振弦式传感器 (2)

振弦式传感器（String Vibration Sensor）是一种常见的机械振动测量装置，广泛应用于工程领域的振动监测和控制中。

本文将介绍振弦式传感器的工作原理及其特点。

一、工作原理振弦式传感器的工作原理基于维纳-弗洛伊德方程（Wien-Floquet-Equation），即将传感器的振弦进行理论分析，其中振弦是一个由弹性材料制成的细长线性结构。

当振弦受到外部机械振动作用时，会引起它的振动，传感器通过测量振动的频率、振幅和相位等参数，来确定外部振动的强度和频率。

振弦式传感器通常由振弦、固定支承和传感器电子模块组成。

振弦的两端固定在支承上，当受到外部振动力作用时，振弦会发生弯曲振动或拉伸振动。

传感器电子模块通过电极对振弦进行振动信号的采集和分析，将振动信号转化为电信号输出，完成对振动信号的测量。

二、特点1.高精度测量：振弦式传感器采用先进的振动信号处理技术，能够实现高精度的振动测量。

传感器对振动信号的测量范围广，能够捕捉到微小的振动变化。

2.宽频率响应：振弦式传感器具有较宽的频率响应范围，可以测量多种类型振动的频率。

传感器能够满足不同应用场景下的频率要求，适用于多种机械设备的振动监测。

3.快速响应：振弦式传感器响应速度快，可以准确捕捉瞬态振动信号。

传感器具有良好的动态特性，适用于对快速振动变化的监测和控制。

4.稳定可靠：振弦式传感器采用高品质的材料和先进的制造工艺，具有良好的稳定性和可靠性。

传感器在长时间工作中能够保持较高的测量精度，具有较长的使用寿命。

5.易于安装和维护：振弦式传感器安装简便，可以灵活布置在需要监测的位置。

传感器的维护成本低，不需要频繁的校准和调整。

6.多种输出方式：振弦式传感器可以通过模拟信号输出或数字信号输出，方便与其他设备进行数据交互和处理。

传感器具有多种接口选项，适配不同的控制系统和数据采集设备。

7.广泛应用：振弦式传感器广泛应用于机械设备振动监测、故障诊断和预警等领域。

基于振弦式传感器测频系统的设计白泽生(延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000)利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。

因此，可获得非常理想的测量效果。

1 振弦式传感器的工作原理振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。

振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。

振弦的振动频率可由以下公式确定：其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。

当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。

2 测频系统的设计2.1 基本原理振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。

通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。

当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。

单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。

测频原理框图如图2所示。

2.2 系统硬件电路设计根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。

主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。

工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。

2.2.1 激振电路激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。

60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力（应力）计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。

它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。

2.工作原理振弦式传感器由受力弹性形变外壳（或膜片）、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。

钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。

现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。

如图丨所示，工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。

接收贱圈输止團］掘弦旬割S器工作原理團（连鮭超D振弦这种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疋;L --- 钢弦的有效长度i p 一-钢弦材料密度；（T 0——钢弦上的初始应力。

由于钢弦的质量m长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。

当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频 f 0 ;当施加外力（即被测力——应力或压力）时，则形变壳体（或膜片）发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初频也随之增加或减少。

因此，只要测得振弦频率值f,即可得到相应被测的受力壳体钢弦式中，f 0初始频率;力——应力或压力值等。

3.振弦的激振方式振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。

振弦激振的方式分为间歇触发激振和等幅连续激振。

振弦式传感器的优势振弦式传感器是测量物体振动的一种传感器，它可以通过检测物体的振动频率和振幅来获得物体的运动状态和变形情况。

与其他传感器相比，振弦式传感器具有以下优势。

灵敏度高振弦式传感器采用了振动式原理，其灵敏度比力学式传感器、光学传感器和电子式传感器等传感器高出许多。

在测量细小的振动时，振弦式传感器比其他传感器更加精确。

同时，由于其不受外部电磁干扰的影响，其测量精度也更高。

频率范围广振弦式传感器可以覆盖较大的频率范围，从几千赫兹到几十千赫兹的频率均可测量。

对于一些高速、高频的振动测量，振弦式传感器的应用效果更加明显。

由于其工作原理简单，因此可以在低频、小频率下进行测量，具有一定的多功能性。

线性度高振弦式传感器的输出信号与振动的振幅、频率成直线关系，即具有线性特性，更容易进行信号处理。

通过信号处理技术，可以更好的处理数据，提高数据的平滑性和准确性。

尺寸小振弦式传感器的结构简单、尺寸小、重量轻。

在实际应用中，振弦式传感器可以轻松地集成到物体上，不必担心传感器本身对物体的影响。

在小空间和夹角处，振弦式传感器也显得格外适合。

维护成本低振弦式传感器的结构简单，工作原理可靠，运动部件少，因此其使用寿命比其他传感器更长。

同时，其维护成本也低。

振弦式传感器的输出信号稳定而精确，无需额外的校准和修理，减少了维护的需求，降低了使用成本。

应用广泛振弦式传感器的应用范围非常广泛，可以用于机械、工程、建筑、能源、生物、医学等多个领域。

因为其可靠性高、精度高、线性好，振弦式传感器被广泛应用于振动磨损、结构健康监测、风力发电机、空气动力学、空气污染等领域。

并且由于其灵敏度高、尺寸小，可以在极为恶劣的环境下进行长期稳定的运转。

总的来说，振弦式传感器由于其高灵敏度、广泛的频率范围、高线性度、小尺寸、低维修使用成本，以及广泛的应用领域等优点，成为了众多领域中优秀的传感器之一，发挥了巨大的作用。

从现有的技术进展来看，振弦式传感器的应用领域仍将会进一步扩展。

振弦式传感器在边坡自动化监测中的应用摘要：随着边坡自动化监测的逐步发展，越来越多的传感器被使用在边坡自动化监测中。

振弦式传感器由于其具有结构简单稳定、测量精度高，抗干扰性良好的特点，已经被广泛的使用在很多土木工程中。

本文简单介绍了振弦式传感器的原理和应用，并简单描述了一个基于振弦式传感器的边坡自动化监测系统。

关键词振弦式传感器；物联网；公路边坡；自动化监测中图分类号：TP212.9，TP2710引言随着我国交通行业基础设施建设事业的蓬勃发展，公路边坡也越来越多，由于公路边坡常常位于较为偏僻的荒野中，恶劣的自然环境严重影响着传感器的寿命和测量精度，而且设备维护也不方便，对自动化监测工作是个严峻的考验。

振弦式传感器具有较高的灵敏度、良好的抗干扰性和较为简单的结构，已经被广泛的应用在了各行各业中，如桥梁结构健康监测[1]，大坝安全监测[2]等钢构建筑的监测，深基坑监测[3]等；其中文献[1]以MSP430F449单片机为核心，设计了适用于振弦式传感器的信号调理电路和温度补偿电路，实现了桥梁工程中地参数自动化实时监测；文献[2]在实际的大坝监测工作中，使用了振弦式的渗压计、测缝计等传感器，通过实际工程监测结果，说明了振弦式传感器可以满足大多数工程的需要；文献[3]在振弦式传感器的基础上，结合了物联网技术，设计出一种可以对深基坑安全状况进行实时监测评估的智能化监测系统。

也有学者研究了基于振弦式传感器的边坡自动化监测系统[4-5]，文献[4]以振弦式传感器为基础，设计了由数据采集、服务端处理、Web展示三个模块组成的公路边坡安全监测系统；文献[5]同样以振弦式传感器为基础，设计了边坡自动化监测系统，特点是做了数据修正，并且针对敏感数据进行预警处理。

为了保证振弦式传感器的测量精度，文献[6-7]都采用了硬件设计和软件程序处理相结合的方法来解决了振弦式传感器现场测量中遇到的干扰问题；由于温度的变化对振弦式传感器的测量结果有较为明显的影响，文献[8]为了得到合理的振弦式应变传感器的温度修正算法，在某大桥高强度混凝土收缩徐变的试验研究中，分别做了自由状态下的和埋入圆柱体混凝土与钢管混凝土三种状态的实验，根据实验结果拟合了不同条件下振弦式应变传感器的温度补偿公式，得到了更好的温度补偿效果。

什么是振弦式传感器？振弦式传感器是一种常见的物理量测量设备，它基于物体的振动特性来测量物理量，比如压力、重量、力等。

振弦式传感器是一种非常精确和高精度的传感器，其测量的准确性很高，常用于实验室和科研领域中。

工作原理振弦式传感器主要由振弦和线性电容数组组成。

振弦是一种能够发生固有频率振动的弹性元件，它的振动特性与物体的质量和弹性系数有关。

当振弦受到外力作用时，其产生的振动会引起线性电容数组的电容值改变，通过测量电容差值即可计算出物体所受的力或压力大小。

优点和缺点振弦式传感器具有以下优点：1.高精度：振弦式传感器测量的准确性非常高，可以达到微克级别。

2.宽频响：振弦式传感器的工作频率范围很宽，可以满足不同要求的测量需求。

3.可扩展：振弦式传感器可以与其他传感器组合使用，实现多种物理量的测量。

4.稳定性好：振弦式传感器具有较好的稳定性和可靠性。

但是，振弦式传感器也具有以下缺点：1.价格较高：振弦式传感器的制造和校准成本较高，导致价格较高。

2.独立性差：振弦式传感器在外力作用时容易受到干扰，对测量结果产生影响。

3.大量原材料：振弦式传感器需要大量的原材料，制造过程对环境产生一定的影响。

因此，使用振弦式传感器需要仔细评估利弊，根据实际需求选择合适的传感器。

应用场景振弦式传感器被广泛应用于以下领域：1.实验研究：振弦式传感器在实验室中被用来测量微小物理量，如分子质量、微重量、弹性恢复力等。

2.工业制造：振弦式传感器可用于测量机器设备的振动、电机的角动量、压力等物理量，从而保证设备的正常运行。

3.建筑结构监测：振弦式传感器可以用于监测构建结构的振动频率、应变、压力等物理量，以诊断和修复建筑结构的损伤。

4.医学领域：振弦式传感器可用于测量人体的重量、血压、心率等生理参数，从而帮助医生诊断疾病。

总结振弦式传感器是一种高精度和稳定性好的传感器，被广泛应用于实验室、工业制造、建筑监测和医学领域等。

虽然其价格较高、独立性差、对环境影响较大，但是在一些精密度高、准确度要求高的领域中仍是首选传感器。

振弦式压力传感器原理振弦式压力传感器原理振弦式压力传感器是一种常用的压力测量设备，其原理基于振弦在受力时的共振频率变化。

以下将从浅入深地解释振弦式压力传感器的原理及其工作过程。

原理概述振弦式压力传感器的原理基于以下几个关键点：1.振弦：振弦是指由材料制成的细长弹性体，具有一定的弹性和质量。

2.共振频率：振弦在特定长度和拉力下的自然振动频率，与振弦的长度、材料和张力有关。

3.压力引起的张力变化：施加在振弦上的压力会导致张力的变化，进而改变振弦的共振频率。

工作原理振弦式压力传感器的工作过程可以简述为以下几个步骤：1.安装：将振弦式压力传感器安装在待测对象上，使其与压力源接触。

2.张力变化：当压力引起的张力变化作用在振弦上时，振弦的共振频率会发生改变。

3.传感器检测：传感器通过测量振弦的共振频率变化来间接检测压力的大小。

4.传输信号：传感器将测得的数据转化为电信号，并传输给外部设备进行进一步的处理和分析。

振弦式压力传感器的关键设计因素1.振弦材料：振弦的材料决定了其弹性和共振频率的范围。

常见的振弦材料包括金属、合金和聚合物等。

2.振弦长度：振弦长度与共振频率呈反比关系，较短的振弦共振频率较高，较长的振弦共振频率较低。

3.张力控制：振弦的张力会影响到振弦的共振频率，因此需要对张力进行精确控制，以确保传感器的准确性和稳定性。

4.灵敏度调节：通过调节振弦的长度、张力和材料等参数，可以调节传感器的灵敏度，以满足不同应用需求。

优势和应用领域振弦式压力传感器具有以下优势：•高精度: 通过监测共振频率变化，能够实现较高的精确度和稳定性。

•高可靠性：振弦式压力传感器结构简单，没有移动部件，因此具有较长的使用寿命和较高的可靠性。

•宽测量范围：通过调节振弦的参数，可以满足不同压力范围的测量需求。

振弦式压力传感器广泛应用于以下领域：•工业控制和自动化•制造业和工艺监测•石油和化工行业•医疗设备和生物医学研究等。

结论振弦式压力传感器利用振弦在压力引起的张力变化下的自然共振频率变化，间接测量压力大小。

振弦式传感器计算公式振弦式传感器是一种常用的物理量测量装置，广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域。

它通过测量弦线的振动频率来实现对待测物理量的测量。

在实际应用中，我们需要根据传感器的参数和测量对象的特性，计算出相应的测量公式。

振弦式传感器的测量原理基于弦线的振动特性。

当一根弦线被激发后，会产生固有频率，即其自身固有的振动频率。

而这个固有频率受到弦线的长度、材质、张力等因素的影响。

因此，我们可以通过测量弦线的固有频率来推算出其他待测物理量的值。

我们需要了解振弦式传感器的特性参数。

主要包括弦线的长度L、杨氏模量E、弦线的质量线密度μ以及张力T。

这些参数都会对弦线的固有频率产生影响。

接下来，我们将介绍振弦式传感器的计算公式。

1. 弦线的固有频率f:弦线的固有频率与其长度L、杨氏模量E、质量线密度μ以及张力T有关。

可以通过以下公式进行计算：f = (1 / 2L) * √(T / μ) * (1 / √(1 + (E * A) / (T * L^2)))其中，A为弦线的横截面积。

2. 杨氏模量E的计算：杨氏模量E可以通过振动频率f、弦线的长度L、质量线密度μ以及张力T来计算：E = (4L^2 * μ * f^2) / (π^2 * A)3. 弦线的质量线密度μ计算：弦线的质量线密度μ可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及张力T来计算：μ = (π^2 * A * f^2) / (4L^2 * E)4. 弦线的张力T计算：弦线的张力T可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及质量线密度μ来计算：T = (π^2 * A * f^2 * L^2) /(μ * E)根据上述公式，我们可以根据已知的参数和测量的振动频率，计算出其他待测物理量的值。

需要注意的是，为了保证计算的准确性，我们需要提前对传感器和待测物理量进行校准，确保参数值的准确性。

总结：振弦式传感器是一种基于弦线振动特性的测量装置，通过测量弦线的固有频率来实现对待测物理量的测量。