力做功不断消耗能量的情况下，振幅会越来越小，甚至完全停下来。
这种振幅越来越小的振动叫作阻尼振动。
如果对这个振动系统不断补充损耗的能量，使振动的振幅保持不变，这种振幅不变的振动叫作无阻尼振动。
做无阻尼振动时，振动物体不断受到周期性变化的外力的作用。
这种周期性变化的外力叫作驱动力，在驱动力作用下物体的振动叫作受迫振动。