振弦式滲壓計(jì)的工作原理及設(shè)計(jì)

1、振弦式滲壓計(jì)的工作原理及設(shè)計(jì)摘要:20世紀(jì)70年代以來，大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展,滲壓監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測中重要的監(jiān)測項(xiàng)目之一，滲壓計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展再次成為熱點(diǎn)。本文闡述了振弦式滲壓計(jì)的工作原理、激勵(lì)與拾振、設(shè)計(jì)過程中選材等相關(guān)問題。關(guān)鍵詞:振弦式激勵(lì)與拾振鋼弦膜片振弦式傳感器是目前在測力應(yīng)用方面最為先進(jìn)的傳感器之一，穩(wěn)定性和精度完善后將成為新一代工程儀器的潮流。振弦式儀器由于其獨(dú)特的優(yōu)異特性如結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及對電纜要求低等，一直受到工程界的青睞。然而直到20世紀(jì)70年代，隨著現(xiàn)代電子讀數(shù)儀技術(shù)、材料及生產(chǎn)工藝的發(fā)展，振弦式傳感器技術(shù)才得以完善,并真正滿足工程實(shí)際應(yīng)用

2、的要求。振弦式傳感器是目前國內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測的傳感器。此傳感器輸出的是頻率信號，具有抗干擾能力強(qiáng)，溫漂、零漂小，受電參數(shù)影響小，性能穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)惡劣條件下長期觀測和遠(yuǎn)距離測試，在水電水利行業(yè)有著不可比擬的優(yōu)勢。1振弦式滲壓計(jì)的工作原理振弦式滲壓計(jì)由膜片（受力彈性形變外殼）、細(xì)鋼弦、調(diào)節(jié)夾緊裝置、激勵(lì)和接收線圈等組成。鋼弦自振頻率與其張緊力的大小、材料、長度等有關(guān),但振弦一經(jīng)確定后，振弦的自振頻率就是一個(gè)確定值，振動(dòng)頻率的變化量即對應(yīng)受力的大小。振弦在等幅連續(xù)振動(dòng)的工作狀態(tài)，符合柔軟無阻尼微振動(dòng)的條件，振弦的振動(dòng)頻率可由下式確定：式中:為初始頻率；L為鋼弦的有效長度；P

3、為鋼弦材料密度；為鋼弦上的初始應(yīng)力。依據(jù)上式，鋼弦的質(zhì)量m、長度L、截面積S、彈性模量E可視為常數(shù)，密度p和初始應(yīng)力就是確定值或可測量值，因此，鋼弦的應(yīng)力與輸出頻率建立了相應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)外界滲壓力未施加時(shí)，鋼弦在初始應(yīng)力下作穩(wěn)幅振動(dòng)，輸出初頻；當(dāng)施加壓力時(shí)，則膜片發(fā)生相應(yīng)的變形，使鋼弦的應(yīng)力改變，這時(shí)初頻也隨之變化為f。因此,只要測得振弦頻率值f,即可得到相應(yīng)被測壓力值。2振弦激勵(lì)與拾振所謂激振，就是使傳感器的鋼弦振動(dòng)起來。在實(shí)際應(yīng)用中，振弦能否可靠起振是評定測量精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。根據(jù)振弦傳感器的工作原理,要檢測到振弦滲壓計(jì)（也就是鋼弦）的固有頻率信號，首先必須使振弦滲壓計(jì)內(nèi)部的鋼弦振動(dòng)，從而

4、切割線圈的磁感線產(chǎn)生相應(yīng)電動(dòng)勢信號，經(jīng)幾級放大處理后以頻率值輸出顯示。實(shí)際工作中，激振模塊的作用就是使鋼弦振動(dòng)。早期的傳感器振弦一端固定；另一端連結(jié)在彈性感壓膜片上。弦的中部裝有一塊軟鐵，置于磁鐵和線圈構(gòu)成的激勵(lì)器的磁場中。激勵(lì)器在停止激勵(lì)時(shí)兼作拾振器，有的另外設(shè)置拾振器。工作時(shí)，振弦在激振模塊的激勵(lì)下振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與膜片所受壓力的大小有關(guān)。拾振器則通過電磁感應(yīng)獲取振動(dòng)頻率信號。常用的激勵(lì)方式有間歇式和連續(xù)式的。在間歇激勵(lì)中由張弛振蕩器給出一段激勵(lì)脈沖，通過繼電器使線圈通電、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。激勵(lì)脈沖停止后，軟鐵塊被松開，使振弦自由振動(dòng)。此時(shí)在線圈中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其交變頻率就是振弦的固

5、有振動(dòng)頻率。電路比較復(fù)雜、功耗大、調(diào)節(jié)范圍小并且不能在線自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不建議采用此方法。連續(xù)激勵(lì)方式又可分為電流法和電磁法。2.1激振方法之：電流法電流激勵(lì)法是由激勵(lì)器、檢測器、機(jī)械諧振器和放大器構(gòu)成的機(jī)電一體化高品質(zhì)閉環(huán)諧振系統(tǒng)。在激振時(shí)，振弦傳感器的鋼弦需要通過電流，通有電流的鋼弦在磁場中會(huì)受到洛倫茲力的作用，洛倫茲力會(huì)使鋼弦以其固有頻率振動(dòng)，同時(shí)因振動(dòng)而產(chǎn)生的信號還可以經(jīng)過反饋電路再次反饋到鋼弦上，使鋼弦能持續(xù)振動(dòng)。電流法是基于正反饋原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對輸入的自動(dòng)跟蹤，因此具有較好的動(dòng)特性。2.2激振方法之：電磁法電磁激勵(lì)法適合于采用雙線圈型的傳感器。此激勵(lì)法中鋼弦不用通過電流，而有

6、兩個(gè)線圈，激振信號通過激振線圈使鋼弦起振，拾振線圈中將產(chǎn)生與鋼弦固有頻率相等的感應(yīng)電動(dòng)勢拾取檢測，并經(jīng)放大整形處理后成為可測量的信號輸出，同時(shí)控制器又將其作為輸入信號產(chǎn)生激振信號，送給激振線圈補(bǔ)充能量，從而繼續(xù)使鋼弦振動(dòng)。2.3激振方法之：高壓撥弦激勵(lì)法高壓撥振激振方式是通過高頻變壓器產(chǎn)生的高壓激振脈沖使鋼弦振動(dòng)，激發(fā)電壓大于100V,被激勵(lì)的鋼弦通過拾振線圈將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成自由衰減振蕩的正弦電壓信號，經(jīng)檢測處理后以頻率值輸出。缺點(diǎn)是鋼弦振動(dòng)持續(xù)時(shí)間比較短，因此信號不易拾取，測量精度差，并且高電壓會(huì)加速老化鋼弦以至于傳感器失效，對于堤壩滲壓力的檢測儀器不可采用此方法。2.4激振方法之：低壓掃頻激勵(lì)

7、法低壓掃頻激振，首先要根據(jù)實(shí)際固有頻率選擇一合適的頻率段，采用低壓頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號，當(dāng)激振信號的頻率和鋼弦的固有頻率相近時(shí)，鋼弦便能快速而達(dá)到共振狀態(tài)，此時(shí)振幅最大，能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)傳感器輸出的頻率信號信噪比較高且便于測量。缺點(diǎn)是低壓掃頻激振采用低電壓激勵(lì)很大程度上保護(hù)鋼弦，但是掃頻信號時(shí)從頻率下限到頻率上限的連續(xù)脈沖信號，每個(gè)頻率的脈沖都要持續(xù)若干個(gè)周期，以保證激振效果，所以激振時(shí)間太長。綜合以上常用方法和實(shí)際工作條件，采用一種反饋式的激振方法。激振信號使用單片機(jī)發(fā)出一串連續(xù)的、持續(xù)時(shí)間t1ms方波（標(biāo)準(zhǔn)波形）進(jìn)行激振。同時(shí)采用分段掃頻的方法以縮短掃頻時(shí)間，同時(shí)間隔時(shí)

8、間為t2s,以確保鋼弦能自振結(jié)束。當(dāng)激勵(lì)信號的頻率與鋼弦的固有頻率相接近時(shí)，振弦能迅速達(dá)到共振狀態(tài)，可靠起振；振弦起振后，它在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率即是振弦的固有頻率。一旦滲壓計(jì)激振后,通過拾振電路對信號進(jìn)行采樣分析，得到起振頻率，然后使用該頻率（接近鋼弦固有頻率）進(jìn)行反復(fù)激振，以維持穩(wěn)定的振幅，提咼測量精度。3主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)選型、及加工工藝的選擇滲壓計(jì)工作時(shí)埋設(shè)或安裝在堤壩、管道和壓力容器內(nèi)，可測量空隙水壓力。各項(xiàng)性能很優(yōu)異，其主要部件采用特殊（處理）鋼材制造以適用于自然條件下的惡劣環(huán)境，甚至可以直接埋設(shè)在混凝土或土石塊中。3.1弦的材料、直徑、徑長比相應(yīng)于單位壓力增量引起基頻的改

9、變量，稱為振弦的靈敏度。而提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長（另外可選用高彈性模量的振弦材料）,所以設(shè)計(jì)選擇弦長時(shí)應(yīng)在保證振弦能起振的情況下，鋼弦應(yīng)力盡可能小些。同時(shí)，采用細(xì)弦,減少抗彎剛度，也可以提高靈敏度。事實(shí)上振弦應(yīng)滿足柔軟無阻尼振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程，故鋼弦不能過短，弦長與直徑之比應(yīng)大于200,般在300400之間為宜。由實(shí)驗(yàn)和資料表明，振弦的直徑為0.20.3mm。同時(shí)鋼絲橢圓度不大于直徑共差的一半，表面光潔度要達(dá)到要有，外表面光亮、色澤一致并具有良好的防腐蝕性能。要求鋼弦截取定長后，不能有明顯的彎折等現(xiàn)象。3.2弦的固定鋼弦與膜片的連接，采用鉚定連接；和固定端的連接，由開口銷夾弦裝置預(yù)緊，

10、調(diào)試后焊接固定。3.3膜片的材料、形狀膜片作為彈性敏感元件在傳感器中直接參與變換和測量，因此材料選用十分重要。在任何情況下，材料都要保證具有良好的彈性、足夠的精度和穩(wěn)定性。通常使用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼、銅合金、鋁合金等。鉻錳彈簧鋼和鉻釩彈簧鋼具有優(yōu)良的機(jī)械性能。黃銅可用于制造受力不大的彈簧機(jī)膜片。德銀由于制造抗腐蝕的彈性元件。錫磷青銅由于制造制造一般的彈性元件或抗腐蝕性能好的彈性元件。鈹青銅由于制造精度高、強(qiáng)度好的彈性敏感元件。不銹鋼由于制造強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的彈性敏感元件。因此，選擇不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb作為膜片的加工材料。形狀選擇易于加工的圓形薄片，因?yàn)橹挥斜阌诩庸げ拍芨玫乇ＷC其

11、精度，降低成本、提高質(zhì)量。而且是在組裝好以后再精車或磨削加工使達(dá)到0.2mm以下的厚度，確保其靈敏度的同時(shí)又能使其在組裝過程中不受到損壞。3.4線圈與磁芯磁芯線圈的磁芯是置于空心線圈內(nèi)部，并不加大線圈原有的體積?？梢姡@得小體積、大電感，一般選用磁芯線圈。增加磁芯后導(dǎo)磁率高、電感量大大增強(qiáng)、電阻率極高無渦流損耗等、可以濾波抗干擾、便于加工成本低。4結(jié)語本文闡述了振弦式滲壓計(jì)的工作原理和常用激振方法，以及主要部件設(shè)計(jì)相關(guān)問題。通過比較綜合、改進(jìn)了激振方法，使得鋼弦快速可靠起振以保證儀器的穩(wěn)定性和精度。設(shè)計(jì)主要零部件時(shí)采用特殊處理材料，保證儀器性能的同時(shí)縮小體積，并能適用于各種自然條件。參考文獻(xiàn)白澤生一種基于振弦式傳感器測