专利名称：振弦式仪器的温度测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是一种岩土工程的安全监测仪器 中的振弦式仪器的温度测量方法和装置。
背景技术：
在对岩土工程的安全监测中，通常采用振弦式(或称钢弦式)仪器等安全监测仪 器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工 程的安全。振弦式仪器(或称振弦式传感器)由一根两端固定、均质的钢弦组成。钢弦 长度为L，在感知外界作用力F(可以是岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和 变形等)的时候，钢弦会产生AL的拉伸变形，在弹性范围内，同时考虑温度T的影响，
F =足Χ(# + αΧΔΓ)，其中ΔΤ = T-Ttl, α为线膨胀系数，Τ。、α、Κ均为已知的恒常数。钢 弦的机械振动固有频率f可以按如下公式获得f =阵(1 -2λχ^ + (字)2)(1 +字)，其
V PvlLLL
中E是钢弦的弹性模量，Pv是钢弦的密度，λ是钢弦材料的泊松系数，这些均是定常数。将
上述两个公式进行整理，消除这一共同变量，得出F是f和T的确定函数，通过测量f和 T就能实现F的测量。其中，温度参量T是一个关键的测量因子。传统的温度参量T的测量方法通常是在振弦式仪器内设置热敏电阻，热敏电阻对 温度敏感，会随温度的变化而呈现不同的阻值，通过测量热敏电阻的阻值来得到温度参量 T。现实情况是，热敏电阻的阻值在工作温度范围内，其理论最大值将达到50ΚΩ，相对于岩 土工程领域同样应用广泛的其它类型安全监测仪器如差动电阻式传感器120Ω的测温电 阻值，高出1个数量级以上，从电阻值测量精度考虑，就需要对测量系统的绝缘性提出很高 的要求，甚至苛刻到难以工程实现的程度，若无法保证足够高的绝缘性指标，则会带来很大 的测量误差；同时由于受到从振弦式仪器内引出的导线电阻的影响，也会使得测量的阻值 有误差，故最终计算得到的温度T的测量精度和可靠性下降。而岩土工程的安全监测对安 全监测仪器的可靠性以及测量数据的准确性有非常严格的要求，这就要求在测量原理和测 量方法上力求准确可靠，所以安全监测领域使用的振弦式仪器采用上述温度测量方法已不 能满足测量的要求。
发明内容
本发明针对现有的振弦式仪器的温度测量采用热敏电阻进行温度感应时存在测 量误差，导致测量精度和可靠性下降的问题，提供一种新型振弦式仪器的温度测量方法，该 方法提高了振弦式仪器温度测量的准确性和可靠性。本发明还涉及一种振弦式仪器的温度
测量装置。
本发明的技术方案如下—种振弦式仪器的温度测量方法，其特征在于，通过四线电阻测量法测量振弦式 仪器在频率测量时采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，再利用频率测量线圈的电阻温 度特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式仪器温度参数测量。所述频率测量线圈的电阻温度特性公式为Rt = R0[1+β X (Tt-T0)]；其中，Rtl和Τ。 分别为频率测量线圈的初始电阻值及与之对应的温度值，Rt和Tt分别为频率测量线圈在t 时刻的电阻值及与之对应的温度值，β为频率测量线圈的电阻温度系数。所述四线电阻测量法为在频率测量线圈的其中一个测量端引出第一电流导线和 第一电压导线，在另一测量端引出第二电流导线和第二电压导线，所述第一电流导线和第 二电流导线分别连接到恒流源两端以构成电流回路，将第一电压导线通过第一电压跟随器 传递至第一测压点，将第二电压导线通过第二电压跟随器传递至第二测压点；通过测量第 一测压点和第二测压点之间的电压实现频率测量线圈在某时刻的电阻值的测量。所述第一电压导线依次通过第一连接导线和第一电压跟随器传递至第一测压点， 第二电压导线依次通过第二连接导线和第二电压跟随器传递至第二测压点。一种振弦式仪器的温度测量装置，其特征在于，包括互相连接的电阻测量装置和 电阻温度换算装置，所述电阻测量装置通过四线电阻测量法测量振弦式仪器在频率测量时 采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，并将该电阻值输出至电阻温度换算装置；所述电 阻温度换算装置利用频率测量线圈的电阻温度特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式 仪器温度参数测量。所述电阻温度换算装置利用的频率测量线圈的电阻温度特性公式为Rt = Rotl+β X(Tt-T0)]；其中，礼和！；分别为频率测量线圈的初始电阻值及与之对应的温度值， Rt和Tt分别为频率测量线圈在t时刻的电阻值及与之对应的温度值，β为频率测量线圈的 电阻温度系数。所述电阻测量装置包括在频率测量线圈的其中一个测量端引出的第一电流导线 和第一电压导线以及在另一测量端引出的第二电流导线和第二电压导线，电阻测量装置还 包括恒流源、第一电压跟随器、第一测压点、第二电压跟随器、第二测压点和电压测量处理 装置，电压测量处理装置与电阻温度换算装置相连；所述第一电流导线和第二电流导线分 别连接到恒流源两端以构成电流回路，第一电压导线通过第一电压跟随器传递至第一测压 点，第二电压导线通过第二电压跟随器传递至第二测压点；通过电压测量处理装置测量第 一测压点和第二测压点之间的电压及实现频率测量线圈在某时刻的电阻值的测量。所述电阻测量装置还包括第一连接导线和第二连接导线，所述第一连接导线设置 于第一电压导线与第一电压跟随器之间，所述第二连接导线设置于第二电压导线与第二电 压跟随器之间。本发明的技术效果如下本发明涉及的振弦式仪器的温度测量方法，通过四线电阻测量法测量振弦式仪器 在频率测量时采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，采用四线电阻测量的方法可以完全 消除导线电阻的影响，获得频率测量线圈在某时刻电阻的真值，由于频率测量线圈具有电 阻温度特性，故确保电阻值的测量精度从而保证温度参数的测量精度。同时避免了现有的 振弦式仪器的温度测量采用热敏电阻进行温度感应时由于绝缘性变差带来测量误差的问题，本发明的该方法巧妙地利用振弦式仪器在测频时的关键器件频率测量线圈的电阻温度 特性，在正常实现频率参数f测量的同时实现了温度T测量功能，节约了生产成本、减少了 工艺环节，提升了器件的效能，最重要的是提高了振弦式仪器的可靠性。本发明涉及的振弦式仪器的温度测量装置，包括互相连接的电阻测量装置和电阻 温度换算装置，其中，电阻测量装置通过四线电阻测量法高准确度地测量振弦式仪器在频 率测量时采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，然后通过电阻温度换算装置利用频率测 量线圈的电阻温度特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式仪器温度参数T测量。较传统 的热敏电阻进行温度感应的方式能够获得更准确、更稳定的测量结果，提高了振弦式仪器 温度测量的准确性和可靠性，能够满足岩土工程的安全监测对安全监测仪器的可靠性以及 测量数据的准确性的严格要求。
图1为振弦式仪器频率测量线圈的电阻等效电路。图2为四线电阻测量法原理图。图3为本发明振弦式仪器的温度测量装置结构示意图。图4为本发明振弦式仪器的温度测量装置优选结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行说明。本发明公开的振弦式仪器的温度测量方法的被测对象是频率测量线圈，频率测量 线圈是振弦式仪器在进行频率测量时所采用的关键器件，频率测量线圈通常具有两个测量 端。在进行温度测量时，频率测量线圈在电气上等效成一个电阻Rt，如图1所示，该方法先 采用四线电阻测量法测量频率测量线圈在某时刻的电阻值，其四线电阻连接为在频率测量 线圈的两测量端A、B两端分别引出两根引出导线，即图1所示在频率测量线圈的A测量端 引出两根引出导线Al和A2，在频率测量线圈的B测量端引出两根引出导线B3和B4。四线 电阻测量法原理图如图2所示，将频率测量线圈的每个测量端的其中一根引出导线分别连 接到恒流源两端以构成电流回路，即Al为第一电流导线，B4为第二电流导线，A1、B4连接恒 流源1(或Al、B4分别通过长导线11'、长导线44'连接恒流源I)，由恒流源I提供一个 数值为I的直流电流，通过第一电流导线Al、长导线11'、第二电流导线B4、长导线44'和 Rt构成电流回路；A2为第一电压导线，B3为第二电压导线，将第一电压导线A2通过第一连 接导线22’、第一电压跟随器Al传递至第一测压点01，将第二电压导线B3通过第二连接 导线33'、第二电压跟随器A2传递至第二测压点02，即将艮两端的电压分别通过第一电压 导线A2、第一连接导线22'、电压跟随器Al以及第二电压导线B3、第二连接导线33'、电 压跟随器A2传递到01、02端；由于第一电压跟随器Al和第二电压跟随器A2都具有虚短、 虚断特性，能在第一电压导线A2、第一连接导线22'、第二电压导线B3、第二连接导线33' 上不产生电流的情况下，把I^t两端电压从A、B端传送至23端，再至2' 3'端最终传送到
0102端，同时使U。lQ2 = U2, 3, =U23 = Uab成立。根据电阻测量原理為=￥ = ^^。由于
I是已知参数，所以通过测量U_2就能实现频率测量线圈在某时刻的电阻值Rt的测量。该方式可以完全消除导线电阻的影响获得频率测量线圈电阻的真值。利用振弦式仪器频率测量线圈的电阻温度特性R = f (T)，在通过四线电阻测量法 测量频率测量线圈在某时刻的电阻值Rt后，根据Rt = f (Tt)函数关系，反算出t时刻的温 度值Tt，实现振弦式仪器温度参数测量。假设所述频率测量线圈的初始电阻值为Rtl与之对 应的温度值为Ttl，t时刻的电阻值为Rt，与之对应的温度值为Tt，频率测量线圈材料的电阻 温度系数为β，则频率测量线圈的电阻温度特性公式为Rt = R0[1+β X (Tt-Ttl)],其中，R0、
T0, β均为已知参数。把公式变更为
权利要求
1.一种振弦式仪器的温度测量方法，其特征在于，通过四线电阻测量法测量振弦式仪 器在频率测量时采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，再利用频率测量线圈的电阻温度 特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式仪器温度参数测量。
2.根据权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，所述频率测量线圈的电阻温度 特性公式为Rt = Rotl+β X (Tt-T0)]；其中，Rtl和Ttl分别为频率测量线圈的初始电阻值及与 之对应的温度值，Rt和Tt分别为频率测量线圈在t时刻的电阻值及与之对应的温度值，β 为频率测量线圈的电阻温度系数。
3.根据权利要求1或2所述的温度测量方法，其特征在于，所述四线电阻测量法为在频 率测量线圈的其中一个测量端引出第一电流导线和第一电压导线，在另一测量端引出第二 电流导线和第二电压导线，所述第一电流导线和第二电流导线分别连接到恒流源两端以构 成电流回路，将第一电压导线通过第一电压跟随器传递至第一测压点，将第二电压导线通 过第二电压跟随器传递至第二测压点；通过测量第一测压点和第二测压点之间的电压实现 频率测量线圈在某时刻的电阻值的测量。
4.根据权利要求3所述的温度测量方法，其特征在于，所述第一电压导线依次通过第 一连接导线和第一电压跟随器传递至第一测压点，第二电压导线依次通过第二连接导线和 第二电压跟随器传递至第二测压点。
5.一种振弦式仪器的温度测量装置，其特征在于，包括互相连接的电阻测量装置和电 阻温度换算装置，所述电阻测量装置通过四线电阻测量法测量振弦式仪器在频率测量时采 用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，并将该电阻值输出至电阻温度换算装置；所述电阻 温度换算装置利用频率测量线圈的电阻温度特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式仪 器温度参数测量。
6.根据权利要求5所述的温度测量装置，其特征在于，所述频率测量线圈的电阻温度 特性公式为Rt = Rjl+β X(Tt-Ttl)]；其中，Rtl和Ttl分别为频率测量线圈的初始电阻值及与 之对应的温度值，Rt和Tt分别为频率测量线圈在t时刻的电阻值及与之对应的温度值，β 为频率测量线圈的电阻温度系数。
7.根据权利要求5或6所述的温度测量装置，其特征在于，所述电阻测量装置包括在频 率测量线圈的其中一个测量端引出的第一电流导线和第一电压导线以及在另一测量端引 出的第二电流导线和第二电压导线，电阻测量装置还包括恒流源、第一电压跟随器、第一测 压点、第二电压跟随器、第二测压点和电压测量处理装置，电压测量处理装置与电阻温度换 算装置相连；所述第一电流导线和第二电流导线分别连接到恒流源两端以构成电流回路， 第一电压导线通过第一电压跟随器传递至第一测压点，第二电压导线通过第二电压跟随器 传递至第二测压点；通过电压测量处理装置测量第一测压点和第二测压点之间的电压及实 现频率测量线圈在某时刻的电阻值的测量。
8.根据权利要求7所述的温度测量装置，其特征在于，所述电阻测量装置还包括第一 连接导线和第二连接导线，所述第一连接导线设置于第一电压导线与第一电压跟随器之 间，所述第二连接导线设置于第二电压导线与第二电压跟随器之间。
全文摘要
本发明涉及一种振弦式仪器的温度测量方法和装置，该方法通过四线电阻测量法测量振弦式仪器在频率测量时采用的频率测量线圈在某时刻的电阻值，再利用频率测量线圈的电阻温度特性，得到所述时刻的温度值，实现振弦式仪器温度参数测量。本发明的该方法提高了振弦式仪器温度测量的准确性和可靠性。
文档编号G01K7/16GK102141448SQ20101060994
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者毛良明, 江修, 沈省三 申请人:基康仪器(北京)有限公司