振弦式滲壓計的工作原理及設計

摘 要：20世紀70年代以來，大壩安全自動化監測系統得到了迅速發展，滲壓監測是大壩安全監測中重要的監測項目之一，滲壓計的應用和發展再次成為熱點。本文闡述了振弦式滲壓計的工作原理、激勵與拾振、設計過程中選材等相關問題。

關鍵詞：振弦式 激勵與拾振 鋼弦 膜片

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0047-02

振弦式傳感器是目前在測力應用方面最為先進的傳感器之一，穩定性和精度完善后將成為新一代工程儀器的潮流。振弦式儀器由于其獨特的優異特性如結構簡單、精度高、抗干擾能力強以及對電纜要求低等，一直受到工程界的青睞。然而直到20世紀70年代，隨著現代電子讀數儀技術、材料及生產工藝的發展，振弦式傳感器技術才得以完善，并真正滿足工程實際應用的要求。

振弦式傳感器是目前國內外普遍重視和廣泛應用的一種非電量電測的傳感器。此傳感器輸出的是頻率信號，具有抗干擾能力強，溫漂、零漂小，受電參數影響小，性能穩定可靠，能適應惡劣條件下長期觀測和遠距離測試，在水電水利行業有著不可比擬的優勢。

1 振弦式滲壓計的工作原理

振弦式滲壓計由膜片（受力彈性形變外殼）、細鋼弦、調節夾緊裝置、激勵和接收線圈等組成。鋼弦自振頻率與其張緊力的大小、材料、長度等有關，但振弦一經確定后，振弦的自振頻率就是一個確定值，振動頻率的變化量即對應受力的大小。

振弦在等幅連續振動的工作狀態，符合柔軟無阻尼微振動的條件，振弦的振動頻率可由下式確定：

式中：為初始頻率；

L為鋼弦的有效長度；

ρ為鋼弦材料密度；

為鋼弦上的初始應力。

依據上式，鋼弦的質量m、長度L、截面積S、彈性模量E可視為常數，密度ρ和初始應力就是確定值或可測量值，因此，鋼弦的應力與輸出頻率建立了相應的關系。當外界滲壓力未施加時，鋼弦在初始應力下作穩幅振動，輸出初頻；當施加壓力時，則膜片發生相應的變形，使鋼弦的應力改變，這時初頻也隨之變化為f。因此，只要測得振弦頻率值f，即可得到相應被測壓力值。

2 振弦激勵與拾振

所謂激振，就是使傳感器的鋼弦振動起來。在實際應用中，振弦能否可靠起振是評定測量精度的一個關鍵因素。根據振弦傳感器的工作原理，要檢測到振弦滲壓計（也就是鋼弦）的固有頻率信號，首先必須使振弦滲壓計內部的鋼弦振動，從而切割線圈的磁感線產生相應電動勢信號，經幾級放大處理后以頻率值輸出顯示。實際工作中，激振模塊的作用就是使鋼弦振動。

早期的傳感器振弦一端固定；另一端連結在彈性感壓膜片上。弦的中部裝有一塊軟鐵，置于磁鐵和線圈構成的激勵器的磁場中。激勵器在停止激勵時兼作拾振器，有的另外設置拾振器。工作時，振弦在激振模塊的激勵下振動，其振動頻率與膜片所受壓力的大小有關。拾振器則通過電磁感應獲取振動頻率信號。

常用的激勵方式有間歇式和連續式的。在間歇激勵中由張弛振蕩器給出一段激勵脈沖，通過繼電器使線圈通電、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。激勵脈沖停止后，軟鐵塊被松開，使振弦自由振動。此時在線圈中即產生感應電勢，其交變頻率就是振弦的固有振動頻率。電路比較復雜、功耗大、調節范圍小并且不能在線自動實現，不建議采用此方法。連續激勵方式又可分為電流法和電磁法。

2.1 激振方法之：電流法

電流激勵法是由激勵器、檢測器、機械諧振器和放大器構成的機電一體化高品質閉環諧振系統。在激振時，振弦傳感器的鋼弦需要通過電流，通有電流的鋼弦在磁場中會受到洛倫茲力的作用，洛倫茲力會使鋼弦以其固有頻率振動，同時因振動而產生的信號還可以經過反饋電路再次反饋到鋼弦上，使鋼弦能持續振動。電流法是基于正反饋原理的閉環控制系統，能實現對輸入的自動跟蹤，因此具有較好的動特性。

2.2 激振方法之：電磁法

電磁激勵法適合于采用雙線圈型的傳感器。此激勵法中鋼弦不用通過電流，而有兩個線圈，激振信號通過激振線圈使鋼弦起振，拾振線圈中將產生與鋼弦固有頻率相等的感應電動勢拾取檢測，并經放大整形處理后成為可測量的信號輸出，同時控制器又將其作為輸入信號產生激振信號，送給激振線圈補充能量，從而繼續使鋼弦振動。

2.3 激振方法之：高壓撥弦激勵法

高壓撥振激振方式是通過高頻變壓器產生的高壓激振脈沖使鋼弦振動，激發電壓大于100 V，被激勵的鋼弦通過拾振線圈將振動轉換成自由衰減振蕩的正弦電壓信號，經檢測處理后以頻率值輸出。缺點是鋼弦振動持續時間比較短，因此信號不易拾取，測量精度差，并且高電壓會加速老化鋼弦以至于傳感器失效，對于堤壩滲壓力的檢測儀器不可采用此方法。

2.4 激振方法之：低壓掃頻激勵法

低壓掃頻激振，首先要根據實際固有頻率選擇一合適的頻率段，采用低壓頻率逐漸變大的掃頻脈沖串信號，當激振信號的頻率和鋼弦的固有頻率相近時，鋼弦便能快速而達到共振狀態，此時振幅最大，能產生較大的感應電動勢，同時傳感器輸出的頻率信號信噪比較高且便于測量。缺點是低壓掃頻激振采用低電壓激勵很大程度上保護鋼弦，但是掃頻信號時從頻率下限到頻率上限的連續脈沖信號，每個頻率的脈沖都要持續若干個周期，以保證激振效果，所以激振時間太長。

綜合以上常用方法和實際工作條件，采用一種反饋式的激振方法。激振信號使用單片機發出一串連續的、持續時間t1 ms方波（標準波形）進行激振。同時采用分段掃頻的方法以縮短掃頻時間，同時間隔時間為t2 s，以確保鋼弦能自振結束。當激勵信號的頻率與鋼弦的固有頻率相接近時，振弦能迅速達到共振狀態，可靠起振；振弦起振后，它在線圈中產生的感應電動勢的頻率即是振弦的固有頻率。一旦滲壓計激振后，通過拾振電路對信號進行采樣分析，得到起振頻率，然后使用該頻率（接近鋼弦固有頻率）進行反復激振，以維持穩定的振幅，提高測量精度。

3 主要部件的設計參數選型、及加工工藝的選擇

滲壓計工作時埋設或安裝在堤壩、管道和壓力容器內，可測量空隙水壓力。各項性能很優異，其主要部件采用特殊（處理）鋼材制造以適用于自然條件下的惡劣環境，甚至可以直接埋設在混凝土或土石塊中。

3.1 弦的材料、直徑、徑長比

相應于單位壓力增量引起基頻的改變量，稱為振弦的靈敏度。而提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長（另外可選用高彈性模量的振弦材料），所以設計選擇弦長時應在保證振弦能起振的情況下，鋼弦應力盡可能小些。同時，采用細弦，減少抗彎剛度，也可以提高靈敏度。事實上振弦應滿足柔軟無阻尼振動運動微分方程，故鋼弦不能過短，弦長與直徑之比應大于200，一般在300～400之間為宜。

由實驗和資料表明，振弦的直徑為0.2～0.3mm。同時鋼絲橢圓度不大于直徑共差的一半，表面光潔度要達到要有，外表面光亮、色澤一致并具有良好的防腐蝕性能。要求鋼弦截取定長后，不能有明顯的彎折等現象。

3.2 弦的固定

鋼弦與膜片的連接，采用鉚定連接；和固定端的連接，由開口銷夾弦裝置預緊，調試后焊接固定。

3.3 膜片的材料、形狀

膜片作為彈性敏感元件在傳感器中直接參與變換和測量，因此材料選用十分重要。在任何情況下，材料都要保證具有良好的彈性、足夠的精度和穩定性。

通常使用的材料為合金結構鋼、銅合金、鋁合金等。鉻錳彈簧鋼和鉻釩彈簧鋼具有優良的機械性能。黃銅可用于制造受力不大的彈簧機膜片。德銀由于制造抗腐蝕的彈性元件。錫磷青銅由于制造制造一般的彈性元件或抗腐蝕性能好的彈性元件。鈹青銅由于制造精度高、強度好的彈性敏感元件。不銹鋼由于制造強度高、耐腐蝕性好的彈性敏感元件。

因此，選擇不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb作為膜片的加工材料。形狀選擇易于加工的圓形薄片，因為只有便于加工才能更好地保證其精度，降低成本、提高質量。

而且是在組裝好以后再精車或磨削加工使達到0.2 mm以下的厚度，確保其靈敏度的同時又能使其在組裝過程中不受到損壞。

3.4 線圈與磁芯

磁芯線圈的磁芯是置于空心線圈內部，并不加大線圈原有的體積。可見，要獲得小體積、大電感，一般選用磁芯線圈。增加磁芯后導磁率高、電感量大大增強、電阻率極高無渦流損耗等、可以濾波抗干擾、便于加工成本低。

4 結語

本文闡述了振弦式滲壓計的工作原理和常用激振方法，以及主要部件設計相關問題。通過比較綜合、改進了激振方法，使得鋼弦快速可靠起振以保證儀器的穩定性和精度。設計主要零部件時采用特殊處理材料，保證儀器性能的同時縮小體積，并能適用于各種自然條件。

參考文獻

[1]白澤生.一種基于振弦式傳感器測頻方法的實現[J].傳感器與微系統，2007.

[2]趙花城.我國大壩安全監測自動化現狀與發展目標[J].大壩與安全，2001.

[3]呂剛.大壩安全檢測技術及自動化監測儀器、系統的發展[J].大壩觀測與測試，2001.

[4]徐承軍，常亞瓊.振弦式傳感器動態測試機理研究[J].儀表技術與傳感器，2011.

[5]張曉廷，劉佳，趙景飛，等.大壩壩基中振弦式滲壓計安裝[J].水利水電施工，2011.