岩土工程监测技术-第二章-测试系统与传感器原理课件.ppt

1、第二讲第二讲 测试系统与传感器原理测试系统与传感器原理 1、测试系统的组成与主要性能指标、测试系统的组成与主要性能指标2、差动电阻式传感器的基本原理、差动电阻式传感器的基本原理3、振动钢弦式传感器的基本原理振动钢弦式传感器的基本原理4、电感式传感器的基本原理电感式传感器的基本原理 5、电阻应变片式传感器基本原理电阻应变片式传感器基本原理6、其它类型的传感器原理、其它类型的传感器原理7、测试系统选择的原则、测试系统选择的原则第一节第一节 测试系统的组成与主要性能指标测试系统的组成与主要性能指标 1、科技发展与测试的关系、科技发展与测试的关系 科技的发展，定量化与可控（可预测）是必然要求。科技的发

2、展，定量化与可控（可预测）是必然要求。人类获取外部信息需要借助人类获取外部信息需要借助“感官神经大脑感官神经大脑”，感官感官功能包括：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉，但人的感官功能功能包括：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉，但人的感官功能不能满足对外部世界探索与发现的需要（有感觉阀限）。不能满足对外部世界探索与发现的需要（有感觉阀限）。人类耳朵能听到人类耳朵能听到的声波频率为的声波频率为2020000Hz，一般在一般在5005000Hz 频率高于频率高于20000Hz的声波称为的声波称为超声波超声波 Ultrasonic，频率低于频率低于20Hz的声波称为次的声波称为次声波声波 Infrasonic

3、。视觉阀限（可见光）视觉阀限（可见光）听觉阀限（可闻声听觉阀限（可闻声)为突破感觉阀限，人类利用各类传感器去感知并记录外部世界的为突破感觉阀限，人类利用各类传感器去感知并记录外部世界的“信信息息”，这扩展并延伸了人的，这扩展并延伸了人的“感官感官”系统。系统。信息信息Information：信息是事物现象及其属性：信息是事物现象及其属性标识标识的集合。的集合。信息以物质介质为载体信息以物质介质为载体,传递和反映世界各种事物存在方式运动作态的传递和反映世界各种事物存在方式运动作态的表征，信息是物质运动规律总和表征，信息是物质运动规律总和,信息不是物质，也不是能量信息不是物质，也不是能量!信息论的

4、创始人香农认信息论的创始人香农认:“信息是能够用来消除不确定性的东西信息是能够用来消除不确定性的东西”。信号信号Signal：传送信息的载体或工具，如光、声、电信号。传送信息的载体或工具，如光、声、电信号。测试包括试验与测量的全过程，需要选用专门的仪器、设计合理的试测试包括试验与测量的全过程，需要选用专门的仪器、设计合理的试验方法并进行必要的数据处理，从而获得被测对象的有关信息的量值。验方法并进行必要的数据处理，从而获得被测对象的有关信息的量值。测试过程是人们从客观事物中获取有关信息的认识过程，是人们认识测试过程是人们从客观事物中获取有关信息的认识过程，是人们认识客观规律的重要手段和方法。客观

5、规律的重要手段和方法。测试技术的发展促进了科学技术的进步测试技术的发展促进了科学技术的进步,科学技术的进步又为测试技术科学技术的进步又为测试技术的提高创造了条件。的提高创造了条件。测试技术的作用测试技术的作用：A、参数测定、参数测定 B、实时检测与监控、实时检测与监控 C、参数的反馈、调节与自动控制。、参数的反馈、调节与自动控制。岩土工程中测试系统与监测的作用：参数测定、状态检测、监控岩土工程中测试系统与监测的作用：参数测定、状态检测、监控 地质定性评估与监测定量分析。地质定性评估与监测定量分析。2、测试系统的组成、测试系统的组成 一个完整的测试系统包括一个完整的测试系统包括:被测对象、被测物

6、理量、测量系统、信被测对象、被测物理量、测量系统、信号传输与处理系统、显示记录系统、观测者。其中测量系统一般包括传号传输与处理系统、显示记录系统、观测者。其中测量系统一般包括传感器和测量控制装置感器和测量控制装置，传感器是整个测试系统中的关键。，传感器是整个测试系统中的关键。最简单的测试系统：弹簧秤。最简单的测试系统：弹簧秤。传感器传感器（Transducer/Sensor)：能感受或响应被测物理量，并按一：能感受或响应被测物理量，并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感原件和产生可用信号输出的

7、转换原件以及相应的电子线路构测量的敏感原件和产生可用信号输出的转换原件以及相应的电子线路构成。（见国家标准成。（见国家标准GB766587传感器通用术语）传感器通用术语）(感应传递）感应传递）定义定义2：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。系的、便于应用的某种物理量的测量装置。岩土工程监测中的测试系统：岩土工程监测中的测试系统：被测对象（物理量）：岩土体或工程结构（位移、力等）被测对象（物理量）：岩土体或工程结构（位移、力等）测量系统：各类仪器的组成及传感器。测量系统：各类仪器的组成及传感

8、器。信号传输与处理系统：信号传输、排除干扰、滤波、计算等。信号传输与处理系统：信号传输、排除干扰、滤波、计算等。显示记录系统：显示、记录、存储等。显示记录系统：显示、记录、存储等。传感器的分类传感器的分类1、按原理分：、按原理分：电参量：电阻、电感、电容电参量：电阻、电感、电容磁电式：磁电感应、磁栅磁电式：磁电感应、磁栅压电式：压力、加速度压电式：压力、加速度光电式：红外、光电式：红外、CCD、光纤、光纤热电式：热电偶热电式：热电偶波式：超声波、微波波式：超声波、微波射线式：核辐射射线式：核辐射半导体式：温度、湿度半导体式：温度、湿度其它原理其它原理2、按用途分类：、按用途分类：位移传感器位移

9、传感器压力传感器压力传感器振动传感器振动传感器温度传感器温度传感器其它传感器其它传感器3、综合分类、综合分类3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：A、系统精度与误差、系统精度与误差:测试系统的精度指测试系统给出的指示值与被测量的真值测试系统的精度指测试系统给出的指示值与被测量的真值的接近程度，误差为指示值与被测量的真值的差异程度，两者的接近程度，误差为指示值与被测量的真值的差异程度，两者是同一概念的不同表示方式。是同一概念的不同表示方式。绝对误差：绝对误差：x=x-A0相对误差：相对误差：x=(x-A0)/A0100%引用误差：引用误差：y=(x-A0)/Xm100（F.S)式

10、中：式中：x 仪器指示值仪器指示值 A0真值（是难以确切测量的，可用精度更高的仪真值（是难以确切测量的，可用精度更高的仪器得到约定真值）器得到约定真值）Xm仪器测量上限。仪器测量上限。3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：B、稳定性（可靠性）、稳定性（可靠性）：误差随测量过程及环境影响是变化的，：误差随测量过程及环境影响是变化的，如读数产生漂移、噪声干扰等，稳定性是衡量测试系统在工作如读数产生漂移、噪声干扰等，稳定性是衡量测试系统在工作条件和工作时间内，保持原有技术性能的能力。条件和工作时间内，保持原有技术性能的能力。稳定性有两个指标：时间上的稳定性及外部环境变化引起稳定性有两

11、个指标：时间上的稳定性及外部环境变化引起的示值不稳定性。的示值不稳定性。时间上的稳定性时间上的稳定性：它是由于仪器随机性变化、周期性变化、漂：它是由于仪器随机性变化、周期性变化、漂移等引起的示值变化，一般用测量波动值与时间长短表示。如：移等引起的示值变化，一般用测量波动值与时间长短表示。如：1.3mv/8h,0.05Reading/a、0.2%F.S.R/year等等环境对稳定性的影响：环境对稳定性的影响：指工作场所的环境条件如温度、大气压、指工作场所的环境条件如温度、大气压、振动等外部条件及电源电压、频率等因素对仪器精度的影响。振动等外部条件及电源电压、频率等因素对仪器精度的影响。用影响系数

12、用影响系数(修正系数修正系数)表示表示:如温度修正系数、气压修正系数等。如温度修正系数、气压修正系数等。如：如：0.025%F.S.R/1任何仪器都有特定的使用环境要求。任何仪器都有特定的使用环境要求。3、测试系统的主要性能指标：、测试系统的主要性能指标：C、测量范围（量程）、测量范围（量程）：仪器在正常工作时所能测量的量值范：仪器在正常工作时所能测量的量值范围。有些仪器同时考虑超量程指标。围。有些仪器同时考虑超量程指标。Y f.sD、分辨率、分辨率：仪器所能检测到的被测量的最小变化值。：仪器所能检测到的被测量的最小变化值。E、灵敏度：、灵敏度：对测试系统当输入一个变化量对测试系统当输入一个变

13、化量x,就会相应地输就会相应地输出另一个变化量出另一个变化量y，Sy/x为测试系统的灵敏度。为测试系统的灵敏度。E、传递特性：、传递特性：表示测量系统输入与输出对应关系（方程、图表示测量系统输入与输出对应关系（方程、图形、参数）的性能。动态与静态测量的传递特性是有差异的。形、参数）的性能。动态与静态测量的传递特性是有差异的。在不考虑滞后与蠕变时的静态测的数学模型为：在不考虑滞后与蠕变时的静态测的数学模型为：y=a0+a1x+a2x2+anxn其中：其中：输入输入x：被测物理量（如位移）输出：被测物理量（如位移）输出y：测量信号量（如电压）：测量信号量（如电压）a0 传感器的零位输出，传感器的零

14、位输出，a1.an为各阶常数。为各阶常数。静态测量：静态测量：测量不随时间变化（或变化很慢在测量不随时间变化（或变化很慢在测量时间内可忽略）的量的测试过程叫静态测测量时间内可忽略）的量的测试过程叫静态测量。量。动态测量：动态测量：测量随时间而变化的量。测量随时间而变化的量。y（t)=f(x,t)标定曲线：标定曲线：反映测试系统输入反映测试系统输入x与输出与输出y之间关之间关系的曲线。系的曲线。HmaxXY0图2-2-2 滞后特性%100.maxSFLyLeA、非线性度（非线性度（No-Linearity）线性度又称非线性，是表征传感器输出线性度又称非线性，是表征传感器输出输入校准曲线输入校准曲

15、线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示非线性度，偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示非线性度，即即式中：式中：Lmax输出平均值与拟合直线间的最大偏差；输出平均值与拟合直线间的最大偏差；Y FS.理论满量程输出值。理论满量程输出值。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。并考虑使用与计算方便。4、测试系统的静态传递特性指

16、标、测试系统的静态传递特性指标%100.maxSFLyLe%100.maxSFLyLe下面介绍几种目前常用的拟合方法。1理论直线法理论直线法如图如图a以传感器的理论特性线作为拟合直线，它以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。其优点是简单、方便，但通与实际测试值无关。其优点是简单、方便，但通常常Lmax很大。很大。2端点线法端点线法如图如图b以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为合直线。其方程式为 式中式中 b和和k分别为截距和斜率。这种方法也很简分别为截距和斜率。这种方法也很简便，但便，但Lmax也很大。也很大。3“最佳直线最

17、佳直线”法法这种方法以这种方法以“最佳直线最佳直线”作为拟合直线，该直线作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，如图差相等并且最小，如图c所示。由此所得的线性所示。由此所得的线性度称为度称为“独立线性度独立线性度”。显然，这种方法的拟合。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，精度最高。通常情况下，“最佳直线最佳直线”只能用图只能用图解法或通过计算机解算来获得。解法或通过计算机解算来获得。当校准曲线（或平均校准曲线）为单调曲当校准曲线（或平均校准曲线）为单调曲线，且测量上、下限处之正、反行程校准数据的线，且测量上

18、、下限处之正、反行程校准数据的算术平均值相等时，算术平均值相等时，“最佳直线最佳直线”可采用端点连可采用端点连线平移来获得。有时称该法为端点平行线法。线平移来获得。有时称该法为端点平行线法。LmaxXY0（a）LmaxXY0（b）+LmaxXY0（c）-Lmax图22-1 传感器的拟合曲线kxbykxby4最小二乘法最小二乘法这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。如用式（21）表示最小二乘法拟合直线，式中的系数b和k可根据下述分析求得。按最小二乘法原理，应使 最小；故由分别对k和b求一阶偏导数并令其等于零，即可求得k和b：)(iiikxby22)(ii

19、iiiixxnyxyxnk222)(iiiiiiixxnyxxyxbnii12B、滞后（、滞后（Hysteresis 迟滞误差、回程误差）迟滞误差、回程误差）滞后是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减滞后是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值通常用正反行程输出的最大差值Hmax计算，并以相计算，并以相对值表示（见图）。对值表示（见图）。HmaxXY0图2-2-2 滞后特性%100.maxSFHyHeC、不重复性（、不重复性（NoRepeatability）不重复性是

20、衡量传感器在相同工作条件下，输入量从同一方向作满量程变化，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。D、综合误差、综合误差该误差实际反映传感器准确度，表示传感器测值接近真值的程度。一般根据非线性、滞后、重复性误差来计算综合误差，即在仪器不重复性误差、滞后误差较小时，用二次拟合曲线方法给出仪器综合误差。此方法给出的传感器的准确度较高。222RHLSeeee%100.maxSFRyRe%100.maxSFRyRe第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 1、仪器原理、仪器原理 差动电阻式传感器是差动电阻式传感器是1932年美国人卡尔逊年美国人卡尔逊Ca

21、lson研制成功的。习惯研制成功的。习惯称为卡式仪器。称为卡式仪器。1933年开始试用，以后大量使用。年开始试用，以后大量使用。1952年后形成系列年后形成系列产品。我国产品。我国58年开始研制，年开始研制，68年正式设厂生产。年正式设厂生产。利用张紧在仪器内部的弹性钢丝（电阻丝）作为传感元件，将利用张紧在仪器内部的弹性钢丝（电阻丝）作为传感元件，将仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式丝式(Elastic Wire)仪器。仪器。由物理学知道，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与由物理学知道，当钢丝受到

22、拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系式：电阻变化之间有如下关系式：R/R=L/L R/R=L/L 式中式中 RR钢丝电阻变化量；钢丝电阻变化量；R R钢丝电阻；钢丝电阻；钢丝电阻应变灵敏系数：钢丝电阻应变灵敏系数：LL钢丝变形增量；钢丝变形增量；L L钢丝长度。钢丝长度。第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测定电阻变可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测定电阻变化利用上式可求得仪器承受的变形。化利用上式可求得仪器承受的变形。钢丝还有一个特性，当钢丝感受不太大的温度改变时，钢丝电

23、阻随其钢丝还有一个特性，当钢丝感受不太大的温度改变时，钢丝电阻随其温度变化之间有如下近似的线性关系：温度变化之间有如下近似的线性关系：RT=RO（1+T）22式中式中 RT 温度为温度为T的钢丝电阻；的钢丝电阻；RO 湿度为湿度为0的钢丝电阻；的钢丝电阻；电阻温度系数，一定范围电阻温度系数，一定范围内为常数；内为常数；0 以上以上 2.8910-3（1/），），0 以下以下 3.1510-3（1/）T T钢丝温度。钢丝温度。故故 测定电阻变化可得变形量；测定电阻变化可得变形量；测定电阻值可估计温度。测定电阻值可估计温度。第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 差动电

24、阻式（差动电阻式（Differential Resistance Type)传感器基于上述两个原理，利用传感器基于上述两个原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两根钢丝根钢丝0.040.06mm用特定方式固定在两根方形断面的铁杆上，钢丝电阻分用特定方式固定在两根方形断面的铁杆上，钢丝电阻分别为别为R1和和R2，因为钢丝设计长度相等，因为钢丝设计长度相等，R1和和R2近似相等，如图近似相等，如图2-2所示。所示。当仪器受到外界的拉压而变形时，两根钢丝的电阻产生差动的变化，一根当仪器受到外界的

25、拉压而变形时，两根钢丝的电阻产生差动的变化，一根钢丝受拉，其电阻增加，另一根钢丝受压，其电阻减少，两根钢丝的串联电阻钢丝受拉，其电阻增加，另一根钢丝受压，其电阻减少，两根钢丝的串联电阻不变，而电阻比不变，而电阻比R1R2发生变化，测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器发生变化，测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器的变形或应力的变形或应力。温度改变时，引起两根钢丝的电温度改变时，引起两根钢丝的电 阻变化是同方向的，温度升高时，阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都增大。两根钢丝的电阻则都增大。测定两根钢丝的串联电阻，测定两根钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的温度。就可求得仪器测点

26、位置的温度。2-2 差动电阻式仪器原理差动电阻式仪器原理 R1R2受外力作用前受外力作用前：211RRZ 22112RRRRZ受外力作用后受外力作用后：RRR21|2|1|RRR由于由于因此电阻比的变化量为因此电阻比的变化量为 RRRRRRRRZZZ2)2211(2112RRRRRRRRZZZ2)2211(2112由上述可知，在仪器的观测数据中，包含着有外力作用引起的由上述可知，在仪器的观测数据中，包含着有外力作用引起的Z和由温度变化引起的和由温度变化引起的T 两种因数，所要观测的物理量两种因数，所要观测的物理量P应是应是Z和和T 的函数，即的函数，即P=（Z,T）。在原型观测中：）。在原型观

27、测中：P Z+b T 式中：式中：仪器最小读数（仪器最小读数（-6 0.01）；）；b仪器温度补偿系数（仪器温度补偿系数（-6）；）；T仪器温度变化量，仪器温度变化量，Z仪器电阻比变化量。仪器电阻比变化量。可见，测定电阻比的变化及温度的变化可求出受力的变化。可见，测定电阻比的变化及温度的变化可求出受力的变化。2仪器结构仪器结构 差阻式仪器三芯接线差阻式仪器三芯接线差动电阻式传感器基于上述原理，利用差动电阻式传感器基于上述原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成。一般仪器内两方型铁杆上性设计而成。一般仪器内两方型铁杆上安装两对园瓷子（也可以是一对园

28、瓷子安装两对园瓷子（也可以是一对园瓷子和一对半园瓷子），把有一定张力的两和一对半园瓷子），把有一定张力的两根钢丝绕在两对瓷子上。当仪器受到外根钢丝绕在两对瓷子上。当仪器受到外力变形时，一组钢丝受拉，一组钢丝受力变形时，一组钢丝受拉，一组钢丝受压，两组钢丝电阻压，两组钢丝电阻R1、R2，分别用黑、，分别用黑、红、白三芯电缆引出红、白三芯电缆引出。差动电阻式传感器的内阻较低，在差动电阻式传感器的内阻较低，在6080之间。因此，仪器电缆的芯之间。因此，仪器电缆的芯线电阻或芯线接触电阻变差等会给测量线电阻或芯线接触电阻变差等会给测量带来较大误差。我国发明了利用恒流源带来较大误差。我国发明了利用恒流源技

29、术，用五芯电缆接法测量仪器电阻、技术，用五芯电缆接法测量仪器电阻、电阻比的方法，消除了导线电阻及其变电阻比的方法，消除了导线电阻及其变化对测值的影响，为仪器实现远距离自化对测值的影响，为仪器实现远距离自动化精确测量创造了条件动化精确测量创造了条件 R 1R 2白红黑图 2-3-2 差 阻 式 仪 器 三 芯 接 线R1R2白绿红黑蓝图 2-3-3 差 阻 式 仪 器 五 芯 接 线 差阻差阻式仪器三芯接线式仪器三芯接线差阻差阻式仪器五芯接线式仪器五芯接线第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 3、仪器测读数 差动电阻式传感器的读数装置是电阻比电桥差动电阻式传感器的读

30、数装置是电阻比电桥(惠斯曼型惠斯曼型)，电桥内有一可以调，电桥内有一可以调节的可变电阻节的可变电阻R，还有两个串联在一起的，还有两个串联在一起的50固定电阻固定电阻M2，将仪器接入电桥，将仪器接入电桥，仪器钢丝电阻仪器钢丝电阻R1和和R2就和电桥中可变电阻就和电桥中可变电阻R，以及固定电阻，以及固定电阻M构成电桥电路。构成电桥电路。图图a是测量仪器电阻比的线路，调节及使电桥平衡，则：是测量仪器电阻比的线路，调节及使电桥平衡，则：R/M=R1/R2 2-3 M100，故由电桥测出之，故由电桥测出之R值是及值是及R1和和R2之比的之比的100倍，倍，R100即为电阻比。即为电阻比。电桥上电阻比最小

31、读数为电桥上电阻比最小读数为0.01。图图b是测量串联电阻时，利用是测量串联电阻时，利用 上述电桥接成的另一电路，上述电桥接成的另一电路，调节调节R达到平衡时则：达到平衡时则：(M/2)/R=(M/2)/(R1+R2)2-4第二节第二节 差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器的基本原理 简化式简化式2-4得：得：R=(R1+R2)2-5 这时从可变电阻及读出的电阻值就是仪器的钢丝总电阻，从而求得仪器所这时从可变电阻及读出的电阻值就是仪器的钢丝总电阻，从而求得仪器所在测点的温度。在测点的温度。综上所述，差动电阻式仪综上所述，差动电阻式仪器以一组差动的电阻器以一组差动的电阻Rl和和R2，与电阻

32、比电桥，与电阻比电桥 形成形成桥路从而测出电阻比和电桥路从而测出电阻比和电阻值阻值 两个参数，来计算出两个参数，来计算出仪器所承受的应力和测点仪器所承受的应力和测点的温度。的温度。电桥测量原理电桥测量原理 4该类仪器的特点及注意事项我国从六十年代开始研制生产差阻式系列传感器，到目前为我国从六十年代开始研制生产差阻式系列传感器，到目前为止，已有止，已有20余万支差阻式仪器用于水电建设工程，在工程安余万支差阻式仪器用于水电建设工程，在工程安全监测领域发挥了很大作用，而我国也成为生产差阻式监测全监测领域发挥了很大作用，而我国也成为生产差阻式监测仪器最多的国家。由于该类仪器仪器最多的国家。由于该类仪器

33、长期稳定可靠，并能兼测温长期稳定可靠，并能兼测温度度，在高水压下也可以长期可靠的工作等优点，加之我国发，在高水压下也可以长期可靠的工作等优点，加之我国发明了五芯测量技术，解决了长电缆测量中的电缆电阻及接线明了五芯测量技术，解决了长电缆测量中的电缆电阻及接线电阻变差等影响，为差阻式系列传感器实施自动化监测开辟电阻变差等影响，为差阻式系列传感器实施自动化监测开辟了广阔前途。了广阔前途。差动电阻式传感器内的高强钢丝直径一般为差动电阻式传感器内的高强钢丝直径一般为0.040.06mm，钢丝极限强度一般为钢丝极限强度一般为3000Mpa。因仪器为两组钢丝差动变化，。因仪器为两组钢丝差动变化，需先对钢丝预

34、加需先对钢丝预加250470g的张力，对的张力，对0.05mm的仪器钢丝而的仪器钢丝而言，在不工作的状态下，钢丝所受张力为言，在不工作的状态下，钢丝所受张力为13002400Mpa。所以该类仪器所以该类仪器不耐震不耐震，更不能碰撞。在仪器率定及安装埋设，更不能碰撞。在仪器率定及安装埋设过程中必须注意，否则极易造成仪器钢丝损坏而失效。由于过程中必须注意，否则极易造成仪器钢丝损坏而失效。由于仪器钢丝工作在高应力状态，所以仪器的超载能力差，现场仪器钢丝工作在高应力状态，所以仪器的超载能力差，现场率定时一定注意。另外，率定时一定注意。另外，现场仪器电缆接长时接头处理不好现场仪器电缆接长时接头处理不好或

35、电缆绝缘下降都会对测量结果造成影响或电缆绝缘下降都会对测量结果造成影响。卡式仪器图片卡式仪器图片应变计应变计渗压计渗压计测缝计测缝计钢筋计钢筋计卡式仪器图片卡式仪器图片读书仪（比例电桥）读书仪（比例电桥）多点位移计及位移传感器多点位移计及位移传感器钢板应力计钢板应力计土压力计土压力计电阻温度计电阻温度计第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 1、仪器原理、仪器原理 钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦(一般称为钢弦，振弦或简一般称为钢弦，振弦或简称称“弦弦”)。常用高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成，它与传感器受。常用高弹性弹簧钢、马氏不

36、锈钢或钨钢制成，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量，因此也称为振动钢弦式（测得各种物理量，因此也称为振动钢弦式（Vibrating Wire)，简称弦式。，简称弦式。由于它结构简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试都非常方便，由于它结构简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试都非常方便，而且在钢弦经过热处理之后其蠕变极小，零点稳定。因此，倍受工程界而且在钢弦经过热处理之后其蠕变极小，零点稳定。因此，倍受工程界青睬。近年来在国内外发展较快，欧美已基本替代了其他类型的传感器。青睬。

37、近年来在国内外发展较快，欧美已基本替代了其他类型的传感器。弦式仪器弦式仪器1919年在德国出现，年在德国出现，1932年法国年法国Telemac公司开始生产，后由于公司开始生产，后由于频率测定方法频率测定方法的限制发展较慢。的限制发展较慢。6070年代后由于检测技术发展而再次年代后由于检测技术发展而再次兴起。兴起。钢弦式传感器所测定的参数主要是钢弦的自振频率，常用钢弦式传感器所测定的参数主要是钢弦的自振频率，常用专用的钢弦频率计测定，也可用周期测定仪测周期，二者互为倒数。在专用的钢弦频率计测定，也可用周期测定仪测周期，二者互为倒数。在专用频率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。专用频

38、率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。Vibrating Wire SensorsWireCoils第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 钢弦式仪器是根据钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成钢弦式仪器是根据钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成的。由于钢弦的自振频率取决于它的长度、钢弦材料的密度和钢弦所的。由于钢弦的自振频率取决于它的长度、钢弦材料的密度和钢弦所受的内应力。其关系式为：受的内应力。其关系式为：26式中式中 f 钢弦自振频率；钢弦自振频率；L钢弦有效长度；钢弦有效长度；钢弦的应力；钢弦的应力；钢弦材料密度。钢弦材料密度。/)2/1(LfE

39、L21 f EfL224 E钢弦材料的弹性模量￥第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 由式由式(26)可以看出，当传感器制造成功之后所用的钢弦材料和钢可以看出，当传感器制造成功之后所用的钢弦材料和钢弦的直径有效长度均为不变量。钢弦的自振频率仅与钢弦所受的张弦的直径有效长度均为不变量。钢弦的自振频率仅与钢弦所受的张力有关：因此，张力可用频率力有关：因此，张力可用频率f f的关系式来表示：的关系式来表示：27式中式中 F钢弦张力；钢弦张力；K传感器灵敏系数；传感器灵敏系数；f x张力变化后的钢弦自振频率张力变化后的钢弦自振频率;f o传感器钢弦初始频率；传感器钢弦初始频率；A

40、修正常数修正常数(在实际应用中可设为在实际应用中可设为“0”)AffKFox)(22第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 从式从式(27)中可以看出，钢弦式传感器的张力与频率的关系为二次函数，中可以看出，钢弦式传感器的张力与频率的关系为二次函数，频率平方与张力为一次函数。仪器的结构不同，张力频率平方与张力为一次函数。仪器的结构不同，张力“F”可以变换为位可以变换为位移、压力、压强、应力、应变等各种物理量。从式移、压力、压强、应力、应变等各种物理量。从式(27)中可以看出钢弦中可以看出钢弦的张力与自振频率的平方差呈直线关系。的张力与自振频率的平方差呈直线关系。为方便起见，一

41、般用为方便起见，一般用频率模数频率模数F表表示弦式仪器的输出量，示弦式仪器的输出量，F=f2/1000。这样，物理量的变化与频率模数为线性。这样，物理量的变化与频率模数为线性关系。关系。2仪器结构仪器结构弦式应变计由两端头加一张紧的弦、外壳、激励线圈等弦式应变计由两端头加一张紧的弦、外壳、激励线圈等组成。该小应变计芯子装在钢筋计钢套上组成钢筋计；组成。该小应变计芯子装在钢筋计钢套上组成钢筋计；锚索测力计钢筒上装上锚索测力计钢筒上装上36支弦式应变计即组成锚索测支弦式应变计即组成锚索测力计。弦式测缝计为一钢弦与一吊簧组成位移测量传感力计。弦式测缝计为一钢弦与一吊簧组成位移测量传感器。钢弦吊一不锈

42、钢浮子可组成量水堰水位计。器。钢弦吊一不锈钢浮子可组成量水堰水位计。3、频率测量、频率测量测量系统主要由振弦式传感器、激振电路、检测电路、测量系统主要由振弦式传感器、激振电路、检测电路、微控制器控制、测频电路等组成。微控制器控制、测频电路等组成。激振电路采用扫频激振技术，当激振频率和传感器振弦激振电路采用扫频激振技术，当激振频率和传感器振弦的固有频率接近时，振弦能迅速达到共振状态。的固有频率接近时，振弦能迅速达到共振状态。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然作衰减震荡。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然作衰减震荡。振动产生的感应信号通过检测电路滤波、放大、整形成振动产生的感应信号通过检测电路

43、滤波、放大、整形成脉冲信号送到微控制器，微控制器通过测量脉冲信号的脉冲信号送到微控制器，微控制器通过测量脉冲信号的周期或频率，即可测得传感器的振动频率周期或频率，即可测得传感器的振动频率 第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 钢弦传感器的激振一般由电磁线圈完成。经过把各类物理量转换钢弦传感器的激振一般由电磁线圈完成。经过把各类物理量转换为拉为拉(或压或压)力作用在钢弦上，改变钢弦所受的张力，在磁芯的激发下，力作用在钢弦上，改变钢弦所受的张力，在磁芯的激发下，使钢弦的白振频率随张力变化而变化。通过频率的变化可以换算出被使钢弦的白振频率随张力变化而变化。通过频率的变化可以换算

44、出被测物理量的变化值。由于钢弦放置于电测原件测物理量的变化值。由于钢弦放置于电测原件“磁芯磁芯”的磁场中，当的磁场中，当钢弦振动时就在接收线圈中产生感应电动势钢弦振动时就在接收线圈中产生感应电动势V。测出它的频率就确定了。测出它的频率就确定了被测钢弦的自振频率。被测钢弦的自振频率。钢弦传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。图钢弦传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。图25中中的三种激振方式代表了钢弦式传感器的发展过程。图的三种激振方式代表了钢弦式传感器的发展过程。图25(a)是单线圈是单线圈间歇激振型传感器，它激振相接收共用一组线圈，结构简单，但由于间歇激振型传感器，它激振相接收共

45、用一组线圈，结构简单，但由于线圈内阻不可能很大，一般是几十欧姆到几百欧姆。因此，传输距离线圈内阻不可能很大，一般是几十欧姆到几百欧姆。因此，传输距离受到一定限制，抗干扰能力比较差，传输电缆要求截面较大的屏蔽电受到一定限制，抗干扰能力比较差，传输电缆要求截面较大的屏蔽电缆为好。缆为好。第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 单脉冲输入单脉冲输入：当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动钢弦，当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动钢弦，所以国外也有叫所以国外也有叫“拨拨弦式弦式”，钢弦被拨动后产生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线，钢弦被拨动后产生一个衰减振荡

46、，切割磁芯的磁力线在磁芯的输出端也产生如图在磁芯的输出端也产生如图2 25(a3)5(a3)的衰减正弦波。接收仪表测出此波的频率即为的衰减正弦波。接收仪表测出此波的频率即为钢弦此刻的自振频率。钢弦此刻的自振频率。三线制双线圈钢弦式传感器三线制双线圈钢弦式传感器：有两个线圈组成一个线圈为激振线团，一个为：有两个线圈组成一个线圈为激振线团，一个为接收线圈接收线圈。激振线圈由二次仪表送来一个激振线圈由二次仪表送来一个l000Hzl000Hz左右的激发脉冲，一船为正弦波或左右的激发脉冲，一船为正弦波或锯齿波。当钢弦激振后由接收线圈传送到二次仪表中，经放大反馈一部分到激发线锯齿波。当钢弦激振后由接收线圈

47、传送到二次仪表中，经放大反馈一部分到激发线圈上，使激发频率与接收频率相等，让钢弦处于谐振状态一部分送到整形、计数、圈上，使激发频率与接收频率相等，让钢弦处于谐振状态一部分送到整形、计数、显示电路测出频本。这种结构比单线圈的性能有了很大的改善，但同样存在线圈内显示电路测出频本。这种结构比单线圈的性能有了很大的改善，但同样存在线圈内阻小对电缆要求较高的不足。常用三芯或双芯屏蔽电缆，屏蔽层或其中一芯为公阻小对电缆要求较高的不足。常用三芯或双芯屏蔽电缆，屏蔽层或其中一芯为公用线，一芯激发线，一芯接收线。用线，一芯激发线，一芯接收线。第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 25 三种

48、钢弦式传感器原理图三种钢弦式传感器原理图（a）单线圈间歇激振（拨弦式）型输入输出波形；（）单线圈间歇激振（拨弦式）型输入输出波形；（b）三线制双线圈连续激振型输）三线制双线圈连续激振型输入输出波形；（入输出波形；（c）二线制双线圈连续激振型输入输出波形）二线制双线圈连续激振型输入输出波形 第三节第三节 钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 二线制双线圈的钢弦传感器二线制双线圈的钢弦传感器：结构比较新颖，磁芯中有一组反馈放大电路，：结构比较新颖，磁芯中有一组反馈放大电路，对二次仪表来说，由二芯传输线直流输入，经内部电路激发，正弦波输出。此方式对二次仪表来说，由二芯传输线直流输入，经内部电

49、路激发，正弦波输出。此方式采用了现代电子技术，把磁芯内阻做到采用了现代电子技术，把磁芯内阻做到3500左右，内阻提高，传输损耗小，传输左右，内阻提高，传输损耗小，传输距离较远，抗干扰增强。因此，对电缆要求较低。一般用二芯不屏蔽电线即可。若距离较远，抗干扰增强。因此，对电缆要求较低。一般用二芯不屏蔽电线即可。若一组有几个传感器的，每增加一只传感器只需增加一芯电缆。例一组四点位移计只一组有几个传感器的，每增加一只传感器只需增加一芯电缆。例一组四点位移计只需一根需一根5芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。钢弦式传感器利用电磁线圈铜导线的电阻

50、值随温度变化的特性可以进行温度测钢弦式传感器利用电磁线圈铜导线的电阻值随温度变化的特性可以进行温度测量，也可在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。量，也可在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。钢弦式传感器的优点钢弦式传感器的优点是钢弦频率信号的传输不受导线电阻的影响，测量距离比是钢弦频率信号的传输不受导线电阻的影响，测量距离比较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。4、Vibrating Wire AdvantagesFrequency output-can transmit signals over long c