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。
(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。
振弦式传感器计算公式
振弦式传感器计算公式振弦式传感器是一种常用的物理量测量装置，广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域。
它通过测量弦线的振动频率来实现对待测物理量的测量。
在实际应用中，我们需要根据传感器的参数和测量对象的特性，计算出相应的测量公式。
振弦式传感器的测量原理基于弦线的振动特性。
当一根弦线被激发后，会产生固有频率，即其自身固有的振动频率。
而这个固有频率受到弦线的长度、材质、张力等因素的影响。
因此，我们可以通过测量弦线的固有频率来推算出其他待测物理量的值。
我们需要了解振弦式传感器的特性参数。
主要包括弦线的长度L、杨氏模量E、弦线的质量线密度μ以及张力T。
这些参数都会对弦线的固有频率产生影响。
接下来，我们将介绍振弦式传感器的计算公式。
1. 弦线的固有频率f:弦线的固有频率与其长度L、杨氏模量E、质量线密度μ以及张力T有关。
可以通过以下公式进行计算：f = (1 / 2L) * √(T / μ) * (1 / √(1 + (E * A) / (T * L^2)))其中，A为弦线的横截面积。
2. 杨氏模量E的计算：杨氏模量E可以通过振动频率f、弦线的长度L、质量线密度μ以及张力T来计算：E = (4L^2 * μ * f^2) / (π^2 * A)3. 弦线的质量线密度μ计算：弦线的质量线密度μ可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及张力T来计算：μ = (π^2 * A * f^2) / (4L^2 * E)4. 弦线的张力T计算：弦线的张力T可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及质量线密度μ来计算：T = (π^2 * A * f^2 * L^2) /(μ * E)根据上述公式，我们可以根据已知的参数和测量的振动频率，计算出其他待测物理量的值。
需要注意的是，为了保证计算的准确性，我们需要提前对传感器和待测物理量进行校准，确保参数值的准确性。
总结：振弦式传感器是一种基于弦线振动特性的测量装置，通过测量弦线的固有频率来实现对待测物理量的测量。
浅谈振弦式传感器在大坝安全监测中的优势与应用
浅谈振弦式传感器在大坝安全监测中的优势与应用摘要：振弦式传感器由于其工作原理简单、精度和稳定性高及抗干扰力强，在大坝安全监测中已经被广泛应用。
本文介绍了振弦式传感器的工作原理、在大坝安全监测中的优势以及在应力/应变、变形、渗流和温度等大坝安全监测项目中的应用。
关键词：大坝安全监测监测仪器振弦式传感器振弦应用大坝安全监测是指：水库大坝从施工开始到工程结束投入使用的全部过程，都需要对建筑物安全性能和运行状态进行安全监测。
大坝安全监测中最基础、最主要的就是监测仪器，对建筑物安全性能和运行状态的了解和分析，主要依靠各种监测仪器提供的测量数据。
振弦式传感器就是众多监测仪器中的一种，从20世纪30年代发明至今，随着电子读数仪技术、材料和生产工艺的发展，振弦式传感器已成为一种性能十分完善且能满足大坝安全监测应用要求的监测仪器。
1 振弦式传感器工作原理的介绍1.1振弦式传感器的构造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。
而钢弦就是振弦式传感器的振弦。
（如图l所示）1.2振弦式传感器的工作原理振弦式传感器的工作原理就是测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦应力的物理量。
1.2.1频率（周期）与变形（应变）之间的关系振弦的固有频率（共振频率）与应力，长度和质量有关，公式如下：由于钢弦的质量m、钢弦长度Ｌw、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力Ｆ与输出频率f建立了相应的关系：即当外力F0未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f0；当施加外力F1 (即被测力——拉力或压力)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，这时频率也随之增加或减少为f1。
因此，只要测得振弦频率值f1，即可得到相应被测的力——拉力或压力值等。
1.2.2振弦式传感器的工作原理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。
振弦式传感器的应用和发展研究
题目摘要关键词abstractkye words1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。
振弦式传感器汇总
弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑
2020/9/29
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。
2020/9/29
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。
2020/9/29
第四章 非电量的电测技术
9
三、振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计
2020/9/29
第四章 非电量的电测技术
11
2020/9/29
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
2020/9/29
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。
返回
上一页
下一页
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。
返回
上一页
下一页
✓ 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）
返回
上一页
下一页
✓ 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。
返回
上一页
下一页
✓ 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。
返回
上一页
下一页
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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℃ )。