振弦传感技术的新进展及新型锚索测力计

第 20卷 增刊 岩石力学与工程学报 20(增) 1769 1771 2001年 10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct. 2001 2001年 6月 10日收到初稿 2001年 7月 27日收到修改稿 作者 邓铁六 简介 男 1935年生 1958年武汉大学物理系基本粒子研究生班毕业 现为山东科技大学教授 主要从事振弦式传感器 智能仪器和 监测系统方面的研究工作 振弦传感技术的新进展及新型锚索测力计 邓铁六 1 王清标 1 胡建明 1 栾兆群 1 白泰礼 2 何 羚 2 (1山东科技大学洛赛尔传感技术有限公司 泰安 271019) (2电子科技大学自动化系 成都 610000) 摘要 扼要介绍在振弦传感技术方面的研究成果及其在大量程锚索测力计中的应用 研究成果包括 高增益弱 激发电路 新数学模型 高精度智能检测仪及间接测量式振弦锚索测力传感器 新型锚索测力计具有准确度高 重复性好 温度影响系数小 寿命长 长期稳定性好等优点 适用于混凝土预应力工程锚索测力及岩土工程加 固锚索的张拉力监测 关键词 振弦传感器 激发电路 数学模型 锚索测力计 分类号 TH 82 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2001)增-1769-03 1 前 言 从 20世纪 30年代发明振弦传感技术以来 由 于振弦传感器结构坚固 准确度较高 长期稳定性 好 寿命长 输出为频率信号可接长电缆 可直接 与微机接口等特点 而被广泛应用于岩土工程 从 1978 年起 作者为煤矿研制了本质安全型系列 振弦式矿压仪 矿压遥测仪以及支柱 支架监测系 统 发展完善了振弦传感技术 2000 年将这些技 术成果应用于研制大量程锚索测力计 取得了成 功 有良好的应用前景[1 2] 2 自激振弦式传感器的结构和工作原理 自激振弦式传感器(SEVWS)的结构分两类 (1) 横式弦 (2) 竖式弦 如图 1所示 自激振弦式传感器的工作原理如图 2所示 钢弦的微小振动在感应磁头线圈里感生电动 势 输出电压经激发电路放大后形成脉冲 回输给 激发磁头线圈 产生脉冲力作用于钢弦 若接线 正确为正反馈且反馈系数大于 1 则钢弦的振动不 断加强 直至输出电压被电源限幅为止 这时 激 发电路将输出与弦振动同频率的电信号(一般为矩 形波) 实验标定输出频率 f 与所受外力 F的对应 关系 应用时测得频率 f 可反推力 F的值 图 1 自激振弦传感器的结构形式 Fig.1 Structure diagram of SEVWS 图 2 自激激发原理示意图 Fig.2 Diagram of operating principle of SEVWS 3 振弦传感技术的新进展 3.1 高增益弱激发电路 万方数据 • 1770 • 岩石力学与工程学报 2001 年 实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 各种不同的激发电路对同一传感 器 激发弦振动的频率并不相同 频率越高者 其 稳定性越差(即随机波动幅度愈大) 分辩率越低 研究表明 这是由于激发偏强所致 不但激发了基 频振动 而且产生了一定成分的多倍频 由于多倍 频的成分彼此不同 导致激发频率不同 由于二倍 频 三倍频等与基频的相位不固定 导致合成频率 比基频高而且不稳定 因此若在高增益激发放大电 路后加限幅限流电路 调节激发电流到足够小 只 产生基频振动 则频率 f可由下式决定 r s L f 2 1 = (1) 式中 L为弦长 r为弦密度 s 为弦的拉应力 由式(1)可见 f 仅由弦参数决定 与激发电路 参数和电缆长短无关 而且在s 不变时应是很稳定 的 实验表明 按此原理设计的 10 只激发电路 激发同一传感器 频差 0.2 Hz 传感器接 100 m 屏蔽电缆或 1 m电缆 频差 0.2 Hz 而且频率的 随机波动在 0.05 Hz 以下 相当稳定 弱激发电路 解决了激发频率不一致和不够稳定的问题 使二次 仪表有良好互换性 测量分辨率可达 0.01% FS 3.2 振弦传感器新数学模型 标定了传感器的 f (频率)-F (力)关系 并未完 全解决应用问题 实测中由 f 推算 F 查表法不方 便 特别是对 F=0 时的初频 f 由于温度变化发生 漂移后 如何查表? 因而需要建立数学模型 国际 上公认的数学模型为 )( 202 ffKF -= (2) 式中 K 为传感器常数 f0为初频 f 为力 F 对应 的频率 但是式(2)对大多数振弦传感器的拟合误 差大于 1% FS 实际上难以使用 为解决此问题 作者提出修正的数学模型 )()( 0202 ffBffAF -+-= (3) 式中 A B 为传感器常数 由标定数据最小二乘 法确定 式(3)对大多数传感器拟合误差小于 0.5 % FS 好的可达到 0.1 % FS 甚至更小 对于经热老化已 达到稳定的传感器 在一般的气温变化范围内 初 频漂移后 将现场初频作为 f0 用式(3)计算仍然准 确 而且对于斗式称重去皮十分简便 因此应用数 学模型式(3) 智能检测仪可准确地直接显示力值 或称重 发生零点漂移后 可十分简单地按键调零 斗式称重时 也可按键去皮 使用十分简便 利用 式(3)还可进行微机校正 进一步提高仪器的准确 度 使大量程振弦式仪器的准确度达到国际最高水 平 0.1 % FS 3.3 带单片机的高精度智能检测仪 GSJ-3 此种仪器以单片微机为核心 其中安装有高增 益弱激发电路和快速高精度测频电路 将常数 A B f0 输入电路 单片机按式(3)计算显示力值 也 可选择测频(显示频率) 用于传感器的标定 及仪 器调零 对力的测量数据还可按键存贮 通过接口 传送给上位微机 功能比较齐全 可根据需要选定 主要技术指标如下 测频准确度 0.1 Hz 测频分辨力 0.1 0.01 Hz 测力准确度 与传感器准确度相同 检测仪与传感器的连接电缆长度为双绞电缆 1 000 m 屏蔽电缆 100 m 对频率影响 0.2 Hz 仪器的重量为 2 kg左右 4 新型锚索测力计 岩土工程中 预应力桥梁 钢缆斜拉桥 水电 站大坝 边坡加固等处均需对锚索拉力进行监测 其量程为 1 000 10 000 kN 准确度要求 1 % FS 甚至 0.5 % FS 并要求性能稳定 寿命长 国内 无合格产品 进口亦为振弦式但由多个应变计组 成 不太理想 应柳州建筑机械总厂和柳州欧维姆 建筑机械有限责任公司要求 研制了力变换式锚索 测力计 这种测力传感器由油缸和竖弦压力传感器 组成 二次仪表为单片机智能检测仪 见图 3 1 油缸 2 振弦液压传感器 3 GSJ-3检测仪 图 3 锚索测力计 Fig.3 Force sensor for pulling force measurement of anchor cable 检测仪配有微机校正 大数码 LED 显示 并 带有微机接口 可将数据输入上位机处理 设计这种锚索测力传感器的核心思想是 以间 接测量代替直接测量 用油缸实现力-压力转换 然后用高性能竖弦式压力传感器进行检测 用式(3) 万方数据 第 20卷 增刊 邓铁六等. 振弦传感技术的新进展及新型锚索测力计 • 1771 • 作数学模型并加微机校正 传感器还进行了温度 补偿 有一套成熟的老化工艺 使锚索测力计达到 以下性能指标 量程 1 000 10 000 kN 进程准确度 0.5 % FS 重复性 0.2 % FS 滞后 1.5 % FS 综合误差 1 % FS 温度影响系数 0.025 % FS 寿命 5 10 a 2001 年 6 月 经中国计量科学院测试 传感 器达到以下指标 MGH-2500型 20# 传感器 量程为 300 2 500 kN 重复性为 0.06% FS 准确度为 0.16% FS 滞后为 0.9 % FS MGH-4000型 35# 传感器 量程为 500 4 000 kN 重复性为 0.04 % FS 准确度为 0.075 % FS 滞后为 0.5 % FS 5 结 论 实测数据表明 新型锚索测力计的实际性能高 于对外报道的基本指标 新型锚索测力传感器已获 实用新型专利 正在申报发明专利 相信这一新型 锚索测力计必将能解决一些重要工程的大量程测力 问题 有利于被测对象的安全运行并可获得重要数 据 促进岩土工程技术进步 显然这一整套振弦传感技术还可推广应用于其 他参数的监测 例如混凝土的应力 应变 钢筋拉 力等 参 考 文 献 1 田和金 李 王爱华等. 岩石动力学实验及其在油田开发中的 应用[J]. 岩石力学与工程学报 2000 19(增) 889 894 2 顾金才 沈 俊 陈安敏等. 锚索预应力在岩体内引起的应变状 态模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报 2000 19(增) 917 921 NEW DEVELOPMENTS OF SELF-EXCITATION VIBRATING-WIRE SENSOR TECHNOLOGY AND NEW TYPE FORCE SENSOR FOR PULLING FORCE MEASUREMENT OF ANCHOR CABLE Deng Tieliu1 Wang Qingbiao1 Hu Jianming1 Luan Zhaoqun1 Bai Taili2 He Lin2 (1 Loadcell Sensor Technology Co. Ltd. Shandong University of Science and Technology Taian 271019 China) (2 Automatic Department University of Electronic Science and Technology Chengdu 610000 China) Abstract The new developments of self-excitation vibrating-wire sensor technology and their applications into the force sensor for pulling force measurement of anchor cable are described. The new developments include new mathematical model and weak excitation for the vibrating wire sensors. The new type force sensor can be used to measure the pulling force of anchor cable with advantages of high accuracy and long-term stability. Key words vibrating-wire sensor self-excitation circuit mathematical model force sensor for pulling force measurement of anchor cable 万方数据