一種實時溫度補償的振弦傳感器的制作方法

本發明屬于結構測量領域，具體涉及一種建筑領域大型結構物的位移或變形測量用振弦傳感器。

背景技術：

在大型結構物的日常養護中，對其關鍵部件的變形或位移測量十分重要，上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況，因此對這些構件的受力狀況監測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。

振弦式傳感器是目前在測力應用方面最為先進的傳感器之一，其敏感元件是一根金屬絲弦，它與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關系式測得各種物理量，這種傳感器輸出的是頻率信號，因此其抗干擾能力強，溫漂、零漂小，受電參數影響小，性能穩定可靠，能適應惡劣條件下長期觀測和遠距離測試，所以被廣泛地用于水庫大壩、港口工程、橋梁、基坑等工程的應力應變、變形、滲流、液位等的監測中。

通常振弦傳感器通過腔體受力產生型變，改變鋼弦的受力狀態，從改變鋼弦的固有頻率，然后通過外力使鋼弦振蕩，測試這個振動頻率，來得到受力、形變、位移的大小。由于振弦的頻率與弦長相關，而弦長容易受到外界環境的影響，

2012年《數字技術及應用》公開的“基于PSO-LSSVM的振弦傳感器溫度補償”中提出了一種基于溫度傳感器的溫度補償方案，即在振弦傳感器上設置一個溫度探頭，采用測試環境溫度，通過算法計算來得到修正值，實際應用中存在著算法復雜，造成應用的不便。而且在一些溫度較寬的范圍，比如超高溫條件下，可能導致鋼弦超出測量范圍，或者超出彈性范圍導致的鋼弦失效或斷裂。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有振弦傳感器中振弦對外界環境敏感導致的測量結果不準或者鋼弦超出彈性范圍導致的失效等問題，提出了一種實時溫度補償的振弦傳感器。

本發明的技術方案如下：

一種實時溫度補償的振弦傳感器，包括設置在傳感器殼體內部的振弦、激勵線圈和至少一只熱雙金屬片，所述的振弦焊接在熱雙金屬片的中部，所述的熱雙金屬片懸空固定在支座上，所述的支座固定在傳感器殼體的兩端，激勵線圈設置在振弦的中部。

上述實時溫度補償的振弦傳感器中，熱雙金屬片為彎曲成弧形的長條狀結構。

上述實時溫度補償的振弦傳感器中，振弦沿長度方向上熱膨脹系數小于殼體沿振弦方向上的熱膨脹系數，熱雙金屬片的主動層設置在振弦的一側。

上述實時溫度補償的振弦傳感器中，振弦沿長度方向上熱膨脹系數大于殼體沿振弦方向上的熱膨脹系數，熱雙金屬片的被動層設置在振弦的一側。

本發明具有的有益技術效果如下：

(1)本發明提供了一種基于熱雙金屬片的振弦傳感器溫度補償方案，利用熱雙金屬片各組元層的熱膨脹系數不同，當溫度變化時，主動層的形變要大于被動層的形變，從而雙金屬片的整體就會向被動層一側彎曲，補償振弦在熱脹冷縮時的弦長變化，減小溫度對測量結果的影響，提高測量精度，省卻溫度探頭及復雜的補償實驗和算法，同時可確保鋼弦的惡劣條件下也不會失效或斷裂等情況發生。

(2)本發明根據殼體和鋼弦的材料及其熱膨脹系數，再選擇雙金屬片的材料以及事先彎曲的曲率即可以對環境溫度引起的振弦傳感器參數進行有效補償，適用于多種殼體和鋼弦材料，應用較為廣泛。

附圖說明

圖1為本發明帶有熱雙金屬片的振弦傳感器原理示意圖；

圖2為本發明熱雙金屬片熱膨脹時工作原理示意圖；

圖3為圖2熱雙金屬片的俯視圖。

圖中：1-振弦；2-激勵線圈；3-傳感器殼體；4-支座；5-熱雙金屬片；6-處理電路；7-主動層；8-被動層。

具體實施方式

如圖1所示，本發明的實時溫度補償的振弦傳感器，包括設置在傳感器殼體3內部的振弦1、激勵線圈2和熱雙金屬片5，振弦1焊接在熱雙金屬片5的中部，熱雙金屬片5懸空固定在支座4上，支座4固定在傳感器殼體3的兩端，激勵線圈2設置在振弦1的中部。

振弦傳感器的工作原理是，在電激勵下，振弦1按其固有頻率振動，改變振弦1的張力F，可以得到不同的振動頻率F，即張力與諧振頻率成單值函數關系。當振弦受張力長度變化Δl后，則有其中ρ_ν為弦的體密度，E為振弦的彈性模量，l為弦長。實際應用時，當振弦式傳感器的殼體3受到伸縮變形時，帶動兩端的定位支座產生移動，從而引起振弦1伸長或收縮，通過檢測振弦頻率的變化，來實現位移和變形的測量。

但在實際應用中改變弦長的因素除了外界位移量外，還因受到環境溫度的變化，具體表現為振弦1和殼體3的熱膨脹系數之差而引起的變化。振弦1通常采用高碳鋼制成，而殼體采用普通的模具鋼制成，因此鋼弦的熱膨脹系數小于殼體沿鋼弦方向的熱膨脹系數，故當溫度升高時，鋼弦會產生繃緊，甚至超出彈性范圍，而當溫度降低時，鋼弦又會產生松弛狀態，導致難以起振，而這種熱脹冷縮而導致弦長的變化，同樣會引起振弦輸出頻率的變化，因此在高精度測量中，通常在傳感器內部設置一只溫度探頭，通過實驗或理論分析獲取溫度引起的熱脹冷縮對弦長及頻率的影響，并對測量結果進行補償。

本發明提出了一種實時溫度補償方案，將振弦1通過一只或兩只熱雙金屬片5固定在傳感器的殼體3上，補償振弦1在熱脹冷縮時的弦長變化，減小溫度對測量結果的影響，提高測量精度，省卻溫度探頭及復雜的補償實驗和算法，同時可確保鋼弦的惡劣條件下也不會失效或斷裂等情況發生。

熱雙金屬片5是利用各組元層的熱膨脹系數不同，當溫度變化時，主動層的形變要大于被動層的形變，從而雙金屬片的整體就會向被動層一側彎曲，由于各組元層的熱膨脹系數不同，當溫度變化時其中，膨脹系數較高的稱為主動層；膨脹系數較低的稱為被動層。但是隨著雙金屬應用領域的擴大和結合技術的進步，近代已相出現三層、四層、五層的雙金屬。事實上，凡是依賴溫度改變而發生形狀變化的組合材料，現今在習慣上仍稱為熱雙金屬。

如圖2和圖3所示，雙金屬片5為細長的片狀結構，并事先朝著振弦1的方向彎曲一定的曲率，且熱雙金屬片5的主動層7設置在振弦1的一側，也就是當溫度升高時，主動層7形變較大，引起熱雙金屬片5中部向鋼弦的方向凸起，補償由于殼體膨脹系數較大引起對鋼弦的繃緊。當溫度降低時，熱雙金屬片5的彎曲曲率半徑會減小，因此不會使得鋼弦1產生松弛，只要根據殼體和鋼弦的材料及其熱膨脹系數，再選擇雙金屬片的材料以及事先彎曲的曲率即可以對環境溫度引起的振弦傳感器參數進行有效補償。

需要說明的是以上僅僅給出了當鋼弦的熱膨脹系數小于殼體沿鋼弦方向的熱膨脹系數時的方案，同理將熱雙金屬片的彎曲方向以及主動層和被動層的方向進行調換，即可以用于當鋼弦的熱膨脹系數大于殼體沿鋼弦方向的熱膨脹系數時的情況。