振弦式传感器的工作原理
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。
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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
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
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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。
（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
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二、传感器的特性分析
1、灵敏度
1 El f=
2l vl
2 fdf Kd
f
振弦式传感器解析PPT课件
8.2.1 工作原理 8.2.2 激振装置 8.2.3 振弦传感器的误差 8.2.4 振弦式传感器应用
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2020年9月28日
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概述
✓ 振弦式传感器具有良好的测量特性，它可以做到小于0.1% 的非线性特性，0.05%的灵敏度和小于0.01%/℃的温度误差。
✓ 此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。 ✓ 广泛应用于精密的压力、力、扭矩等测量中。
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✓ 从式（8.2.10），取f对ε的微分，则得
df 1 E E d 4l E 8l2f
（8.2.11）
✓ 式（8.2.11）为振弦的应变灵敏度表达式。
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88..23..22 激扭振矩装测置量原理
✓ 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
✓ 此时，振弦所感受的力为： FBlei。
✓ 它可以分为两部分：一部分Fc用来克服弦的质量m的惯性， 使它获得运动速度v；另一部分FL用来克服振弦作为一个 横向弹性元件的弹性力。
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✓ 据此，可以写出
Fc
Belic
md
dt
（8.2.1）
Bleicdt m
（8.2.2）
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✓ 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。
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 。
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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。
但由于价格高、使用不方便和稳定性不够高等缺点，因此在实际使用中需要根据具体情况进行选择。