振弦传感器测量的准确度分析及实践.docxVIP

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－３８９３．２０１４．０４．００７振弦传感器测量的准确度分析及实践李延军，刘炜铭，景波云（国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３）摘要：本文介绍了振弦式传感器的基本工作原理、特点和工程应用，针对应用，分析了工程监测中使用频率计数器测量频率信号的原理和方法，并对其影响系统误差和随机误差的因素做了定性分析，提出了减小测量系统误差和提高测量准确度［１］［２］的方法和措施，这些方法和措施对其他工程测量也具有一定的借鉴意义。关键词：准确度；分辨率；振弦传感器；示值温度之间的关系可表示为线性拟合关系和多项式拟合关系，并分别表示为：引言０在岩土工程、水电工程、路桥工程等工程监测中，监测的对象大多为应力变化、位移变化和压力变化等物理量，其使用的传感器大多都被埋设在工程结构之中或基础基岩之上，并要求其能长时间地工作，工作期甚至是整个工程的生命周期，振弦传感器因其工作寿命长、工作可靠且抗干扰能力强等优点而被广泛地应用于工程监测的各个领域。然而，振弦传感器不能直接给出被监测对象的量值，监测时，必须首先对振弦传感器输出的频率信号和对其埋设点的温度进行测量，然后根据测得的频率值和温度值，再通过给定的函数关系进行计算，最后才能间接的得到被监测对象的量值。因此，除要求标定时给出振弦传感器的应变量、频率和温度三者之间的函数关系要准确外，对频率信号测量的准确度和对其埋设点温度测量的准确度都将直接影响到对其监测对象测量结果（示值）的准确度，本文就在计数器测量频率的方法中对影响测量结果准确度的因素进行了分析，并给出了有效的控制方法。Ｐ＝Ｇ×（Ｆ１－Ｆ０）＋Ｋ×（Ｔ１－Ｔ０）（１）Ｐ＝ａ×（Ｆ１－Ｆ０＋ｂ×Ｆ１－Ｆ０＋Ｋ×（Ｔ１－Ｔ０）Ｐ———被测对象的应变量值；Ｆ———频率模数（Ｆ＝ｆ２／１０００）；ｆ———传感器输出信号的频率值；２２）（）（２）式中Ｆ０———传感器输出信号的初始频率模数；Ｆ１———传感器输出信号的当前频率模数；Ｔ０———传感器初始环境温度；Ｔ１———传感器所处的当前环境温度；Ｇ———频率模数修正系数；Ｋ———温度修正系数；ａ———频率模数的二次修正系数；ｂ———频率模数的一次修正系数。工程测量如图１所示，振弦式传感器被埋设（或固定）在被测量对象的地方，通过引线将振弦式传感器的频率信号和温度电阻阻值信号引出，频率／阻值测量仪器（通称读数仪或适配器）测出频率信号的频率值和埋设点的温度值，最后通过计算得出被测量对象的量值（示值）。频率／阻值测量仪器直接给出的是频率值和温度值，也可直接给出测量对象的测量值（示值）。工程测量中，传感器本身引入的误差是固有的，目前，振弦式传感器的分辨率ｒ已普遍达到０．１％振弦式传感器工作原理及工程测量振弦式传感器的基本工作原理是将一根拉紧的钢弦置于磁场之中，一端固定，另一端与受力机构连接，钢弦自由振荡时，其振荡的频率就与另一端受力的大小呈对应关系。测量时，用电信号通过电磁线圈激拨钢弦，使钢弦震荡，由于钢弦切割磁力线的作用，在电磁线圈中就会感应出与钢弦震荡频率同频的电信号，通过拾取并测量这种同频电信号就可知钢弦震荡的频率，再通过计算，就可达到测量改变钢弦频率的压力、张力等物理量。通过回归分析，应变量与钢弦震荡频率及埋设点１［３］，特别的振弦式传感器的分辨率ｒ可达到０．０１％ＦＳ［３］，传感器的拟合公式也已在制造时就已标定并给ＦＳ出，工程中可根据对测量准确度的需求选用合适的传感器和不同的拟合公式，而如何控制和减小因拾取频率值和测量埋设点温度值而引入对测量结果准确度的影响则是工程测量的关键。——２４·大坝监测仪器及自动化·李延军，等振弦传感器测量的准确度分析及实践若要不影响传感器分辨率ｒ的水平，频率测量引入的系统误差和温度测量引入的系统误差都应远远小于传感器分辨率ｒ的水平。若以相差一个数量级为远远小于的取值，根据Ｇ、Ｋ的取值范围，若ΔＦ＝Ｆ１－Ｆ０取值５０００字，ΔＴ＝Ｔ１－Ｔ０取值５０℃，可得：频率模数ΔＦ的相对系统误差在０．００１％ＦＳ（０．０５字）以下，对应的频率相对系统误差应在０．０００５％ＦＳ（０．０２５Ｈｚ）以下，温度ΔＴ的相对系统误差（最大工作温度范围内）也在１％（０．５℃）以下。图１传感器工程测量图时基频率误差时基频率ｆ０是测量待测频率ｆ１的基准，二者的影响测量准确度的因素及分析用计数器测量频率的原理如图２所示，两个计数器同时计数，ｆ１、ｆ０分别为待测频率和时基频率，Ｔｔ为测量计时时间（计时窗口时间），Ｎ１为Ｔｔ时间内ｆ１的周波数，Ｎ０为Ｔｔ时间内ｆ０的周波数，Ｔ１和Ｔ０分别为ｆ１和ｆ０的周期，Ｋｔ为时基频率ｆ０与待测频率ｆ１的比值，ΔＴ０为ｆ０计时的量化误差。２．２２Ｎ１关系为：ｆ１≈Ｎｆ０，时基频率的相对偏差对测量待测０频率ｆ１引起的相对误