振弦式渗压计的工作原理及设计

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摘 要：20世纪70年代以来，大坝安全自动化监测系统得到了迅速发展，渗压监测是大坝安全监测中重要的监测项目之一，渗压计的应用和发展再次成为热点。本文阐述了振弦式渗压计的工作原理、激励与拾振、设计过程中选材等相关问题。

关键词：振弦式 激励与拾振 钢弦 膜片

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0047-02

振弦式传感器是目前在测力应用方面最为先进的传感器之一，稳定性和精度完善后将成为新一代工程仪器的潮流。振弦式仪器由于其独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等，一直受到工程界的青睐。然而直到20世纪70年代，随着现代电子读数仪技术、材料及生产工艺的发展，振弦式传感器技术才得以完善，并真正满足工程实际应用的要求。

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。此传感器输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，温漂、零漂小，受电参数影响小，性能稳定可靠，能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试，在水电水利行业有着不可比拟的优势。

1 振弦式渗压计的工作原理

振弦式渗压计由膜片（受力弹性形变外壳）、细钢弦、调节夹紧装置、激励和接收线圈等组成。钢弦自振频率与其张紧力的大小、材料、长度等有关，但振弦一经确定后，振弦的自振频率就是一个确定值，振动频率的变化量即对应受力的大小。

振弦在等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定：

式中：为初始频率；

L为钢弦的有效长度；

ρ为钢弦材料密度；

为钢弦上的初始应力。

依据上式，钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，密度ρ和初始应力就是确定值或可测量值，因此，钢弦的应力与输出频率建立了相应的关系。当外界渗压力未施加时，钢弦在初始应力下作稳幅振动，输出初频；当施加压力时，则膜片发生相应的变形，使钢弦的应力改变，这时初频也随之变化为f。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测压力值。

2 振弦激励与拾振

所谓激振，就是使传感器的钢弦振动起来。在实际应用中，振弦能否可靠起振是评定测量精度的一个关键因素。根据振弦传感器的工作原理，要检测到振弦渗压计（也就是钢弦）的固有频率信号，首先必须使振弦渗压计内部的钢弦振动，从而切割线圈的磁感线产生相应电动势信号，经几级放大处理后以频率值输出显示。实际工作中，激振模块的作用就是使钢弦振动。

早期的传感器振弦一端固定；另一端连结在弹性感压膜片上。弦的中部装有一块软铁，置于磁铁和线圈构成的激励器的磁场中。激励器在停止激励时兼作拾振器，有的另外设置拾振器。工作时，振弦在激振模块的激励下振动，其振动频率与膜片所受压力的大小有关。拾振器则通过电磁感应获取振动频率信号。

常用的激励方式有间歇式和连续式的。在间歇激励中由张弛振荡器给出一段激励脉冲，通过继电器使线圈通电、磁铁吸住弦上的软铁块。激励脉冲停止后，软铁块被松开，使振弦自由振动。此时在线圈中即产生感应电势，其交变频率就是振弦的固有振动频率。电路比较复杂、功耗大、调节范围小并且不能在线自动实现，不建议采用此方法。连续激励方式又可分为电流法和电磁法。

2.1 激振方法之：电流法

电流激励法是由激励器、检测器、机械谐振器和放大器构成的机电一体化高品质闭环谐振系统。在激振时，振弦传感器的钢弦需要通过电流，通有电流的钢弦在磁场中会受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力会使钢弦以其固有频率振动，同时因振动而产生的信号还可以经过反馈电路再次反馈到钢弦上，使钢弦能持续振动。电流法是基于正反馈原理的闭环控制系统，能实现对输入的自动跟踪，因此具有较好的动特性。

2.2 激振方法之：电磁法

电磁激励法适合于采用双线圈型的传感器。此激励法中钢弦不用通过电流，而有两个线圈，激振信号通过激振线圈使钢弦起振，拾振线圈中将产生与钢弦固有频率相等的感应电动势拾取检测，并经放大整形处理后成为可测量的信号输出，同时控制器又将其作为输入信号产生激振信号，送给激振线圈补充能量，从而继续使钢弦振动。

2.3 激振方法之：高压拨弦激励法

高压拨振激振方式是通过高频变压器产生的高压激振脉冲使钢弦振动，激发电压大于100 V，被激励的钢弦通过拾振线圈将振动转换成自由衰减振荡的正弦电压信号，经检测处理后以频率值输出。缺点是钢弦振动持续时间比较短，因此信号不易拾取，测量精度差，并且高电压会加速老化钢弦以至于传感器失效，对于堤坝渗压力的检测仪器不可采用此方法。

2.4 激振方法之：低压扫频激励法

低压扫频激振，首先要根据实际固有频率选择一合适的频率段，采用低压频率逐渐变大的扫频脉冲串信号，当激振信号的频率和钢弦的固有频率相近时，钢弦便能快速而达到共振状态，此时振幅最大，能产生较大的感应电动势，同时传感器输出的频率信号信噪比较高且便于测量。缺点是低压扫频激振采用低电压激励很大程度上保护钢弦，但是扫频信号时从频率下限到频率上限的连续脉冲信号，每个频率的脉冲都要持续若干个周期，以保证激振效果，所以激振时间太长。

综合以上常用方法和实际工作条件，采用一种反馈式的激振方法。激振信号使用单片机发出一串连续的、持续时间t1 ms方波（标准波形）进行激振。同时采用分段扫频的方法以缩短扫频时间，同时间隔时间为t2 s，以确保钢弦能自振结束。当激励信号的频率与钢弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态，可靠起振；振弦起振后，它在线圈中产生的感应电动势的频率即是振弦的固有频率。一旦渗压计激振后，通过拾振电路对信号进行采样分析，得到起振频率，然后使用该频率（接近钢弦固有频率）进行反复激振，以维持稳定的振幅，提高测量精度。

3 主要部件的设计参数选型、及加工工艺的选择

渗压计工作时埋设或安装在堤坝、管道和压力容器内，可测量空隙水压力。各项性能很优异，其主要部件采用特殊（处理）钢材制造以适用于自然条件下的恶劣环境，甚至可以直接埋设在混凝土或土石块中。

3.1 弦的材料、直径、径长比

相应于单位压力增量引起基频的改变量，称为振弦的灵敏度。而提高灵敏度最有效的办法是缩短弦长（另外可选用高弹性模量的振弦材料），所以设计选择弦长时应在保证振弦能起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。同时，采用细弦，减少抗弯刚度，也可以提高灵敏度。事实上振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故钢弦不能过短，弦长与直径之比应大于200，一般在300～400之间为宜。

由实验和资料表明，振弦的直径为0.2～0.3mm。同时钢丝椭圆度不大于直径共差的一半，表面光洁度要达到要有，外表面光亮、色泽一致并具有良好的防腐蚀性能。要求钢弦截取定长后，不能有明显的弯折等现象。

3.2 弦的固定

钢弦与膜片的连接，采用铆定连接；和固定端的连接，由开口销夹弦装置预紧，调试后焊接固定。

3.3 膜片的材料、形状

膜片作为弹性敏感元件在传感器中直接参与变换和测量，因此材料选用十分重要。在任何情况下，材料都要保证具有良好的弹性、足够的精度和稳定性。

通常使用的材料为合金结构钢、铜合金、铝合金等。铬锰弹簧钢和铬钒弹簧钢具有优良的机械性能。黄铜可用于制造受力不大的弹簧机膜片。德银由于制造抗腐蚀的弹性元件。锡磷青铜由于制造制造一般的弹性元件或抗腐蚀性能好的弹性元件。铍青铜由于制造精度高、强度好的弹性敏感元件。不锈钢由于制造强度高、耐腐蚀性好的弹性敏感元件。

因此，选择不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb作为膜片的加工材料。形状选择易于加工的圆形薄片，因为只有便于加工才能更好地保证其精度，降低成本、提高质量。

而且是在组装好以后再精车或磨削加工使达到0.2 mm以下的厚度，确保其灵敏度的同时又能使其在组装过程中不受到损坏。

3.4 线圈与磁芯

磁芯线圈的磁芯是置于空心线圈内部，并不加大线圈原有的体积。可见，要获得小体积、大电感，一般选用磁芯线圈。增加磁芯后导磁率高、电感量大大增强、电阻率极高无涡流损耗等、可以滤波抗干扰、便于加工成本低。

4 结语

本文阐述了振弦式渗压计的工作原理和常用激振方法，以及主要部件设计相关问题。通过比较综合、改进了激振方法，使得钢弦快速可靠起振以保证仪器的稳定性和精度。设计主要零部件时采用特殊处理材料，保证仪器性能的同时缩小体积，并能适用于各种自然条件。

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