振弦式儀器及其長(zhǎng)期穩(wěn)定性

　　振弦式儀器自３０年代發(fā)明以來(lái)，由于其獨(dú)特的優(yōu)異特性如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及對(duì)電纜要求低等而一直受到工程界的注目。然而，由于歷史的原因，振弦式儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性一直是爭(zhēng)議的話題。直到７０年代，隨著現(xiàn)代電子讀數(shù)儀技術(shù)、材料及生產(chǎn)工藝的發(fā)展，振弦式儀器技術(shù)才得以完善并真正能滿足工程應(yīng)用的要求。根據(jù)美國(guó)墾務(wù)局及陸軍工程師團(tuán)在數(shù)十座大壩長(zhǎng)期使用弦式儀器的經(jīng)驗(yàn)，以美國(guó)基康公司( GEOKON INC.)為代表的弦式儀器專業(yè)制造商生產(chǎn)的儀器，具有令人滿足的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前，性能完善的弦式儀器已成為新一代工程儀器的潮流。色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀|

２、弦式儀器的工作原理

　　振弦式儀器通常包括固定在端塊或被測(cè)元件之間的鋼弦，通過(guò)測(cè)量張緊鋼弦的頻率變化來(lái)測(cè)量鋼弦的張力／應(yīng)變等物理量，鋼弦的振動(dòng)頻率與弦的張力之間的關(guān)系為：

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　　這里：Ｆ──鋼弦的自振頻率

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　　　　�。桐ぉ�單位長(zhǎng)度鋼弦的質(zhì)量

　　　　�。冤ぉや撓业膹埩�。

　　實(shí)踐證明，弦式儀器的技術(shù)難點(diǎn)在于其長(zhǎng)期穩(wěn)定性，影響振弦式儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素很多，最重要的因素包括鋼弦及其相關(guān)部件材料的選擇、鋼弦的固定技術(shù)、盡可能地減小由于溫度和應(yīng)變引起的弦線徐變以及減小潛在的腐蝕。高質(zhì)量的振弦式傳感器應(yīng)具有良好的設(shè)計(jì)工作特性和較低的長(zhǎng)期漂移。

３、振弦技術(shù)

　　從激勵(lì)和讀數(shù)技術(shù)來(lái)區(qū)分，振弦式儀器主要有“撥振”和“自動(dòng)諧振”兩種方式�！皳苷瘛奔夹g(shù)是一種最簡(jiǎn)單的方法，它是將一個(gè)電磁線圈放在弦的中間且距弦非常近，該線圈兼作激勵(lì)和信號(hào)感應(yīng)線圈，電子脈沖信號(hào)通過(guò)兩芯導(dǎo)線傳入線圈引起磁場(chǎng)改變使鋼弦以其諧振頻率振動(dòng)。由于張力不同的鋼弦的諧振頻率不同，線圈感受到鋼弦切割磁力線的頻率并將信號(hào)通過(guò)上述兩根電纜傳到讀數(shù)裝置。讀數(shù)裝置使用高頻石英計(jì)時(shí)器及周期平均技術(shù)來(lái)精確地測(cè)定弦的振動(dòng)頻率（周期），并在幾毫微秒內(nèi)給出重復(fù)分辨率，通常分辨率能達(dá)到0.1個(gè)微應(yīng)變或更好。

　　在傳統(tǒng)的“自動(dòng)諧振”技術(shù)中，一般使用2個(gè)獨(dú)立的線圈。一個(gè)線圈作為激勵(lì)線圈，激勵(lì)鋼弦以其諧振頻率振動(dòng)。另一個(gè)線圈作為感應(yīng)線圈，用來(lái)感應(yīng)鋼弦的振動(dòng)并反饋到主動(dòng)線圈。

　　兩種技術(shù)的構(gòu)成不同，因而也帶來(lái)一些性能上的差異。一般而言，“撥振”－單線圈方式儀器和測(cè)量電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單；由于在傳感器內(nèi)的電子部件降低到最低限度，傳感器的可靠性及耐惡劣環(huán)境性都更好一些；同時(shí)，由于只采用一個(gè)線圈，傳感器的體積可以做得很�。ǘ�雙線圈自動(dòng)諧振式傳感器需要更長(zhǎng)的鋼弦以便能容納兩個(gè)線圈）；此外，由于單線圈振弦儀器只需兩芯電纜，總體費(fèi)用也更便宜。而“自動(dòng)諧振”－雙線圈方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)高速計(jì)數(shù)技術(shù)或把頻率轉(zhuǎn)換成電壓方式在一定范圍可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量（通常動(dòng)態(tài)信號(hào)輸入頻率限制在大約 100HZ內(nèi)），然而目前由于目前單線圈連續(xù)激振技術(shù)已經(jīng)獲得了突破，雙線圈“自動(dòng)諧振”方式基本已經(jīng)沒(méi)有更多存在的理由。

４、振弦傳感器的類型

　　不同結(jié)構(gòu)形式的振弦技術(shù)可以形成不同的測(cè)量方法或傳感器類型。

　　應(yīng)變計(jì)的鋼弦固定在兩個(gè)端塊之間并且把端塊連接在要監(jiān)測(cè)的元件上。應(yīng)變計(jì)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)、巖土及建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力／應(yīng)變量測(cè)，應(yīng)變計(jì)也可在荷載盒、壓力盒和撓度計(jì)中用作感應(yīng)元件。

　　壓力傳感器的鋼弦被固定在一個(gè)靈敏的膜片上，壓力改變引起膜片變位，進(jìn)而導(dǎo)致鋼弦張力的改變。振弦式壓力傳感器廣泛應(yīng)用于滲壓計(jì)、水位計(jì)、壓力盒、荷載盒和沉降傳感器中。

　　位移傳感器包括與彈簧串連的振弦和滑動(dòng)軸。軸的移動(dòng)改變了彈簧和振弦的張力。最常見(jiàn)的如多點(diǎn)位移計(jì)、邊界計(jì)、測(cè)縫計(jì)等。

　　振弦也可用作力傳感器，這種類型的傳感器常常用在液位監(jiān)測(cè)及靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中，液面變化改變了浸入水中部件的浮重從而引起鋼弦張力的改變。在工業(yè)應(yīng)用中，振弦式力傳感器常用作特殊衡重量測(cè)。

　　振弦技術(shù)也可應(yīng)用于極端惡劣的環(huán)境，例如：通過(guò)恰當(dāng)?shù)剡x擇材料和技術(shù)，可以制造出能在-５０℃～＋２００℃環(huán)境下工作的弦式儀器。振弦式儀器也常在高輻射條件下應(yīng)用。

５、振弦式傳感器的特性

　　頻率和應(yīng)變分辨率：振弦式傳感器的諧振頻率主要取決鋼弦的長(zhǎng)度以及鋼弦的應(yīng)變。在弦長(zhǎng)和應(yīng)變一定時(shí)，鋼弦直徑及材質(zhì)對(duì)其頻率影響甚微。在讀數(shù)設(shè)備的精度一定時(shí)，頻率變化越大，傳感器的應(yīng)變分辨率就越高。例如：壓力傳感器的弦長(zhǎng)為 150MM，膜片在全量程內(nèi)位移0.05MM時(shí)，則全量程的應(yīng)變?yōu)?333微應(yīng)變，其頻率變化大約為55HZ。如果弦的長(zhǎng)度為25MM，膜片位移量和上例相同，那么全量程的應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變并且頻率變化大約為2800HZ。對(duì)于壓力傳感器來(lái)說(shuō)，最重要問(wèn)題是線性度和分辨率。大部分成功的振弦式傳感器的線性度小于全量程的±0.5%，分辨率為全量程的0.1%或者更好。一些優(yōu)秀制造商生產(chǎn)的傳感器的指標(biāo)可以達(dá)到線性度為全量程的±0.1%及分辨率為全量程的±0.01%。

６、振弦式傳感器的精度

　　精度的含義是測(cè)值與真實(shí)值的接近程度，為了真實(shí)反映傳感器的精度，應(yīng)該考慮所有的誤差來(lái)源。通常誤差來(lái)源包括標(biāo)準(zhǔn)精度誤差、溫度誤差和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

　　標(biāo)準(zhǔn)精度誤差通常是由非線性，滯后現(xiàn)象和不可重復(fù)性等引起的誤差的綜合。一般對(duì)振弦傳感器進(jìn)行標(biāo)定是采用可示蹤的0.1%或更高的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定振弦傳感器的精度和重復(fù)性。實(shí)踐證明了振弦傳感器在0.025%F.S.范圍內(nèi)是可重復(fù)的。

　　溫度誤差是由零點(diǎn)誤差（在空載情況下，由于溫度的變化引起的輸出讀數(shù)的改變）和溫度間隔誤差（在全量程范圍內(nèi)由于溫度變化引起的讀數(shù)的改變）決定的。典型的弦式傳感器的溫度誤差小于0.02%F.S./°F。

　　長(zhǎng)期穩(wěn)定性或漂移的定義是指已標(biāo)定的輸出讀數(shù)相對(duì)于時(shí)間的變化情況。如果傳感器沒(méi)有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，那么就無(wú)法精確確定其它誤差來(lái)源，除非對(duì)傳感器進(jìn)行定期標(biāo)定，然而這在大多數(shù)工程中是難以做到的。因此，弦式儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性一直是工程界最為關(guān)心的問(wèn)題。已經(jīng)公開(kāi)的資料表明，即便是一些國(guó)際上知名的儀器公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性也不能令人滿足。 　　有關(guān)方面測(cè)試了兩個(gè)有名的歐洲儀器制造商制造的振弦式滲壓計(jì)的樣本漂移數(shù)據(jù)。在３年多時(shí)間里，制造商Ａ的傳感器漂移量大約為1.6%F.S.，制造商Ｂ的傳感器漂移量大約為1.8%F.S.（數(shù)據(jù)未進(jìn)行溫度和氣壓修正）。盡管數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)較少且擴(kuò)散，其漂移率卻顯示是與時(shí)間相關(guān)的。上述的兩種傳感器具有相似的漂移趨勢(shì)，可能表征了設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。 　　同樣的測(cè)試也對(duì)比了一家著名的美國(guó)觀測(cè)儀器公司與美國(guó)基康公司(GEOKON INC.)的同類傳感器（每組７支）。受測(cè)儀器制造好后立即開(kāi)始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大約４個(gè)月。第１組和第２組傳感器使用了相同的材料，但制造技術(shù)不同。從數(shù)據(jù)可以看出，頭４個(gè)月里，第１組出現(xiàn)了明顯的徐變，徐變量大約為16KPa(平均)或1.4%F.S.（數(shù)據(jù)已進(jìn)行了溫度和氣壓修正）。而第２組基康公司的傳感器基本沒(méi)有變化（變化小于0.1% F.S.）。

更長(zhǎng)期的測(cè)試顯示了美國(guó)基康公司生產(chǎn)的幾種壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，超過(guò)7年的數(shù)據(jù)測(cè)試表明，所有的被測(cè)傳感器都非常穩(wěn)定并且總的漂移不超過(guò)0.2% F.S.。

　　事實(shí)表明，在弦式儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面，至今只有為數(shù)不多的制造商真正掌握了有關(guān)技術(shù)訣竅。

７、影響弦式儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素

　　傳感器部件材料的選擇：材料的選擇通常是決定儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的第一個(gè)因素。材料本身（不論是一種還是幾種材料接合），均應(yīng)有較好的力學(xué)、耐腐蝕和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，傳感器部件如殼體和膜片材料必須和弦的溫度系數(shù)相匹配，且這些材料必須和使用的固定（焊接）技術(shù)兼容。

　　弦的應(yīng)力：一般而言，弦的應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)保持盡可能地低。在典型的壓力傳感器中，鋼弦的屈服應(yīng)力大約是2750 MPa，弦的最大應(yīng)力應(yīng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。通常傳感器在使用后，作用在膜片上的壓力減少，從而導(dǎo)致了弦上的應(yīng)力大大降低，這樣將減小弦的徐變趨勢(shì)。但在應(yīng)變計(jì)和位移傳感器中，弦的應(yīng)變常高達(dá)4000－5000微應(yīng)變，弦的應(yīng)力超過(guò)1000MPa，此時(shí)傳感器仍應(yīng)穩(wěn)定地工作。

　　鋼弦預(yù)張與固定技術(shù)：傳感器的鋼弦用預(yù)定的張力固定著，保持初始張力不變的技術(shù)是至關(guān)重要的，因?yàn)樵陂L(zhǎng)期受力狀態(tài)下，鋼弦固定端的滑動(dòng)或徐變都會(huì)引起錯(cuò)誤的信息。鋼弦的固定技術(shù)被認(rèn)為是生產(chǎn)高品質(zhì)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明，采用傳統(tǒng)的機(jī)械夾持工藝難以保持預(yù)定的張力從而無(wú)法保證所有批量生產(chǎn)的傳感器具有相同的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。而采用特殊的焊接設(shè)備和工藝，可使弦及固端深層焊透而又不產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且焊接不使用填充料以避免腐蝕。 　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：振弦儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很大程度上決定了儀器的工作特性。為了最大可能的提高分辨率，鋼弦的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。然而，考慮到弦端固定及線圈應(yīng)置于弦中心位置的要求，過(guò)短的弦常會(huì)帶來(lái)一些制造上的困難。此外，當(dāng)弦非常短時(shí)，在諧振情況下把弦激活變得更加困難。綜上所敘述，對(duì)于特定類型的傳感器例如壓力傳感器來(lái)說(shuō)，弦長(zhǎng)、膜片的直徑、偏移量存在一個(gè)最優(yōu)組合。對(duì)一些特殊性能的傳感器如微壓傳感器，其工作量程可達(dá)厘米級(jí)，大氣壓力的變化對(duì)傳感器的影響是非常明顯的。為了修正氣壓的影響，傳感器應(yīng)與大氣通氣以便在壓力感應(yīng)膜上形成壓力平衡。 　　現(xiàn)代的弦式儀器常把弦線與殼體部件焊接成密閉共振腔。在傳感器內(nèi)部有限的空間內(nèi)，氣體溫度變化可引起不容忽視的壓力變化。為最大限度地減小溫度變化的影響并為振弦元件提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，共振腔內(nèi)應(yīng)抽成真空。這樣可以消除壓力的影響。

　　對(duì)比數(shù)據(jù)顯示了同一批產(chǎn)品中抽取的12支345KPA的傳感器樣本，在這些樣本中，有6支傳感器內(nèi)部抽成真空，另 6支傳感器內(nèi)部為常壓。抽真空的傳感器平均對(duì)溫度的靈敏度為-0.121KPA/℃，內(nèi)部不抽成真空的傳感器平均對(duì)溫度的靈敏為0.264KPA/℃。

　　密封技術(shù)：由于大部分工程儀器是工作在惡劣環(huán)境中，密封的失效將導(dǎo)致傳感器不能正常工作。對(duì)于壓力傳感器如滲壓計(jì)應(yīng)特別注意機(jī)殼與電纜引入處的密封，在傳感器機(jī)殼有電纜引入線的地方都用雙“Ｏ”型環(huán)將傳感器密封在機(jī)殼里。在傳感器機(jī)殼內(nèi)有加工好的“Ｏ”型環(huán)槽，這就允許“Ｏ”型環(huán)自由定位并防止機(jī)殼外的差動(dòng)應(yīng)力對(duì)傳感器造成影響。另外，在每個(gè)引線貫穿線圈內(nèi)部空間的地方，應(yīng)設(shè)內(nèi)部隔極。即使傳感器的所有“O”型環(huán)密封都失敗，&127;或者水滲入到電纜里面并到達(dá)隔極密封的地方，傳感器仍能正常工作。

　　失效技術(shù)：一般認(rèn)為工廠失效能有助于提高現(xiàn)場(chǎng)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但并非所有的失效技術(shù)都保證能獲得滿意的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。上面提及的其他生產(chǎn)商均采用了某種失效技術(shù)，然而測(cè)試數(shù)據(jù)并不能證明其失效技術(shù)的有效性。

　　電纜技術(shù)：振弦式傳感器的輸出信號(hào)是以頻率變化的方式出現(xiàn)的，溫度起伏、潮氣侵入等引起的電纜電阻的變化對(duì)信號(hào)沒(méi)有影響，故對(duì)電纜的要求較其他傳感器低得多。但在長(zhǎng)電纜條件下，多種原因產(chǎn)生的電子噪音對(duì)信號(hào)有一定影響。防止這種干擾的最好方法是把每對(duì)導(dǎo)線雙絞并屏蔽起來(lái)。例如美國(guó)基康公司生產(chǎn)的電纜帶有鋁箔－聚酯薄膜絕緣帶，這種絕緣帶纏繞于導(dǎo)線周圍，且電纜內(nèi)設(shè)有一根裸銅排擾線以便把產(chǎn)生的感應(yīng)電流排放到大地。此外，導(dǎo)線使用的絕緣材料也非常重要。聚乙烯和聚丙烯都是很好的絕緣材料且電介質(zhì)吸收率很小。實(shí)踐證明，這種技術(shù)是消除電子噪音的最好方法。采用這種技術(shù)，聯(lián)接“撥振”型振弦式傳感器的電纜延伸了３公里，傳感器仍工作很好。此外，對(duì)地漏電在 5K歐姆范圍以內(nèi)的情況，對(duì)其他傳感器如粘貼應(yīng)變片式傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，但振弦式傳感器卻可以正常工作。

　　傳感器的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期測(cè)試：在大多數(shù)工程應(yīng)用中，傳感器通常是埋在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，無(wú)法重新標(biāo)定。在對(duì)結(jié)構(gòu)特性和安全的可信程度作出決定時(shí)，具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的傳感器就顯得特別重要。連續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期測(cè)試可以顯示出傳感器的穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化情況并為安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器特性提供進(jìn)一步的證明資料。同時(shí)，產(chǎn)品出廠的標(biāo)定參數(shù)應(yīng)該建立在經(jīng)過(guò)連續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上。

８、結(jié)論