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高精度動態(tài)振弦測量
動態(tài)振弦測量介紹
近年來，振弦技術(shù)在建筑、工業(yè)等領(lǐng)域應用的越來越多。利用振弦技術(shù)可以測量的物理量的也十分多樣，包括壓力、拉力、受力、位移、水壓等。這些傳感器的參數(shù)與他們的可靠性和長期穩(wěn)定性息息相關(guān)。傳統(tǒng)的振弦參數(shù)只能在靜態(tài)測量應用獲得，當需要進行快速測量物理量時，就會使用到其它的測量技術(shù)、例如電阻式金屬箔等。他們可以提供動態(tài)振弦測量，但是很難符合長期、穩(wěn)定、可靠的要求，然而這些特點卻又是振弦傳感器獨有的。因此在一些情況下，同時使用兩種測量方式的傳感器來測量建筑物或結(jié)構(gòu)物，以保證數(shù)據(jù)的精確性。于是找出一種方法，僅使用振弦傳感器就能直接測量動態(tài)的響應變得尤為重要，這減少了為動態(tài)測量傳感器不必要的額外花費，同時又能保證了數(shù)據(jù)的精確性。
Campbell Scientific,Inc.(CSI)在發(fā)展振弦測量儀已經(jīng)有多年的經(jīng)驗。近年來，CSI推出了AVW200振弦測量模塊作為振弦測量的基礎(chǔ)技術(shù)設(shè)備，其利用的VSPECT頻譜分析技術(shù)是整個技術(shù)的核心，該技術(shù)不僅僅可以測量振弦傳感器的頻率信號，可以同時測量獲得噪聲頻率信號、信噪比、信號衰減比等多種信息，可以用于評判傳感器的使用情況和數(shù)據(jù)的可靠性。
作為振弦測量技術(shù)的新發(fā)展，CSI推出了CDM-VW300系列的動態(tài)振弦模塊。該模塊可以直接測量標準單線振弦傳感器，采用頻率20到333HZ。該技術(shù)使用VSPECT頻率分析方法，可以得到高精度的測量數(shù)據(jù)同時獨特的激勵系統(tǒng)使傳感器弦保持振動狀態(tài)。而且模塊激勵和測量系統(tǒng)都高度靈敏，對傳感器產(chǎn)生微小變化都能完全捕捉，不漏掉任何變化。
動態(tài)振弦測量實測
動態(tài)振弦測量模塊已經(jīng)測試了大量傳感器，這些傳感器都由不同廠商制造。這些傳感器包括：應變計、裂縫探測儀、壓力傳感器、載荷傳感器等。
??? 這些試驗是在專業(yè)人員指導下，在實驗室和現(xiàn)場都測試過的。其中一次試驗見下圖，在指定地點用振弦式應變計和粘貼箔式應變計測太陽能跟蹤器設(shè)備，太陽能板測量45*26英尺，樞紐頂端是20英尺高的鋼筋混凝土底座，當這組排列傾斜和旋轉(zhuǎn)時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的動應力。
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下圖顯示的是一典型的10秒內(nèi)應變數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在監(jiān)測太陽能電池陣中通過振弦應變計（藍色）和箔式應變計（紅色）測量得出的。考慮可視度，在數(shù)據(jù)計算中引入人工補償。
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??? 由上圖看出，振弦應變計與箔式應變計一樣能夠捕捉到同樣的結(jié)果變化，甚至在信號大量快速變化時也如此。在本次測量中，CDM-VW300測量頻率是100Hz，使用的振弦式傳感器是基康VK-4150。箔式應變計，使用的是HiTec公司產(chǎn)品，型號是HBWF-35-250-6，是用CR3000數(shù)據(jù)采集器測量的，頻率也是100Hz。
? ? 比較這兩組曲線，顯示這兩種信號傳感器都能完全捕捉到結(jié)果變化內(nèi)容。并且動態(tài)振弦模塊在測量振弦傳感器時只產(chǎn)生較低噪音，這與電阻箔應變計測出結(jié)果也較好吻合。在案例中，噪音影響產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)靜止不動情況下用最小動態(tài)力測量，如圖3顯示，在這種狀態(tài)下，振弦式位移計的測量噪音大約為0.075μξ （微變化）RMS，在測量頻率是100Hz時候，傳送給傳感器的全動態(tài)范圍超過33000（90db）。通過比對，箔式應變計的測量噪音稍微高一些，為0.13μξ? RMS，CDM-VW300動態(tài)振弦測量模塊可方便用戶得到預期希望的采樣頻率和測量噪音。
??? 右圖表明降低噪音影響就要同等的伴隨著降低采樣頻率，右圖顯示的是1Hz測量速率下CDM-VW300的試驗曲線。1Hz測量是在靜態(tài)試驗中與高速試樣采集并行操作情況下執(zhí)行的，且這些數(shù)據(jù)與當前動態(tài)數(shù)據(jù)也吻合。這種并行的靜態(tài)測量與單獨測量模塊例如AVW200測量結(jié)果也是一致的。
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