振弦式称重传感器的工作原理及其特性

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。

振弦式传感器的工作原理及其特点振弦式传感器是一种常见的测量物理量的传感器，其工作原理是基于共振频率的变化。

该传感器通常由一根细长的弹性杆状物体（振弦）组成。

当受到外界物理量的作用时，振弦将发生弯曲、扭转等形变，从而改变其固有的共振频率。

通过测量共振频率的变化，我们可以得到外界物理量的相关信息。

振弦式传感器的工作原理可以通过简单的梁（杆）弯曲模型来解释。

当振弦受到外力作用时，它将在弯曲方向上振动。

振动的频率取决于振弦的弹性特性和几何尺寸。

在无外力作用时，振弦具有固有的基频。

当外力作用于振弦时，它将改变振弦的弹性特性和几何尺寸，从而改变其频率特性。

因此，通过测量频率的变化，我们可以获得外力的信息。

1.高灵敏度：振弦式传感器可以实现很高的灵敏度。

由于振弦对外力变化的响应非常敏感，因此可以检测到微小的力、压力、液位等变化。

这使得振弦式传感器在许多应用中非常有用，特别是需要高精度测量的场合。

2.宽测量范围：振弦式传感器适用于广泛的测量范围。

它可以测量从微小的力到大型结构的压力、应变等物理量。

通过选择合适的振弦材料和尺寸，可以实现不同范围的测量要求。

3.快速响应：由于振弦式传感器对外界物理量的变化非常敏感，因此其响应速度非常快。

这使得它在需要高频率反馈的快速响应系统中非常有用，例如振动测量和动态力学测量。

4.高精度：振弦式传感器具有高精确度。

通过精确计算和控制振弦的几何尺寸和材料特性，可以获得非常准确的测量结果。

此外，振弦式传感器的测量结果受到环境温度、湿度等因素的影响较小，因此可以在各种环境条件下获得可靠的测量数据。

5.强韧耐用：振弦式传感器通常采用高强度、耐腐蚀的材料制成，可以在恶劣的工作环境中使用。

其结构简单，无易损件，因此具有较长的使用寿命和良好的可靠性。

6.易于集成和安装：振弦式传感器可以灵活地设计和制造，便于集成到各种系统和设备中。

它们通常采用小型、轻量级的结构，易于安装和操纵。

此外，振弦式传感器可以通过合适的信号放大和处理电路，与其他设备进行接口连接，实现自动化控制和远程监测。

钢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。

钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号，便于远距离传输，可以直接与微机接口，广泛应用于岩土工程测试中。

钢弦式传感器的一般工作原理是：钢弦放置在磁场中，用一定方式对钢弦加以激振后，钢弦将会发生共振，共振的弦线在磁场中作切割磁力线运动，因此，可在拾振线圈中感应出电势u，感应电势的频率就是振弦的共振频率。

由力学原理可知，钢弦的共振频率与弦线所承受的张力或拉力与传感器所承受的压力或位移成线性关系，因此测得刚弦的共振频率即可求出待测物理量(压力或位移)。

这类传感器有两种形式：一种是双线圈，一只是激振线圈，激振振弦让弦振动起来，另一只是拾振线圈，它是能把振弦的机械振动转换为同频率的感应电动势的装置；另一种是单线圈，这种传感器激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振分时进行，先激振，后拾振。

单线圈振弦式传感器使用中主要解决两个问题：第一，激振方法，即用什么方法使振弦振起来；第二，拾振方法，包括拾振线圈中的微弱电动势的拾取得到电动势的频率和频率量测量两部分；如果要使单线圈振弦式传感器被激励(振动)起来，测量电路需要间断地馈送电流给传感器的激振线圈。

在土木工程现场测试中，常利用钢弦式应变计或压力盒作为量测元件，其基本原理是由钢弦内应力的变化转变为钢弦振动频率的变化。

根据《数学物理方程》中有关弦的振动的微分万程可推导出钢弦应力与振功频率的如下关系：式中：f——钢弦振动频率；L——钢弦长度；ρ——钢弦的密度；σ——钢弦所受的张拉应力。

1/2 f=以压力盒为例，当压力盒已做成后，L、ρ巳为定值，所以，钢弦频率只取决于钢弦上的张拉应力，而钢弦上产生的张拉应力又取决于外来压力P．从而使钢弦频率与薄膜所受压力P的关系是：f^2-（f0）^2=KP式中： f——压力盒受压后钢弦的频率；f0——压力盒未受压时钢弦的频率；P——压力盒底部薄膜所受的压力；K——标定系数，与压力和构造等有关，各压力盒各不相同。

浅谈电子称重系统中称重传感器应用原理在电子称重系统中称重传感器的作用是把作用在它上面的被测力最准确地转换成响应的电气量。

称重传感器可用不同的物理原理做。

压磁，振弦和应变三种原理的传感器在电子称重系统中获得了应用。

许多原子由于它们特有的电子结构而具有像针那样有南北极的磁矩。

当固体受到机械应力时，通常导致一定的变形能量储存在物体中。

然而材料也会产生其他效应，而形成电场。

元件受压时改变了磁畴的磁矩，其结果是沿着机械力作用的方向改变磁畴特性。

这称为磁弹性效应，是传感器的基础。

当施加垂直力时，由于磁弹效应将产生磁各向异性现象，磁长随时间的变化将在线圈中感应出电压，因此，感应电压取决于次但特性，因为也就取决于所加的力。

１．振弦式传感器目前振弦式传感器主要用语实验室的电子称和其他小称。

在工业上曾用于台秤和皮带称。

用质量对两根阵线预加负荷，当未知负荷通过角度的弦线施加负荷连接点时，左弦将受到增强的弦力作用，从而增大了该弦的固有频率。

左右弦的频率之差正在与所施加的负荷，传感器的输出与将频率差变成脉冲计数对该脉冲串采样，即可直接读出重量值。

绝大多数电子称重选用电阻应变式称重传感器。

应变计基本上是一个电阻，它由平行导线或金属箱作成一定的形状，并嵌入电环氧树脂材料作成的绝缘基底中。

电阻变化正比于在弹性提上所施加的力，并被精确地测量出来。

热耗散是限制应变计允许通过电流的因素。

其结果也就限制了称重传感器的不平衡电压输出。

在传感器弹性体中进行有效的热耗散以获得稳定的测量结果是很必要的。

在电阻应变式称重传感器中，弹性提可以采用不同的形状。

如圆环、柱式或弯曲梁筹。

2.电阻应变式称重传感器误差来源分析电阻体积改变式称重传感器如同所有其他物理元件一样受到各种误差源的影响。

零点平衡和灵敏度是误差的两个主要来源。

其他的误差为：非线形，滞后，蠕度和不重复性。

在相同的外界条件下，重复测量同一负荷下称重传感器输出的最大差值。

不重复度在任何传感器测量系统中都是一个即简单而又十分重要的因素。