(完整word版)振弦式传感器
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。
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
返 回 上一页 下一页
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。 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，
返
回
上一页
下一页
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。
返
回
上一页
下一页
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。
返 回 上一页 下一页
振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器：（vibratingwiresensor）它是一种谐振传感器，以拉紧的金属钢弦为敏感元件。
当弦的长度确定时，其固有振动频率的变化可以表示钢弦的拉力。
根据这一特性原理，可以通过一定的物理（机械）结构制作传感器（如应变传感器、压力传感器、位移传感器等)，从而实现被测物理量与频率值的一一对应关系，通过测量频率值的变化量来计算被测物理量的变化量。
振弦传感器
振弦传感器读数模块：指根据振弦传感器特性设计的传感器激励模块、读数模块。
集成度高、功能模块化、数字界面的一系列特性可以完成振弦传感器的激励、信号检测、数据处理、质量评价等特殊针对性功能转换传感器频率和温度物理量模数，然后通过数字界面实现数据交互。
振弦传感器读数模块是振弦传感器和数字化、信息化之间的核心转换单元。
振弦传感器采集模块
基于不同测量原理的传感器在测量过程中使用的线数也不同。
这是我们经常看到的2线系统、3线制、4线制、5线制。
电流传感器:常见的有2线、3线、4线系统。
线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。
电压传感器：更常见的是3、4线系统。
线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。
振弦传感器：2线制（仅测量频率），3线制（频率）+温度）。
RS485传感器：4线制。
差阻传感器：可使用3线、4线5线测量，线越多，理论精度越高。
电位器传感器：2、3线制。
NTC热敏电阻/电阻传感器：2线制。
3.5.13.5传感器测量原理振弦式传感器原理
June 10, 2004
11
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。
June 10, 2004
5
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
June 10, 2004
土压力传感器
6
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。
- 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)。
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。
由于激励信号的频率是容易用软件方便控制的，所以只要知道振弦固有频率的大致范围(一般来说，对一种已知的传感器其固有频率的大致范围是确定的)，就用这个频率附近的激励信号去激发他，就能使振弦很快起振。
微机系统I／O口按照一定的频率(这个频率可以是传感器的固有频率初始值，也可以是上一次的测量值)产生激振信号(考虑一定的余度)，通过基本功率放大电路放大后，激振电流流过激振线圈，激振电流产生的交变磁场激励振弦振动。
选用两个9013三极管作为驱动管。
电磁线圈电阻很小，流过线圈的电流能达到200～400 mA。
而9013三极管的饱和导通电流为500 mA，通过试验发现，如果只采用一个三极管驱动线圈，三极管发热很厉害，为解决这个问题，再并接一个三极管，减小三极管的工作电流，减小发热量。
二极管要求选用快速导通二檄管，其作用是吸收三极管导通和截止瞬间所产生的尖峰脉冲。
此尖峰脉冲若不消除，会对感应电路(模拟电路部分)产生严重的干扰。
微机系统产生一个频率可变的信号是比较容易实现的。
如用MSC-51单片机实现扫频程序，充分利用微机系统的内部资源定时／计数器的功能，由I／O口输出频率可变的信号。
定时计数器工作在定时方式，定时的时间由扫频的某一频率决定，在定时器中断程序中改变I／O口的状态，从而I／O口得到一脉冲信号。
设扫频的频率上限为fmax，下限为fmin，由I／O口输出的fmax和fmin之间的某一频率的脉冲个数均为n，且扫频的两相邻频率增量为△f，由这4个参数决定的扫频程序框图如图4所示。
2.2.2 检测电路
拾振线圈中感生电势的频率检测电路由两部分组成，一是滤波电路，采用两级低通滤波方法；二是过零比较电路，采用过零比较法，从比较器的输出端得到频率信号。
2个LM324组成两级有源低通滤波电路；C1，R3，以及G2，R4，分别构成第一、二级有源滤波电路的阻-容网络；LM393作为
比较器，形成过零比较电路。
由于感生电势是一个周期信号，信号的频率也就是振弦的固有频率。
LM393的输出fout为周期性的方波，方波的频率即为待测频率。
由于信号和“零电位”比较，因而能得到较高的灵敏度．振弦只要受激励产生振动，他在感应线圈中的微弱电动势的频率就很容易拾取为进一步使比较器输入输出特性在转换时更加陡直，以提高比较精度。
2.2.3 测频电路
将检测电路的输出fout送AT89CS51的INT0，利用片内定时／计数器的工作方式控制寄存器TMOD的GATE位的特殊功能，一般情况下，GATE=0。
GATE的运行控制位仅由TRx(x=0.1)位的状态决定(TRx=0关闭，TRx=1开启)，只有在启动计数要用外输人INTx控制时才使GATE=1，当GATE=1，TRx=1，只有当INTx引脚输入高电平时，计数器Tx才被允许计数，利用GATE的这一功能可方便地测量脉冲宽度。
2.3 系统软件设计
按照以上电路的设计，对系统软件编程的基本思路是：首先对系统进行初始化，然后是激振电路激振传感器工作，检测电路对信号的检测、放大、整型、处理、最后显示。
主程序流程图如图5所示。
3 结语
本测频系统具有设计思路正确，编程简洁巧妙，功能使用全面等特点，大大缩短了现场测量与计算时间，减轻了劳动强度，提高了测量计算准确度，同时为测量结果的后期处理与保存带来了极大的便利。