一种实时温度补偿的振弦传感器的制作方法

本发明属于结构测量领域，具体涉及一种建筑领域大型结构物的位移或变形测量用振弦传感器。

背景技术：

在大型结构物的日常养护中，对其关键部件的变形或位移测量十分重要，上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

振弦式传感器是目前在测力应用方面最为先进的传感器之一，其敏感元件是一根金属丝弦，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量，这种传感器输出的是频率信号，因此其抗干扰能力强，温漂、零漂小，受电参数影响小，性能稳定可靠，能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试，所以被广泛地用于水库大坝、港口工程、桥梁、基坑等工程的应力应变、变形、渗流、液位等的监测中。

通常振弦传感器通过腔体受力产生型变，改变钢弦的受力状态，从改变钢弦的固有频率，然后通过外力使钢弦振荡，测试这个振动频率，来得到受力、形变、位移的大小。由于振弦的频率与弦长相关，而弦长容易受到外界环境的影响，

2012年《数字技术及应用》公开的“基于PSO-LSSVM的振弦传感器温度补偿”中提出了一种基于温度传感器的温度补偿方案，即在振弦传感器上设置一个温度探头，采用测试环境温度，通过算法计算来得到修正值，实际应用中存在着算法复杂，造成应用的不便。而且在一些温度较宽的范围，比如超高温条件下，可能导致钢弦超出测量范围，或者超出弹性范围导致的钢弦失效或断裂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有振弦传感器中振弦对外界环境敏感导致的测量结果不准或者钢弦超出弹性范围导致的失效等问题，提出了一种实时温度补偿的振弦传感器。

本发明的技术方案如下：

一种实时温度补偿的振弦传感器，包括设置在传感器壳体内部的振弦、激励线圈和至少一只热双金属片，所述的振弦焊接在热双金属片的中部，所述的热双金属片悬空固定在支座上，所述的支座固定在传感器壳体的两端，激励线圈设置在振弦的中部。

上述实时温度补偿的振弦传感器中，热双金属片为弯曲成弧形的长条状结构。

上述实时温度补偿的振弦传感器中，振弦沿长度方向上热膨胀系数小于壳体沿振弦方向上的热膨胀系数，热双金属片的主动层设置在振弦的一侧。

上述实时温度补偿的振弦传感器中，振弦沿长度方向上热膨胀系数大于壳体沿振弦方向上的热膨胀系数，热双金属片的被动层设置在振弦的一侧。

本发明具有的有益技术效果如下：

(1)本发明提供了一种基于热双金属片的振弦传感器温度补偿方案，利用热双金属片各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，补偿振弦在热胀冷缩时的弦长变化，减小温度对测量结果的影响，提高测量精度，省却温度探头及复杂的补偿实验和算法，同时可确保钢弦的恶劣条件下也不会失效或断裂等情况发生。

(2)本发明根据壳体和钢弦的材料及其热膨胀系数，再选择双金属片的材料以及事先弯曲的曲率即可以对环境温度引起的振弦传感器参数进行有效补偿，适用于多种壳体和钢弦材料，应用较为广泛。

附图说明

图1为本发明带有热双金属片的振弦传感器原理示意图；

图2为本发明热双金属片热膨胀时工作原理示意图；

图3为图2热双金属片的俯视图。

图中：1-振弦；2-激励线圈；3-传感器壳体；4-支座；5-热双金属片；6-处理电路；7-主动层；8-被动层。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实时温度补偿的振弦传感器，包括设置在传感器壳体3内部的振弦1、激励线圈2和热双金属片5，振弦1焊接在热双金属片5的中部，热双金属片5悬空固定在支座4上，支座4固定在传感器壳体3的两端，激励线圈2设置在振弦1的中部。

振弦传感器的工作原理是，在电激励下，振弦1按其固有频率振动，改变振弦1的张力F，可以得到不同的振动频率F，即张力与谐振频率成单值函数关系。当振弦受张力长度变化Δl后，则有其中ρ_ν为弦的体密度，E为振弦的弹性模量，l为弦长。实际应用时，当振弦式传感器的壳体3受到伸缩变形时，带动两端的定位支座产生移动，从而引起振弦1伸长或收缩，通过检测振弦频率的变化，来实现位移和变形的测量。

但在实际应用中改变弦长的因素除了外界位移量外，还因受到环境温度的变化，具体表现为振弦1和壳体3的热膨胀系数之差而引起的变化。振弦1通常采用高碳钢制成，而壳体采用普通的模具钢制成，因此钢弦的热膨胀系数小于壳体沿钢弦方向的热膨胀系数，故当温度升高时，钢弦会产生绷紧，甚至超出弹性范围，而当温度降低时，钢弦又会产生松弛状态，导致难以起振，而这种热胀冷缩而导致弦长的变化，同样会引起振弦输出频率的变化，因此在高精度测量中，通常在传感器内部设置一只温度探头，通过实验或理论分析获取温度引起的热胀冷缩对弦长及频率的影响，并对测量结果进行补偿。

本发明提出了一种实时温度补偿方案，将振弦1通过一只或两只热双金属片5固定在传感器的壳体3上，补偿振弦1在热胀冷缩时的弦长变化，减小温度对测量结果的影响，提高测量精度，省却温度探头及复杂的补偿实验和算法，同时可确保钢弦的恶劣条件下也不会失效或断裂等情况发生。

热双金属片5是利用各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，由于各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时其中，膨胀系数较高的称为主动层；膨胀系数较低的称为被动层。但是随着双金属应用领域的扩大和结合技术的进步，近代已相出现三层、四层、五层的双金属。事实上，凡是依赖温度改变而发生形状变化的组合材料，现今在习惯上仍称为热双金属。

如图2和图3所示，双金属片5为细长的片状结构，并事先朝着振弦1的方向弯曲一定的曲率，且热双金属片5的主动层7设置在振弦1的一侧，也就是当温度升高时，主动层7形变较大，引起热双金属片5中部向钢弦的方向凸起，补偿由于壳体膨胀系数较大引起对钢弦的绷紧。当温度降低时，热双金属片5的弯曲曲率半径会减小，因此不会使得钢弦1产生松弛，只要根据壳体和钢弦的材料及其热膨胀系数，再选择双金属片的材料以及事先弯曲的曲率即可以对环境温度引起的振弦传感器参数进行有效补偿。

需要说明的是以上仅仅给出了当钢弦的热膨胀系数小于壳体沿钢弦方向的热膨胀系数时的方案，同理将热双金属片的弯曲方向以及主动层和被动层的方向进行调换，即可以用于当钢弦的热膨胀系数大于壳体沿钢弦方向的热膨胀系数时的情况。