振弦式儀器自３０年代發(fā)明以來(lái)，由于其獨特的優(yōu)異特性如結構簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強以及對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(cháng)期穩定性一直是爭議的話(huà)題。直到７０年代，隨著(zhù)現代電子讀數儀技術(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(mǎn)足工程應用的要求。根據美國墾務(wù)局及陸軍工程師團在數十座大壩長(cháng)期使用弦式儀器的經(jīng)驗，以美國基康公司( GEOKON INC.)為代表的弦式儀器專(zhuān)業(yè)制造商生產(chǎn)的儀器，具有令人滿(mǎn)足的長(cháng)期穩定性。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| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 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元件之間的鋼弦，通過(guò)測量張緊鋼弦的頻率變化來(lái)測量鋼弦的張力／應變等物理量，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(cháng)度鋼弦的質(zhì)量

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　　實(shí)踐證明，弦式儀器的技術(shù)難點(diǎn)在于其長(cháng)期穩定性，影響振弦式儀器長(cháng)期穩定性的因素很多，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變引起的弦線(xiàn)徐變以及減小潛在的腐蝕。高質(zhì)量的振弦式傳感器應具有良好的設計工作特性和較低的長(cháng)期漂移。

３、振弦技術(shù)

　　從激勵和讀數技術(shù)來(lái)區分，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(xiàn)圈放在弦的中間且距弦非常近，該線(xiàn)圈兼作激勵和信號感應線(xiàn)圈，電子脈沖信號通過(guò)兩芯導線(xiàn)傳入線(xiàn)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(xiàn)圈感受到鋼弦切割磁力線(xiàn)的頻率并將信號通過(guò)上述兩根電纜傳到讀數裝置。讀數裝置使用高頻石英計時(shí)器及周期平均技術(shù)來(lái)精確地測定弦的振動(dòng)頻率（周期），并在幾毫微秒內給出重復分辨率，通常分辨率能達到0.1個(gè)微應變或更好。

　　在傳統的“自動(dòng)諧振”技術(shù)中，一般使用2個(gè)獨立的線(xiàn)圈。一個(gè)線(xiàn)圈作為激勵線(xiàn)圈，激勵鋼弦以其諧振頻率振動(dòng)。另一個(gè)線(xiàn)圈作為感應線(xiàn)圈，用來(lái)感應鋼弦的振動(dòng)并反饋到主動(dòng)線(xiàn)圈。

　　兩種技術(shù)的構成不同，因而也帶來(lái)一些性能上的差異。一般而言，“撥振”－單線(xiàn)圈方式儀器和測量電路結構最簡(jiǎn)單；由于在傳感器內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(xiàn)圈，傳感器的體積可以做得很�。ǘ�雙線(xiàn)圈自動(dòng)諧振式傳感器需要更長(cháng)的鋼弦以便能容納兩個(gè)線(xiàn)圈）；此外，由于單線(xiàn)圈振弦儀器只需兩芯電纜，總體費用也更便宜。而“自動(dòng)諧振”－雙線(xiàn)圈方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)高速計數技術(shù)或把頻率轉換成電壓方式在一定范圍可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應變測量（通常動(dòng)態(tài)信號輸入頻率限制在大約 100HZ內），然而目前由于目前單線(xiàn)圈連續激振技術(shù)已經(jīng)獲得了突破，雙線(xiàn)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(lèi)型

　　不同結構形式的振弦技術(shù)可以形成不同的測量方法或傳感器類(lèi)型。

　　應變計的鋼弦固定在兩個(gè)端塊之間并且把端塊連接在要監測的元件上。應變計廣泛應用于基礎、巖土及建筑結構的應力／應變量測，應變計也可在荷載盒、壓力盒和撓度計中用作感應元件。

　　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)而導致鋼弦張力的改變。振弦式壓力傳感器廣泛應用于滲壓計、水位計、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、邊界計、測縫計等。

　　振弦也可用作力傳感器，這種類(lèi)型的傳感器常常用在液位監測及靜力水準系統中，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)應用中，振弦式力傳感器常用作特殊衡重量測。

　　振弦技術(shù)也可應用于極端惡劣的環(huán)境，例如：通過(guò)恰當地選擇材料和技術(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用。

５、振弦式傳感器的特性

　　頻率和應變分辨率：振弦式傳感器的諧振頻率主要取決鋼弦的長(cháng)度以及鋼弦的應變。在弦長(cháng)和應變一定時(shí)，鋼弦直徑及材質(zhì)對其頻率影響甚微。在讀數設備的精度一定時(shí)，頻率變化越大，傳感器的應變分辨率就越高。例如：壓力傳感器的弦長(cháng)為 150MM，膜片在全量程內位移0.05MM時(shí)，則全量程的應變?yōu)?333微應變，其頻率變化大約為55HZ。如果弦的長(cháng)度為25MM，膜片位移量和上例相同，那么全量程的應變?yōu)?000微應變并且頻率變化大約為2800HZ。對于壓力傳感器來(lái)說(shuō)，最重要問(wèn)題是線(xiàn)性度和分辨率。大部分成功的振弦式傳感器的線(xiàn)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)的傳感器的指標可以達到線(xiàn)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，應該考慮所有的誤差來(lái)源。通常誤差來(lái)源包括標準精度誤差、溫度誤差和長(cháng)期穩定性。

　　標準精度誤差通常是由非線(xiàn)性，滯后現象和不可重復性等引起的誤差的綜合。一般對振弦傳感器進(jìn)行標定是采用可示蹤的0.1%或更高的標準來(lái)確定振弦傳感器的精度和重復性。實(shí)踐證明了振弦傳感器在0.025%F.S.范圍內是可重復的。

　　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的改變）和溫度間隔誤差（在全量程范圍內由于溫度變化引起的讀數的改變）決定的。典型的弦式傳感器的溫度誤差小于0.02%F.S./°F。

　　長(cháng)期穩定性或漂移的定義是指已標定的輸出讀數相對于時(shí)間的變化情況。如果傳感器沒(méi)有很好的長(cháng)期穩定性，那么就無(wú)法精確確定其它誤差來(lái)源，除非對傳感器進(jìn)行定期標定，然而這在大多數工程中是難以做到的。因此，弦式儀器長(cháng)期穩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，即便是一些國際上知名的儀器公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其長(cháng)期穩定性也不能令人滿(mǎn)足。 　　有關(guān)方面測試了兩個(gè)有名的歐洲儀器制造商制造的振弦式滲壓計的樣本漂移數據。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.（數據未進(jìn)行溫度和氣壓修正）。盡管數據點(diǎn)的數據較少且擴散，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，可能表征了設計上的問(wèn)題。 　　同樣的測試也對比了一家著(zhù)名的美國觀(guān)測儀器公司與美國基康公司(GEOKON INC.)的同類(lèi)傳感器（每組７支）。受測儀器制造好后立即開(kāi)始監測，監測進(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。從數據可以看出，頭４個(gè)月里，第１組出現了明顯的徐變，徐變量大約為16KPa(平均)或1.4%F.S.（數據已進(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(cháng)期的測試顯示了美國基康公司生產(chǎn)的幾種壓力傳感器的長(cháng)期穩定性，超過(guò)7年的數據測試表明，所有的被測傳感器都非常穩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(cháng)期穩定性方面，至今只有為數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(cháng)期穩定性的因素

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

　　弦的應力：一般而言，弦的應力與應變應保持盡可能地低。在典型的壓力傳感器中，鋼弦的屈服應力大約是2750 MPa，弦的最大應力應進(jìn)行恰當的選擇。通常傳感器在使用后，作用在膜片上的壓力減少，從而導致了弦上的應力大大降低，這樣將減小弦的徐變趨勢。但在應變計和位移傳感器中，弦的應變常高達4000－5000微應變，弦的應力超過(guò)1000MPa，此時(shí)傳感器仍應穩定地工作。

　　鋼弦預張與固定技術(shù)：傳感器的鋼弦用預定的張力固定著(zhù)，保持初始張力不變的技術(shù)是至關(guān)重要的，因為在長(cháng)期受力狀態(tài)下，鋼弦固定端的滑動(dòng)或徐變都會(huì )引起錯誤的信息。鋼弦的固定技術(shù)被認為是生產(chǎn)高品質(zhì)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)驗證明，采用傳統的機械夾持工藝難以保持預定的張力從而無(wú)法保證所有批量生產(chǎn)的傳感器具有相同的長(cháng)期穩定性。而采用特殊的焊接設備和工藝，可使弦及固端深層焊透而又不產(chǎn)生熱應力，并且焊接不使用填充料以避免腐蝕。 　　結構設計：振弦儀器的結構設計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(cháng)度應盡可能短。然而，考慮到弦端固定及線(xiàn)圈應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，對于特定類(lèi)型的傳感器例如壓力傳感器來(lái)說(shuō)，弦長(cháng)、膜片的直徑、偏移量存在一個(gè)最優(yōu)組合。對一些特殊性能的傳感器如微壓傳感器，其工作量程可達厘米級，大氣壓力的變化對傳感器的影響是非常明顯的。為了修正氣壓的影響，傳感器應與大氣通氣以便在壓力感應膜上形成壓力平衡。 　　現代的弦式儀器常把弦線(xiàn)與殼體部件焊接成密閉共振腔。在傳感器內部有限的空間內，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)穩定的環(huán)境，共振腔內應抽成真空。這樣可以消除壓力的影響。

　　對比數據顯示了同一批產(chǎn)品中抽取的12支345KPA的傳感器樣本，在這些樣本中，有6支傳感器內部抽成真空，另 6支傳感器內部為常壓。抽真空的傳感器平均對溫度的靈敏度為-0.121KPA/℃，內部不抽成真空的傳感器平均對溫度的靈敏為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，密封的失效將導致傳感器不能正常工作。對于壓力傳感器如滲壓計應特別注意機殼與電纜引入處的密封，在傳感器機殼有電纜引入線(xiàn)的地方都用雙“Ｏ”型環(huán)將傳感器密封在機殼里。在傳感器機殼內有加工好的“Ｏ”型環(huán)槽，這就允許“Ｏ”型環(huán)自由定位并防止機殼外的差動(dòng)應力對傳感器造成影響。另外，在每個(gè)引線(xiàn)貫穿線(xiàn)圈內部空間的地方，應設內部隔極。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隔極密封的地方，傳感器仍能正常工作。

　　失效技術(shù)：一般認為工廠(chǎng)失效能有助于提高現場(chǎng)傳感器的長(cháng)期穩定性，但并非所有的失效技術(shù)都保證能獲得滿(mǎn)意的長(cháng)期穩定性。上面提及的其他生產(chǎn)商均采用了某種失效技術(shù)，然而測試數據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是以頻率變化的方式出現的，溫度起伏、潮氣侵入等引起的電纜電阻的變化對信號沒(méi)有影響，故對電纜的要求較其他傳感器低得多。但在長(cháng)電纜條件下，多種原因產(chǎn)生的電子噪音對信號有一定影響。防止這種干擾的最好方法是把每對導線(xiàn)雙絞并屏蔽起來(lái)。例如美國基康公司生產(chǎn)的電纜帶有鋁箔－聚酯薄膜絕緣帶，這種絕緣帶纏繞于導線(xiàn)周?chē)�，且電纜內設有一根裸銅排擾線(xiàn)以便把產(chǎn)生的感應電流排放到大地。此外，導線(xiàn)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，對地漏電在 5K歐姆范圍以?xún)鹊那闆r，對其他傳感器如粘貼應變片式傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴重問(wèn)題，但振弦式傳感器卻可以正常工作。

　　傳感器的實(shí)驗室長(cháng)期測試：在大多數工程應用中，傳感器通常是埋在結構體內，無(wú)法重新標定。在對結構特性和安全的可信程度作出決定時(shí)，具有很好的長(cháng)期穩定性的傳感器就顯得特別重要。連續進(jìn)行的實(shí)驗室長(cháng)期測試可以顯示出傳感器的穩定性隨時(shí)間的變化情況并為安裝在現場(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(chǎng)的標定參數應該建立在經(jīng)過(guò)連續進(jìn)行的實(shí)驗室長(cháng)期測試結果的基礎上。

８、結論