【導(dǎo)讀】四川大渡河沙坪二級水電站導(dǎo)流明渠工程。施工期臨時(shí)安全監(jiān)測工程。中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司。沙坪二級水電站施工項(xiàng)目部

　　

【正文】 生激振脈沖，當(dāng)脈沖信號發(fā)出，則吸動繼電器，通過常開觸頭，將觸發(fā)電壓加 于振弦傳感器的激振線圈上，產(chǎn)生電磁力，吸動鋼弦；當(dāng)脈沖終止時(shí)，繼電器釋放，松開鋼弦，從而產(chǎn)生自由振動并切割磁力線，在激振線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，通過繼電器常閉觸頭輸入測試儀器，測得鋼弦的振動頻率。 等幅連續(xù)激振 采用這種激振方式的振弦傳感器具有激勵(lì)和接收兩組帶磁鋼的電磁線圈，與放大電路、反饋和穩(wěn)幅電路組成等幅的振蕩器。在開啟電源時(shí)激勵(lì)鋼弦，鋼弦切割磁力線而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將其輸出放大，并反饋到激勵(lì)線圈補(bǔ)足能量，不斷循環(huán)。在穩(wěn)幅電路限制的反饋量下，達(dá)到等幅連續(xù)振蕩的激振方式，萁振動頻率即為鋼 弦的自振頻率。 兩種技術(shù)的構(gòu)成不同，帶來一些性能上的差異。一般而言， “ 撥振 ” 單線圈方式由于在傳感器內(nèi)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)線圈，傳感器的體積可以做得很小 (而自動諧振式傳感器需要更長的鋼弦以便容納兩個(gè)線圈 )；此外，由于單線圈振弦儀器只需兩芯電纜，總體費(fèi)用也更便宜。而 “ 自動諧振 ” 雙線圈方式的優(yōu)點(diǎn)是可通過高速計(jì)數(shù)技術(shù)或把頻率轉(zhuǎn)換成電壓方式在一定范圍可進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變測量 (通常動態(tài)信號輸人頻率限制在大約 1OOHz內(nèi)，這主要取決于傳感器的諧振頻率 )。自 動諧振 ” 技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是可以使用通用的頻率計(jì)和數(shù)據(jù)記錄儀即可讀取其它制造商的自動諧振傳感器的數(shù)據(jù)。 4. 振弦式傳感器的特性 非線性 由 (1)式可知，振弦式傳感器的特性曲線是非線性的，測試的量值需用查對率定曲線的辦法進(jìn)行判定，是相當(dāng)麻煩的。因此，必須進(jìn)行線性回歸，作線性化處理。在選擇第 22 頁 共 27 頁 了較佳的傳感器工作頻段時(shí)，從實(shí)測數(shù)據(jù)對比，其線性誤差可小于 2‰ ，能較為簡便地適應(yīng)自動測試分析，也能保證較高的測試精度。 靈敏度 由 (1)式可知，靈敏度與弦長 L 成反比 ,將 (1)式平方，取對數(shù)再求導(dǎo)數(shù)， 上式表示相應(yīng)于單位應(yīng)力增量引起基頻的改變量，稱為振弦的靈敏度。由上式可見，要提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長，同時(shí)在保證振弦能穩(wěn)定起振的情況下，鋼弦應(yīng)力盡可能小些。此外，采用細(xì)弦，減小抗彎剛度，也可以提高靈敏度。但振弦應(yīng)滿足柔軟無阻尼振動運(yùn)動微分方程，故鋼弦不能過短，弦長與直徑之比應(yīng)大于 200， — 般在300400 之間為宜。 溫度影響 由于傳感 器零件的金屬材料膨脹系數(shù)的不同，造成了溫度誤差。為減小這一誤差，在零件材料選擇上，除盡量考慮達(dá)到傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的熱平衡外，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)上不斷調(diào)整零件的幾何尺寸和相對固定位置，以取得最佳的溫度補(bǔ)償結(jié)果。實(shí)踐結(jié)果表明，傳感器在 10 55℃ 使用溫度范圍內(nèi)時(shí)，溫度附加誤差僅有 ／ l0℃ 。 穩(wěn)定性 振弦式傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)式的，它不受電流、電壓、絕緣等電參數(shù)的影響，因此，零點(diǎn)穩(wěn)定。這是這類傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。但若材料選擇處理不當(dāng)，由于殘余應(yīng)力、蠕變等因素，會嚴(yán)重影響傳感器的穩(wěn)定性。 為了提高振弦式傳感器的長期穩(wěn)定性，必須嚴(yán)格選擇材料、工藝處理、加工方法并進(jìn)行時(shí)效處理，才能保證其良好的穩(wěn)定性。 第 23 頁 共 27 頁 滯后性 由于振弦式傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)式的，以鋼弦為轉(zhuǎn)換元件，存在滯后的特性，因此，只能適用于靜態(tài)和不大于 1 0Hz 的準(zhǔn)動態(tài)測試。 5. 振弦傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 1)指標(biāo) (1)回差：士 0． 5％ (20 士 5℃ ) (2)重復(fù)差： 士 O． 5％ (20 士 5℃ ) (3)穩(wěn)定誤差：士 1． O％ (4)使用溫度范圍： 10～ + 55℃ (5)溫度附加誤差：士 O． 25％／ l 0℃ ( ／ 10℃ ) (6)靈敏度：士 ％ (7)能抗與奧斯特外磁場干擾 (8)能抗顛振 第 24 頁 共 27 頁 6. 材料選擇與工藝處理 振弦傳感器的材料選擇與工藝處理直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，因此，必須進(jìn)行認(rèn)真的選配和嚴(yán)格的工藝處理。 1) 材料選擇的原則 (1)在常溫下材料的線膨脹系數(shù)盡量接近或相同； (2)選用彈性模量低、彈性極限高的 材料，通過工藝處理，能保證在最大載荷下，材料彈性變形在材料變形極限的 l／ 3～ 1／ 2 以下； (3)彈性元件的抗蠕變能力好； (4)彈性元件的殘余應(yīng)力小； (5)材料成本低、性能穩(wěn)定、工藝處理簡便； (6)選用材料經(jīng)處理后，其機(jī)械性能應(yīng)盡可能接近被測材料。 2) 工藝處理要求 在彈性模量基本相同的情況下，盡量提高材料的回彈模量，以保證最大載荷時(shí)材料的彈性變形為材料彈性極限的三分之一左右。對各零件材料的抗蠕變能力及殘余應(yīng)力、加工應(yīng)力應(yīng)變等都進(jìn)行了較合理的工藝處理。同時(shí)通過各種試驗(yàn)，確定了合理的結(jié)構(gòu)，選 擇了最佳頻段，使傳感器性能穩(wěn)定，取得了良好效果。綜合技術(shù)性能比較理想，選到了技術(shù)要求和設(shè)計(jì)目的。 工藝處理要點(diǎn)： (1)材料的調(diào)質(zhì)熱處理使材料晶粒改變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，強(qiáng)度增高，尺寸穩(wěn)定，提高抗蠕變能力并消除內(nèi)應(yīng)力； (2)控制加工進(jìn)刀量，減小加工應(yīng)力； (3)加工完成的傳感器零件，進(jìn)行中溫回火處理，以消除加工應(yīng)力； (4)傳感器零件進(jìn)行冷凍處理，使材料組織內(nèi)少量殘余奧氏體幾乎全部變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體組。以提高穩(wěn)定性； (5)傳感器裝配前形變彈性體應(yīng)超載張拉； (6)傳感器總裝完成后，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)加、卸載試驗(yàn)； (7)嚴(yán) 格防水密措施、防震措施； (8)在烘箱內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間加速時(shí)效處理。 7. 振弦式傳感器的測量系統(tǒng) 第 25 頁 共 27 頁 振弦式傳感器通過激振電路激振后，輸出的頻率信號可采用各種頻率儀、數(shù)字頻率儀，進(jìn)行測頻或周期的測試。也可通過頻率電壓轉(zhuǎn)換器或接口轉(zhuǎn)換，輸送給打印機(jī)、函數(shù)記錄儀、光線示波器、微機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、記錄存儲。 傳感器選用原則 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確 定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 1)根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研 制。 在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 2)靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。 傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小 的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 第 26 頁 共 27 頁 3)頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有 — 定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。 傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低 在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等 )響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差 4)線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理 論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。 但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 5)穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn) 定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。 傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。 在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考驗(yàn)。 第 27 頁 共 27 頁 6)精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳 感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。 對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。