浅谈振弦式传感器在大坝安全监测中的优势与应用.pdf

摘要：振弦式传感器由于其工作原理简单、精度和稳定性高及抗干扰力强，
在大坝安全监测中已经被广泛应用。本文介绍了振弦式传感器的工作原理、在大
坝安全监测中的优势以及在应力/应变、变形、渗流和温度等大坝安全监测项目
中的应用。

关键词：大坝安全监测监测仪器振弦式传感器振弦应用
大坝安全监测是指：水库大坝从施工开始到工程结束投入使用的全部过
程，都需要对建筑物安全性能和运行状态进行安全监测。大坝安全监测中最基础、
最主要的就是监测仪器，对建筑物安全性能和运行状态的了解和分析，主要依靠
各种监测仪器提供的测量数据。振弦式传感器就是众多监测仪器中的一种，从
20世纪30年代发明至今，随着电子读数仪技术、材料和生产工艺的发展，振弦
式传感器已成为一种性能十分完善且能满足大坝安全监测应用要求的监测仪器。

1振弦式传感器工作原理的介绍

1.1振弦式传感器的构造

振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收
线圈等组成。而钢弦就是振弦式传感器的振弦。（如图l所示）

1.2振弦式传感器的工作原理

振弦式传感器的工作原理就是测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦应力的
物理量。

1.2.1频率（周期）与变形（应变）之间的关系

振弦的固有频率（共振频率）与应力，长度和质量有关，公式如下：

由于钢弦的质量m、钢弦长度Ｌw、截面积S、弹性模量E可视为常数，因
此，钢弦的应力Ｆ与输出频率f建立了相应的关系：即当外力F0未施加时，则
钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f0；当施加外力F1(即被测力拉力或
压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，
这时频率也随之增加或减少为f1。因此，只要测得振弦频率值f1，即可得到相
应被测的力——拉力或压力值等。

1.2.2振弦式传感器的工作原理

来表述振弦式传感器的工作原理。如
图l所示，工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割
磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的
一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳
幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有
关的频率信号。

2振弦式传感器在大坝安全监测中的优势

在安装监测仪器中最头痛的难题在于不可重复埋设”，所以要求安装监测仪
器一次埋入的成活率要高﹑长期测量的稳定性要好。下面以水电及岩土工程上用
量大的振弦式应变计与差动电阻式应变计为例，说明振弦式传感器的成活率要高
﹑长期测量的稳定性要好。两种传感器都是以钢丝作为其测量的敏感元件，所以
钢丝设置是否牢固可靠直接影响到仪器的成活率和测量的稳定性。振弦式应变计
的测量钢丝直径是差动电阻式应变计的4.6倍，而差动电阻式应变计的测量钢丝
比振弦式应变计长16倍多，这就是振弦式应变计的敏感元件同比差动电阻式应
变计可靠的基础。再有两者的外护管，振弦式应变计的外护管是1.5mm厚的不
锈钢管，电阻式应变计是0.18mm厚的铜质波纹管，两者相差8.3倍，相比较振
弦式应变计应具有更好的抗冲击性和抗震捣性，在实际工程中振弦式应变计的成
活率高也远远高于差动电阻式应变计。振弦式应变计长期测量的稳定性应较差动
电阻式应变计要好，因它的测量钢丝是等标距的，而差动电阻式应变计的测量钢
丝共分为拉﹑压两组，每一组钢丝又分别绕成7道和9道。如都安标距70mm来
计算，差动电阻式应变计测量钢丝的长度是振弦式应变计的16倍(或16根)，如
它们钢丝直径一样亦损断的机率是16倍(何况它们的直径又相差4.6倍)，由于结
构所限它们的温度线涨系数也相差16倍，对环境震动及干扰的影响两者的感受
度应也相差16倍，所以两者相比长期测量的稳定性都是显而易见的。

3振弦式传感器在大坝安全监测中的应用

3.1应力/应变监测

3.1.1钢筋的应力/应变监测

在水工建筑物的底孔、廊道、闸墩、管道、隧洞、厂房等钢筋混凝土结构中，
宜根据工程需要布设适量的钢筋应力观测断面，每个断面一般需要布设3-5个观
测点，并布设相应的振弦式钢筋计（以下简称钢筋计）来监测钢筋的应力与应变
变化。

钢筋计标准量程可分为210Mpa、300Mpa和400Mpa三种，直径有12-40mm
多种规格，精度高、灵敏度好，耐水压达0.5、1或者2MPa。可采用多种安装方
法获取待测钢筋的应变与应力：可以焊接在待测受力钢筋的中间；也可以加工成
螺纹接头与待测钢筋进行机械连接；甚至用等效测量方式，直接将直径
Φ12mm--Φ16mm振弦式钢筋计，用绑扎丝直接绑扎在大直径（≥Φ22mm）待测
（如图2所示）图2振弦式钢筋计的安装详图

3.1.2混凝土的应力/应变监测

振弦式应变计（以下简称应变计）