1、水电站导流明渠工程临时安全监测工程仪器埋设施工方案编 制： 审 核： 批 准： 版 本 号: ESZAQDGF001 编制单位： 编 制: 审 核： 批 准： 目录1. 工程概况41.1. 概况41.2. 施工期临时安全监测的项目42. 引用标准和规程规范410) 设计图纸和有关文件。53. 施工期临时监测的工程量53.1. 施工期临时安全监测的方法和布置53.2. 巡视检查53.3. 施工期临时安全监测的工程量64. 观测仪器设备的采购、验收、率定、埋设安装64.1. 仪器设备采购、运输、验收及保管64.2. 监测仪器设备及电缆的检验和率定71) 检验和率定的目的72) 监测仪器率定73) 2、电缆线检验75. 主要的施工程序85.1. 安装埋设的准备工作85.2. 仪器埋设安装的一般要求85.3. 监测仪器的埋设方案86. 主要施工措施96.1. 工作平台的搭设和加固：9(1). 脚手架搭设9(2). 脚手架加固方案：96.2. 多点位移计的埋设安装96.3. 锚杆应力计的安装106.4. 电缆牵引和保护106.5. 声波测试101）声波测试原理102）爆破破坏范围试验方法113）声波测试仪器性能124） 声波测试成果提交137. 施工期观测及资料的整编138. 施工质量、安全、文明保证措施138.1. 工期保证措施138.2. 施工质量保证措施138.3. 安全保证措施149. 3、文明施工与环境保护14(1). 施工期间必须作到文明施工；14(3). 施工现场严禁嬉戏打闹，大声喧哗、随地大小便等；15(5). 注意设备维护保养，保持设备外观整洁、运行正常；15(7). 施工用电、照明用电线路有序布设；15(12). 遵守国家和地区环境保护的各种条例。15附1：监测仪器厂家资料16附2：振弦式传感器的工作原理及其特点181. 概述182. 工作原理18 3. 振弦的激振方式203.1 问歇触发激振203.2 等幅连续激振20 4. 振弦式传感器的特性214.1 非线性214.2 灵敏度214.3 温度影响214.4 稳定性224.5 滞后性22 5. 振弦传感器的主要技术4、指标221)指标22 6. 材料选择与工艺处理231) 材料选择的原则23(1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同；232) 工艺处理要求237. 振弦式传感器的测量系统242)灵敏度的选择243)频率响应特性254)线性范围255)稳定性256)精度26 导流明渠工程施工期临时安全监测监测仪器埋设施工方案1. 工程概况1.1. 概况本合同主要包括导流明渠工程、崩坡积及危岩体处理工程、导流明渠上游护坡工程和S306省道防护工程等项目的基础开挖、喷锚支护、预应力锚索、钻孔灌浆和混凝土浇筑等。本标承担施工期临时监测及永久性监测的土建配合工作。1.2. 施工期临时安全监测的项目施工期临时安全监测5、重点在于为施工安全和施工过程服务，其目的是及时掌握边坡变化动态、支护受力状况，为优化设计提供指导；监测施工过程中的安全状态，检验和评价边坡、洞室的稳定性，作为施工安全的一部分。工作内容包括：施工图纸设计，仪器设备的采购、运输、率定、安装及施工期观测和资料的分析整理等。施工期临时监测的项目包括：（1）边坡稳定监测；（2）爆破质点振动速度监测；（3）巡视检查；（4）施工期临时安全监测的资料整理和分析。2. 引用标准和规程规范在本工程实施过程中，施工所用的材料、设备、施工工艺和工程质量的检验和验收；监测仪器设备的采购、率定、埋设施工、施工期监测、监测资料的整编分析及安全评价；以及与监测有关的土建施工6、，严格执行国家、部、行业颁发的有关技术标准和规程规范。当技术条款的内容与所引用的标准和规程规范的规定有矛盾时。以技术条款的规定或监理指示为准。若国家和部颁的规程规范和标准做出修改，则按新修改的规程规范和标准执行。本项目执行的有关建筑物安全监测的现行技术要求、规程规范和标准主要有（但不限于）：1) 混凝土坝安全监测技术规范DL/T 5178-2003；2) 岩土工程用钢弦式压力传感器国家标准（GB/T13606-92）；3) 中华人民共和国国家标准 （GB/T3408-94GB/T3413-94）；4) 混凝土坝安全监测资料整编规范（DL/T5209-2005）；5) 水工建筑物水泥灌浆施工技术7、规范SL 62；6) 混凝土坝监测仪器系列型谱DL/T948-2005；7) 锚杆喷射混凝土支护技术规范GB500868) 爆破安全规程GB672220039) 水电水利工程爆破施工技术规范DL/T5135200310) 设计图纸和有关文件。3. 施工期临时监测的工程量3.1. 施工期临时安全监测的方法和布置边坡及围岩稳定性监测根据招标文件，结合永久监测设计对施工期临时监测作如下规划。为了及时掌握开挖至永久支护时段的边坡以及围岩支护受力状况和变化情况，用以判断其稳定性，针对开挖支护工程进行必要的监测，监测的项目包括：开挖后支护的锚杆锚固应力变化监测以及边坡岩体深部位移监测。监测方式采用锚杆应力8、计和多点位移计等仪器进行监测。在新浇筑的混凝土部位及锚杆、锚索部位设置质点振动速度测试仪，测试爆破时岩石质点振动速度，保证施工的结构物安全。计划在明渠选择2个监测断面（桩号分别为导下0+30、导下0+150）于540m高程、565 m高程和595 m高程，每个断面根据实际地质条件布置锚杆应力计3套，多点位移计3套。3.2. 巡视检查巡视检查是监测安全运行的重要方法，它不仅可以及时发现险情而且能系统地记录、描述各个部位以及周边环境变化等过程，及时发现被揭露的意想不到的不利地质条件等，这些都是边坡、围岩稳定分析时的重要原始资料。巡视检查分日常巡视检查、年度巡视检查和特别巡视检查。3.3. 施工期临9、时安全监测的工程量施工期临时安全监测的工程量见下表3-1。表3-1 临时安全监测工程量清单序号项目名称单位数量备 注1爆破质点振动速度测试测点402锚杆应力计套6单点式，振弦式3多点位移计套6三点式，振弦式4巡视检查项15声波松动圈测试m2006四芯屏蔽电缆m8007振弦式读数仪台1BGK4088观测及资料整理项19永久安全监测配合项14. 观测仪器设备的采购、验收、率定、埋设安装4.1. 仪器设备采购、运输、验收及保管严格按照设计要求采购性能稳定、质量可靠、耐用、精度符合要求的仪器设备。按照施工图纸和监理工程师指示，提交一份包括仪器设备清单、各项仪器设备的采购时间和计划安装时间等的观测仪器设10、备采购计划，报监理工程师审批后，即组织订货。运输时采取有效防震减震措施，用木箱装订牢固托运到工地。仪器运至工地后，会同监理工程师对厂家提供的全部仪器设备进行检查和验收。对仪器进行外观检查，并用读数仪对仪器进行简单的测试，发现问题时采取进一步手段进行检查，若确认仪器存在缺陷马上与厂家联系更换事宜。将检查合格的仪器储存在干燥、通风、防盗的仓库内，避免相互挤压、碰撞，等待对仪器按规程规范进行率定检验。提交仪器设备资料包括：制造厂家名称地址；仪器使用说明书；仪器型号、规格、技术参数及工作原理；仪器设备安装及技术规程；仪器测度及操作规程；观测数据处理方法；仪器使用的实例资料。4.2. 监测仪器设备及电缆11、的检验和率定1) 检验和率定的目的监测仪器大多在隐蔽的环境下长期工作，一旦安装埋设后，一般无法再进行检修和更换，因此，必须对所有要埋设的监测仪器进行全面的检验和率定。监测使用的二次仪器仪表由于长时间的重复使用，受环境和使用操作的影响，其精度必然会受到影响，从而产生系统误差，因此必须定期进行检验校正。检验和率定的主要任务为：校核仪器出厂参数的可靠性；检验仪器工作的稳定性，以保证仪器能长期稳定工作；检验仪器在搬运过程中是否损坏；仪器设备的精度和系统误差。2) 监测仪器率定仪器率定严格按技术要求和标准规范进行严格控制，对于不符合要求的仪器设备坚决剔除，不予采用。率定合格的仪器存放在干燥的仓库中妥善保12、管。并应根据检验、率定的结果编写监测仪器设备检验、率定报告，在仪器设备开始安装前28天报送监理人审查。钢弦式仪器率定检验标准在混凝土坝安全监测技术规范DL/T5178-2003中仅明确提出仪器的相对误差1，其余参数的率定检验指标规范中没有规定。暂时按照三峡以及国内类似工程普遍使用的指标进行控制，其中分辨率2，滞后1，不重复度0.5，综合误差2.5。3) 电缆线检验电缆采取抽检的方式进行检验，抽样的数量为本批的10。其余所有电缆线进行监测和绝缘性测试。检验包括以下项目：电缆在100内无接头；用差动式仪器读数仪分别测量电缆的芯线黑、兰、红、绿、白的电阻，测值应不大于3/100。每100电缆芯线之间13、的电阻差值应不大于单芯电阻的10。（3）用500V直流电阻表测量电缆各芯线间的绝缘电阻，测值应不小于100M。电缆和电缆接头在温度为-2560；承受水压为1.0MP时，绝缘电阻不小于100M。5. 主要的施工程序5.1. 安装埋设的准备工作监测仪器安装埋设前，向监理人上报观测仪器设备安装埋设措施计划，报监理工程师审批，内容包括：安装埋设开工申请(含监测仪器率定资料)；仪器安装埋设的部位、高程坐标(桩号)及钻孔深度；埋设仪器的名称、型号、数量、编号(包括厂家编号)及合格证；埋设仪器的检验率定结果及率定资料；安装埋设技术方法及施工计划；机械设备及材料使用计划；仪器的保护方案；质量保证措施。监理工程14、师批准安装埋设计划后，进行安装埋设的准备工作，包括：仪器的最后检查、测量放点、施工场地的平整、施工道路的开挖、接通水电、材料设备的准备及修建临时设施等。5.2. 仪器埋设安装的一般要求仪器埋设中使用经过批准的编码系统，对各种仪器设备、电缆、观测剖面、控制坐标等进行编号，每支仪器均建立档案卡。严格按照批准的安装和埋设措施计划和厂家说明书规定程序和方法，进行仪器设备的安装和埋设，仪器埋设过程中，及时向监理工程师报告发生的问题，并提供质量记录。协调好建筑物施工和观测仪器埋设安装的相互干扰，将观测仪器设备的埋设列入建筑物施工的进度计划中。5.3. 监测仪器的埋设方案右坝肩边坡监测仪器安装施工程序框图见15、以下程序方框图： 施工放样、造孔、验孔电缆连接，保护监测仪器安装验收、拆除工作平台施工排架搭设及铺设风水电管道6. 主要施工措施6.1. 工作平台的搭设和加固：(1). 脚手架搭设在排架搭设前人工从上至下清理边坡松动、变形及即将脱落的岩石，剔除有断裂痕迹及丁字螺栓损坏的扣件，清除架管上的水泥、油污，将选用的扣件、架管运至坡脚。排架搭设时，采用双层排架，排架搭设层距1.5m，间距为1.5m，排距为1.5m。每隔6m打一排间距为4m的插筋(孔向：斜向岩面，长1.2m，外露0.3m，外露部分调成竖直方向，岩石部分注砂浆)，用12钢筋作拉筋，顺着岩面边搭设排架边加固。(2). 脚手架加固方案：除了采用16、插筋拉排架加固外，在排架搭设到一定高度后，在外层排架上采用剪刀架方式加固，一直将施工范围搭设完毕。为确保作业人员在架上行走安全方便，在施工相应位置铺设水平通道，通道竖直方向采用钢筋焊接的爬梯上下、水平方向铺设竹架板并采用铅丝将竹架板牢固地邦扎在排架上。脚手架需加挂网保护。6.2. 多点位移计的埋设安装按设计要求的孔径、孔向和孔深钻孔，做好钻孔记录。钻孔结束后冲洗干净，检查钻孔通畅情况，测量钻孔深度、方位、倾角。根据孔深和孔位倾角及灌浆方向标出灌浆管及排气管的位置。依据锚头位置和孔深确定传递杆、排气管和灌浆管的长度、在室内配好传递杆和PVC护管进行预安装，并将配好的传递杆和PVC护管分别编号，待17、安装。将预埋安装管用膨胀螺丝固定在孔口，调整预埋管的位置，使预埋管与钻孔同轴，然后用水泥砂浆固定。由多人将组装好的多点位移计整体托起，并逐段向孔内送进，传递杆PVC护管的各接头牢固连接。注意在放入过程中，杆系不能有过大的弯曲，不能用力牵拉，以防传递杆折断。全部锚头和测杆送入孔内后，再安装测头，将测杆从相应的测头导向孔内穿出，旋在相应的传感器上，扭紧锁定螺丝，用水泥砂浆封孔。待水泥砂浆凝固后，进行封孔灌浆，灌浆材料为0.5水灰比的纯水泥浆，灌浆压力不大于0.5MPa。由于灌浆管的内径为直径16mm的柔性管，必须一次性灌满，浆体一定要过筛，以防水泥块及其它杂物堵塞灌浆管。浆液终凝24小时后打开孔口18、装置，经检测合格，将电缆引出，然后安装保护罩和孔口保护盖。6.3. 锚杆应力计的安装根据设计所采用的锚杆直径选用相同规格的钢筋计。根据设计的要求造孔。钻孔直径大于锚杆应力计最大直径，钻孔平直，其轴线弯曲度应小于钻孔半径。钻孔方位符合设计要求。冲洗干净钻孔，并防止孔壁沾油污。将钢筋计与锚杆焊接，焊接采用对焊，坡口焊或熔结焊，锚杆应力计与锚杆保持同轴。组装检测合格后，将焊接的观测锚杆缓慢地送入钻孔内。在安装时，确保锚杆应力计不产生弯曲，电缆和排气管不受损坏，锚杆的根部与孔口平齐。锚杆应力计入孔后，引出电缆和排气管，装好灌浆管，用水泥砂浆封闭孔口。安装检测合格后，进行灌浆埋设。水泥砂浆配合比为：灰砂19、比为1：11：2，水灰比0.380.40。灌浆时，在设计规定的压力下进行，灌至孔内停止吸浆时，持续10分钟后结束。待砂浆固化后，测其初始值。6.4. 电缆牵引和保护加强电缆保护是保证仪器完好性的一个重要方面。施工过程中，将采取一系列有效措施避免电缆不被人为、机械或其他自然因素所破坏。电缆拟穿PVC保护管埋设牵引，在电缆临时堆放处加保护箱并作醒目标记，发现电缆破损立即修复或更换，条件具备时尽早将电缆引入观测站。6.5. 声波测试1）声波测试原理声波测试是一种方法灵活、快捷、低投入、技术含量高的无损检测技术，在建筑工程质量控制和地质勘察中得到广泛应用。声波测试是弹性波法检测开挖爆破对岩体破坏影响程20、度的主要方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，该方法是以人工激振的方法向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，来研究介质的性态。理论研究表明声波波速和介质性态有如下关系：式中：Vp纵波（P波）波速 E介质的弹性模量 介质的泊松系数介质密度依据声波波速的测定结果，参照水利水电工程物探规程(SL326-2005)规定，可以评定爆破开挖对岩体介质的破坏深度或基础岩体质量完整性。2）爆破破坏范围试验方法爆破破坏范围试验采用钻孔声波法进行检测，采用单孔法和跨孔法检测围岩21、声波速度，分析判断爆破对围岩垂直影响深度。由于直达波法具有探测范围大、抗干扰能力强、波形清晰、易于辨认等优点，爆破破坏试验范围检测采用直达波法进行声波检测，测试方法见图1。声波检测仪器选用RS-ST01C非金属智能岩石声波参数测定仪。在边坡已开挖完成后的建基面每隔30米布置1个声波测试断面，每个断面布置1个测点，声波测试孔单孔深5米，孔径为60，从孔口位置略向下倾斜5（见图2）。量测时根据孔倾斜情况向孔内注水作耦和剂，自孔底向孔口方向施测，测点间距为20cm。发射接收1接收2水声波仪电 脑气囊图1 声波检测现场联结示意图 图2 测点平面布置图 3）声波测试仪器性能检测仪器主要采用武汉岩海公司生22、产的RS-ST01C非金属声波检测仪，配岳阳奥成科技公司生产的50KHZ压电陶瓷一发双收径向换能器。RS-ST01C非金属智能声波检测仪集电子技术、计算机技术、声波发射技术于一体，是低耗、高效、稳定、便携的新一代智能化测试仪。其主要技术指针：（1）声时测读精度：（2）声幅准确度： （3）采样间隔： （4）幅值分辨率：8位 （5）单道采样长度：0.5K、1K、2K （6）频带范围：声波仪测试原理如图3所示。声波发射系统声波在介质中传播、受其结构、物理力学性能接收换能 器声波记录系统声波分析系统及微机接口 图3 声波测试原理框图4） 声波测试成果提交采用声波检测，可以做到密集、详细检测。检测时，由23、孔口至孔底（或反之），每隔0.2m乃至0.1m测读直达纵波的传递时间，用两测点之间的距离算出波速，作出孔深波速曲线；根据曲线的转折情况找出原岩体和松驰层的分界，划定松驰层的厚度，并结合工程爆破施工作业按照规范和业主的设计要求及时测试并指导边坡爆破参数的调整。7. 施工期观测及资料的整编(1)各监测设施埋设安装完毕后，及时对观测设施进行测试、校正，记录各测点的初始值。施工期观测做到“四无”，即无缺测、无漏测、无不符合精度、无违时；“四随”，即随时观测、随时记录、随时计算、随时校核；“四固定”，即人员固定、仪器固定、测次固定、时间固定。(2)各类数据均存入计算机进行数据处理，及时将观测物理量转换成24、相应的温度、位移等物理量，并绘制时间过程线和相关曲线。(3)每月向监理工程师报送观测资料和成果。(4)认真搞好巡视检查，汛期及特殊情况下应加密观测频次。(5)严格按规程规范的频次要求进行观测。8. 施工质量、安全、文明保证措施8.1. 工期保证措施仪器埋设自2011年2月20日正式开始，按照工程进度及时完成施工任务。8.2. 施工质量保证措施(1). 安全监测施工是一个系统工程，从仪器订购、率定检验、电缆联接到安装埋设、电缆牵引、设施保护及观测反馈，每一个环节都密切相关，十分重要，为了保证仪器长期稳定工作，必须对每一个环节进行严格把关。(2). 按照相关的规程、规范及业主、设计、监理要求制订的25、适合本工程的观测细则必须严格执行。(3). 严格按ISO9000质量体系运行，及时纠正工作中的各种缺陷，避免不合格产品的发生。(4). 加大进场人员培训力度，从规程规范、设计要求、设计图纸、规章制度安全生产等方面进行培训，并保证进场人员相对稳定。(5). 制定质量奖罚制度，对工作中的缺陷进行处罚，并落实到人，同时对优良工程单元进行奖励并逐步加大比例。8.3. 安全保证措施边坡仪器埋设多属于高空作业。因此必须采取切实可行的措施以确保安全。(1)建立健全以项目经理为第一责任人的安全文明施工领导小组，设置专职安全员，建立严格的安全管理制度及严格的安全奖惩措施。(2)仪器埋设施工前对所有参与该项目施工26、的人员进行必要的岗前培训，只有经培训合格的人员才能持证上岗作业。(3)施工人员进入施工现场严格按劳保着装，班前进行安全施工技术交底，每日进行安全巡检，每月进行安全考核，奖惩月月兑现。对不服从安全人员检查，拒不执行安全施工的人员严肃处理，对存在安全隐患的施工部位，工序等必须责令整改后施工。(4)施工前检查作业区边坡以及脚手架的稳定情况，必要时进行适当处理。(5)经常检查施工电源、线路及设备电器部分，按有关规定设置保护装置，确保用电及埋设仪器安全。(6)注浆泵、张拉设备高压油泵等承压设备或容器，使用前须全面检查，满足安全要求后再投入使用，在使用过程中如发现压力表失灵和损坏，应及时更换并经常检查易损27、部位，发现后要及时处理。(7)严格按照符合设计技术要求并经监理工程师批复的原型观测施工程序组织生产，严禁违反施工程序施工，以免造成边坡失稳，崩塌等重大事故的发生。9. 文明施工与环境保护(1). 施工期间必须作到文明施工；(2). 进入施工现场，必须佩带安全帽，着装安全、整洁，服从指挥；(3). 施工现场严禁嬉戏打闹，大声喧哗、随地大小便等；(4). 现场合理安装、布置设备、机具、管路，做到现场整洁，施工秩序井然；(5). 注意设备维护保养，保持设备外观整洁、运行正常；(6). 保证施工现场整洁，现场施工废水、废浆集中排放至指定地点，严禁废水、废浆满地漫流；(7). 施工用电、照明用电线路有序28、布设；(8). 有毒有害材料必须按照规定使用、保护，防止伤人、污染环境；(9). 生活垃圾集中堆放，并定期运至场外指定地点；(10). 施工现场工完料净，场地清洁整齐，无弃物；(11). 维护正常交通，控制施工噪音，不对交通和邻近设施进行干扰；(12). 遵守国家和地区环境保护的各种条例。附1：监测仪器厂家资料厂家简介XX仪器（北京）有限公司 地址：XX仪器（北京）有限公司于2002年通过了ISO9001认证；并连续两年被房山区政府评为十佳外资企业，并被北京市科委认定为高新技术企业；2003年获得北京市守信企业光荣称号。 作为中国大坝安全监测委员会委员单位，XX仪器（北京）有限公司是国内专业从29、事水电工程安全监测最有声望的公司之一，是目前国内最大的水利水电安全监测仪器供应商。多年来，公司产品的成功应用、卓越的产品质量和及时有效的技术支持赢得了所有用户的好评。XX仪器（北京）有限公司和遍布全国的数十家代理、技术服务商本着客户至上、质量为本、服务第一、诚实守信的原则，为所有用户提供最高质量的产品和最优质的服务。技术介绍振弦传感器的工作原理是源于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比，这种基本关系可以用来测量多种物理量如应变、荷载、力、压力、温度和倾斜等。 振弦传感器较一般传感器的优点就在于传感器的输出是频率而不是电压。频率可以通过长电缆（2000米）传输，不会因为导线电阻30、的变化、浸水、温度波动、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减。除此之外，再加上XX独特工艺的设计和制造，XX的振弦式传感器均具有极好的长期稳定性，特别适于在恶劣环境中的长期监测。XX制造的仪器主要用于监控工业和民用结构的安全和稳定性，例如大坝、隧洞、矿井、基础、桩基、筑堤、挡土墙、边坡、滑坡体、地铁系统、地下厂房、桥梁、涵洞、管线、竖井、泥浆墙、支撑式坑道、横梁、核废料仑库、地下管网系统以及类似的用途。 XX设计制造全系列岩土工程仪器，包括收敛计、压力计、应变仪、钢筋计、测缝计、裂缝仪、位移计、测力计、荷载盒、沉降传感器、土压力计、混凝土应力计、倾斜仪，数据记录仪以及其它根据用户要求特制的31、产品。资质及业绩质量管理体系认证证书XX仪器（北京）有限公司管理体系符合ISO 9001：2000标准。该管理体系适用于钢弦式压力传感器、钢弦式位移传感器、钢弦式负载传感器的设计、开发、生产和服务；振弦传感器读数仪的销售和服务XX仪器（北京）有限公司已于2002年7月3日获得该质量管理体系认证证书。附2：振弦式传感器的工作原理及其特点1. 概述 振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，32、有着突出的优越性： (1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。 (2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。 为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英33、国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。 2. 工作原理 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。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变34、化量，即可表征受力的大小。 现以双线圈连续等幅振动的激振方式，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。 振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定； 式中，f 0 初始频率； L钢弦的有效长度i p一-钢弦材料密度； o 钢弦上的初始应力。 由于钢弦的质量m、长度L、截35、面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f 0 ；当施加外力(即被测力应力或压力)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，这时初频也随之增加或减少。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的力应力或压力值等。 3. 振弦的激振方式 振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。振弦激振的方式分为间歇触发激振和等幅连续激振。 3.1 问歇触发激振 目前，单线圈形式的振弦传感器，均采用间歇触发的激振方式。如图2所示，由张驰振荡器产生激振脉冲，当脉冲信号发出，则吸动继电器，36、通过常开触头，将触发电压加于振弦传感器的激振线圈上，产生电磁力，吸动钢弦；当脉冲终止时，继电器释放，松开钢弦，从而产生自由振动并切割磁力线，在激振线圈中产生感应电势，通过继电器常闭触头输入测试仪器，测得钢弦的振动频率。 3.2 等幅连续激振 采用这种激振方式的振弦传感器具有激励和接收两组带磁钢的电磁线圈，与放大电路、反馈和稳幅电路组成等幅的振荡器。在开启电源时激励钢弦，钢弦切割磁力线而在接收线圈中产生感应电势，将其输出放大，并反馈到激励线圈补足能量，不断循环。在稳幅电路限制的反馈量下，达到等幅连续振荡的激振方式，萁振动频率即为钢弦的自振频率。 两种技术的构成不同，带来一些性能上的差异。一般而言37、，“拨振”-单线圈方式由于在传感器内的电子部件降低到最低限度，传感器的可靠性及耐恶劣环境性都更好一些；同时，由于只采用一个线圈，传感器的体积可以做得很小(而自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便容纳两个线圈)；此外，由于单线圈振弦仪器只需两芯电缆，总体费用也更便宜。而“自动谐振”-双线圈方式的优点是可通过高速计数技术或把频率转换成电压方式在一定范围可进行动态应变测量(通常动态信号输人频率限制在大约1OOHz内，这主要取决于传感器的谐振频率)。自动谐振”技术的另一优点是可以使用通用的频率计和数据记录仪即可读取其它制造商的自动谐振传感器的数据。 4. 振弦式传感器的特性 4.1 非线性 由(1)式可知38、，振弦式传感器的特性曲线是非线性的，测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定，是相当麻烦的。因此，必须进行线性回归，作线性化处理。在选择了较佳的传感器工作频段时，从实测数据对比，其线性误差可小于2，能较为简便地适应自动测试分析，也能保证较高的测试精度。 4.2 灵敏度 由(1)式可知，灵敏度与弦长L成反比,将(1)式平方，取对数再求导数， 上式表示相应于单位应力增量引起基频的改变量，称为振弦的灵敏度。由上式可见，要提高灵敏度最有效的办法是缩短弦长，同时在保证振弦能稳定起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。此外，采用细弦，减小抗弯刚度，也可以提高灵敏度。但振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故钢弦39、不能过短，弦长与直径之比应大于200，般在300-400之间为宜。 4.3 温度影响 由于传感器零件的金属材料膨胀系数的不同，造成了温度误差。为减小这一误差，在零件材料选择上，除尽量考虑达到传感器机械结构自身的热平衡外，并从结构设计和装配技术上不断调整零件的几何尺寸和相对固定位置，以取得最佳的温度补偿结果。实践结果表明，传感器在-10 -55 使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5Hzl0。 4.4 稳定性 振弦式传感器是机械结构式的，它不受电流、电压、绝缘等电参数的影响，因此，零点稳定。这是这类传感器的突出优点。但若材料选择处理不当，由于残余应力、蠕变等因素，会严重影响传感器的稳定性。为了40、提高振弦式传感器的长期稳定性，必须严格选择材料、工艺处理、加工方法并进行时效处理，才能保证其良好的稳定性。 4.5 滞后性 由于振弦式传感器是机械结构式的，以钢弦为转换元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静态和不大于1 0Hz的准动态测试。 5. 振弦传感器的主要技术指标 1)指标 (1)回差：士05(20士 5 ) (2)重复差：士O5(20士 5 ) (3)稳定误差：士1O (4)使用温度范围：-10+ 55 (5)温度附加误差：士O25l 0 (1.5Hz 10 ) (6)灵敏度：士O.10 (7)能抗与奥斯特外磁场干扰 (8)能抗颠振 6. 材料选择与工艺处理 振弦传感器的材料选择与41、工艺处理直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性，因此，必须进行认真的选配和严格的工艺处理。 1) 材料选择的原则 (1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同； (2)选用弹性模量低、弹性极限高的材料，通过工艺处理，能保证在最大载荷下，材料弹性变形在材料变形极限的l312以下； (3)弹性元件的抗蠕变能力好； (4)弹性元件的残余应力小； (5)材料成本低、性能稳定、工艺处理简便； (6)选用材料经处理后，其机械性能应尽可能接近被测材料。 2) 工艺处理要求 在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量，以保证最大载荷时材料的弹性变形为材料弹性极限的三分之一左右。对各零件材料的抗蠕变能力及42、残余应力、加工应力应变等都进行了较合理的工艺处理。同时通过各种试验，确定了合理的结构，选择了最佳频段，使传感器性能稳定，取得了良好效果。综合技术性能比较理想，选到了技术要求和设计目的。 工艺处理要点：(1)材料的调质热处理使材料晶粒改变，内部结构均匀，强度增高，尺寸稳定，提高抗蠕变能力并消除内应力；(2)控制加工进刀量，减小加工应力；(3)加工完成的传感器零件，进行中温回火处理，以消除加工应力； (4)传感器零件进行冷冻处理，使材料组织内少量残余奥氏体几乎全部变为稳定的马氏体组。以提高稳定性； (5)传感器装配前形变弹性体应超载张拉；(6)传感器总装完成后，应进行反复加、卸载试验； (7)严格43、防水密措施、防震措施； (8)在烘箱内进行长时间加速时效处理。 7. 振弦式传感器的测量系统 振弦式传感器通过激振电路激振后，输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪，进行测频或周期的测试。也可通过频率电压转换器或接口转换，输送给打印机、函数记录仪、光线示波器、微机等进行数据处理、记录存储。传感器选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1)根据测量对象与测量环境确定传感44、器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2)灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变45、化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3)频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性46、的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差 4)线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5)稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化47、的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6)精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。