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

　　

【正文】 生激振脈沖，當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)出，則吸動(dòng)繼電器，通過(guò)常開(kāi)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(dòng)鋼弦；當(dāng)脈沖終止時(shí)，繼電器釋放，松開(kāi)鋼弦，從而產(chǎn)生自由振動(dòng)并切割磁力線，在激振線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)繼電器常閉觸頭輸入測(cè)試儀器，測(cè)得鋼弦的振動(dòng)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(kāi)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(shì)，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(dòng)頻率即為鋼 弦的自振頻率。 兩種技術(shù)的構(gòu)成不同，帶來(lái)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(dòng)諧振式傳感器需要更長(zhǎng)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(dòng)諧振 ” 雙線圈方式的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)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(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量 (通常動(dòng)態(tài)信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(cè)試的量值需用查對(duì)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(yè) 共 27 頁(yè) 了較佳的傳感器工作頻段時(shí)，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其線性誤差可小于 2‰ ，能較為簡(jiǎn)便地適應(yīng)自動(dòng)測(cè)試分析，也能保證較高的測(cè)試精度。 靈敏度 由 (1)式可知，靈敏度與弦長(zhǎng) L 成反比 ,將 (1)式平方，取對(duì)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(chēng)為振弦的靈敏度。由上式可見(jiàn)，要提高靈敏度最有效的辦法是縮短弦長(zhǎng)，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(mǎn)足柔軟無(wú)阻尼振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程，故鋼弦不能過(guò)短，弦長(zhǎng)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(duì)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(lèi)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(huì)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(zhǎng)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(yè) 共 27 頁(yè) 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(dòng)態(tài)測(cè)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(chǎng)干擾 (8)能抗顛振 第 24 頁(yè) 共 27 頁(yè) 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(guò)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(guò)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(zhǎng)時(shí)間加速時(shí)效處理。 7. 振弦式傳感器的測(cè)量系統(tǒng) 第 25 頁(yè) 共 27 頁(yè) 振弦式傳感器通過(guò)激振電路激振后，輸出的頻率信號(hào)可采用各種頻率儀、數(shù)字頻率儀，進(jìn)行測(cè)頻或周期的測(cè)試。也可通過(guò)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(chǔ)。 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(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確 定了。測(cè)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(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型 要進(jìn)行 — 個(gè)具體的測(cè)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(cè)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(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)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(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)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(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)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?gòu)耐饨缫氲膹S擾信號(hào)。 傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)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(cè)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(yè) 共 27 頁(yè) 3)頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)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(cè)的信號(hào)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(cè)信號(hào)的頻率較低 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)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(guò)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(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。 但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)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(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(chēng)為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。 第 27 頁(yè) 共 27 頁(yè) 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(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。 如果測(cè)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(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。 對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)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(mǎn)足使用要求。