高精度动态振弦测量

动态振弦测量介绍

近年来，振弦技术在建筑、工业等领域应用的越来越多。利用振弦技术可以测量的物理量的也十分多样，包括压力、拉力、受力、位移、水压等。这些传感器的参数与他们的可靠性和长期稳定性息息相关。传统的振弦参数只能在静态测量应用获得，当需要进行快速测量物理量时，就会使用到其它的测量技术、例如电阻式金属箔等。他们可以提供动态振弦测量，但是很难符合长期、稳定、可靠的要求，然而这些特点却又是振弦传感器独有的。因此在一些情况下，同时使用两种测量方式的传感器来测量建筑物或结构物，以保证数据的精确性。于是找出一种方法，仅使用振弦传感器就能直接测量动态的响应变得尤为重要，这减少了为动态测量传感器不必要的额外花费，同时又能保证了数据的精确性。

Campbell Scientific,Inc.(CSI)在发展振弦测量仪已经有多年的经验。近年来，CSI推出了AVW200振弦测量模块作为振弦测量的基础技术设备，其利用的VSPECT频谱分析技术是整个技术的核心，该技术不仅仅可以测量振弦传感器的频率信号，可以同时测量获得噪声频率信号、信噪比、信号衰减比等多种信息，可以用于评判传感器的使用情况和数据的可靠性。

作为振弦测量技术的新发展，CSI推出了CDM-VW300系列的动态振弦模块。该模块可以直接测量标准单线振弦传感器，采用频率20到333HZ。该技术使用VSPECT频率分析方法，可以得到高精度的测量数据同时独特的激励系统使传感器弦保持振动状态。而且模块激励和测量系统都高度灵敏，对传感器产生微小变化都能完全捕捉，不漏掉任何变化。

动态振弦测量实测

动态振弦测量模块已经测试了大量传感器，这些传感器都由不同厂商制造。这些传感器包括：应变计、裂缝探测仪、压力传感器、载荷传感器等。

    这些试验是在专业人员指导下，在实验室和现场都测试过的。其中一次试验见下图，在指定地点用振弦式应变计和粘贴箔式应变计测太阳能跟踪器设备，太阳能板测量45*26英尺，枢纽顶端是20英尺高的钢筋混凝土底座，当这组排列倾斜和旋转时，结构会产生明显的动应力。

下图显示的是一典型的10秒内应变数据，数据是在监测太阳能电池阵中通过振弦应变计（蓝色）和箔式应变计（红色）测量得出的。考虑可视度，在数据计算中引入人工补偿。

    由上图看出，振弦应变计与箔式应变计一样能够捕捉到同样的结果变化，甚至在信号大量快速变化时也如此。在本次测量中，CDM-VW300测量频率是100Hz，使用的振弦式传感器是基康VK-4150。箔式应变计，使用的是HiTec公司产品，型号是HBWF-35-250-6，是用CR3000数据采集器测量的，频率也是100Hz。

    比较这两组曲线，显示这两种信号传感器都能完全捕捉到结果变化内容。并且动态振弦模块在测量振弦传感器时只产生较低噪音，这与电阻箔应变计测出结果也较好吻合。在案例中，噪音影响产生的数据，在结构静止不动情况下用最小动态力测量，如图3显示，在这种状态下，振弦式位移计的测量噪音大约为0.075μξ （微变化）RMS，在测量频率是100Hz时候，传送给传感器的全动态范围超过33000（90db）。通过比对，箔式应变计的测量噪音稍微高一些，为0.13μξ  RMS，CDM-VW300动态振弦测量模块可方便用户得到预期希望的采样频率和测量噪音。

    右图表明降低噪音影响就要同等的伴随着降低采样频率，右图显示的是1Hz测量速率下CDM-VW300的试验曲线。1Hz测量是在静态试验中与高速试样采集并行操作情况下执行的，且这些数据与当前动态数据也吻合。这种并行的静态测量与单独测量模块例如AVW200测量结果也是一致的。