振弦式传感器的工作原理及其特点-微型土压力盒钢筋测力计锚
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。
振弦式称重传感器的工作原理及其特性
振弦式称重传感器的工作原理及其特性
陆悦明
【期刊名称】《上海计量测试》
【年(卷),期】1993(000)005
【总页数】3页(P12-14)
【作者】陆悦明
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TH715.103
【相关文献】
1.浅淡瑞士PESA数字振弦式质量传感器的工作原理及特性 [J], 马晓明
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3.振弦式称重传感器的工作原理及其特性 [J], 陆悦明
4.液压转换式振弦测力称重传感器评介 [J], 李晓东
5.矿用振弦式称重压力传感器的设计 [J], 郑丰隆;王晓宁;刘春晖;卫永琴
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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。
June 10, 2004
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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
June 10, 2004
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
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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
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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。
振弦式土压力计的工作原理
振弦式土压力计的工作原理振弦式土压力计是一种常用于土力学研究中测量土体内应力的仪器。
它通过测量土体中传播的应力波的属性来间接测量土体内的应力。
其原理基于声学和弹性理论，采用压电陶瓷作为传感器，可以实现高精度的土壤压力测量。
振弦式土压力计的工作原理可以分为两个步骤：振弦激励和振弦响应。
首先，振弦激励。
振弦式土压力计由一个长而细的金属线构成，称为振弦。
振弦一端固定在测量装置上，另一端则连接到一个激励器上。
激励器通过施加固定频率的电磁力或力来激励振弦，使其从固有位置振动。
然后，振弦响应。
当振弦振动时，由于土体的存在，振弦会受到外部应力的影响。
土壤压力作用于振弦上，会改变振弦的振动特性。
振弦的振动频率和挠度会受到土壤压力的影响。
这一响应特性可以通过测量振弦的振动频率和振幅变化来间接测量土体内的应力。
具体来说，振弦式土压力计采用压电陶瓷作为传感器。
压电陶瓷具有压电效应，当施加压力时，会产生电压信号。
振弦一端连接到压电陶瓷传感器上，通过传感器来测量振弦的振动特性。
当土壤对振弦施加压力时，振弦的振动频率和振幅会发生改变，压电陶瓷传感器会感应到这种变化，并将其转化为电信号输出。
输出信号可通过连接到计算机或数据采集系统进行数据处理和分析。
为了减小外界的干扰，振弦式土压力计通常会采用双振弦结构。
其中一个振弦用来激励振动，另一个振弦用来测量土壤压力对振弦的影响。
通过对激励振弦和测量振弦之间的差异进行分析，可以获得更精确的土壤压力测量结果。
振弦式土压力计具有许多优点。
首先，它可以实现非侵入式的土壤压力测量，不需要在土体内安装传感器，减少了对土体的干扰。
其次，它具有较高的测量精度和灵敏度，可以测量较小的应力变化。
另外，它可以实时测量土壤压力，提供连续和准确的数据。
此外，振弦式土压力计适用于各种类型的土壤，包括饱和土、压缩土和反弹土等。
总结起来，振弦式土压力计通过测量土体中传播的应力波的属性来间接测量土体内的应力。
它利用振弦的振动特性和压电陶瓷传感器的压电效应，可以实现高精度和非侵入式的土壤压力测量。
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
(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。
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；
σo ——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。
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。
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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。
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：
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。
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；
σo ——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。
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。
(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。
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。
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。
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。
4.2灵敏度
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。
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。