振弦式传感器解析PPT课件

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。

振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器：（vibratingwiresensor）它是一种谐振传感器，以拉紧的金属钢弦为敏感元件。

当弦的长度确定时，其固有振动频率的变化可以表示钢弦的拉力。

根据这一特性原理，可以通过一定的物理（机械）结构制作传感器（如应变传感器、压力传感器、位移传感器等)，从而实现被测物理量与频率值的一一对应关系，通过测量频率值的变化量来计算被测物理量的变化量。

振弦传感器
振弦传感器读数模块：指根据振弦传感器特性设计的传感器激励模块、读数模块。

集成度高、功能模块化、数字界面的一系列特性可以完成振弦传感器的激励、信号检测、数据处理、质量评价等特殊针对性功能转换传感器频率和温度物理量模数，然后通过数字界面实现数据交互。

振弦传感器读数模块是振弦传感器和数字化、信息化之间的核心转换单元。

振弦传感器采集模块
基于不同测量原理的传感器在测量过程中使用的线数也不同。

这是我们经常看到的2线系统、3线制、4线制、5线制。

电流传感器:常见的有2线、3线、4线系统。

线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。

电压传感器：更常见的是3、4线系统。

线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。

振弦传感器：2线制（仅测量频率），3线制（频率）+温度）。

RS485传感器：4线制。

差阻传感器：可使用3线、4线5线测量，线越多，理论精度越高。

电位器传感器：2、3线制。

NTC热敏电阻/电阻传感器：2线制。

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。

振弦式传感器的工作原理及其特点1. 概述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。

由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。

与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性：(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。

在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。

(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。

为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。

在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。

国内从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l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。

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。