基于振弦式傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的測(cè)值可靠性評(píng)價(jià)

李躍鵬

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410014）

0 引言

近年來(lái)，隨著安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用，很多工程具備了一定的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警能力。正確及時(shí)的預(yù)警一方面有賴于監(jiān)測(cè)資料分析，同時(shí)也需要以監(jiān)測(cè)測(cè)值的可靠作為基礎(chǔ)。尤其是對(duì)于諸如在施工期、汛期等建筑物工況變化迅速的場(chǎng)合，往往希望能夠短期或者實(shí)時(shí)的對(duì)監(jiān)測(cè)測(cè)值進(jìn)行反饋，而此時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系列偏短或者監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)過多無(wú)法短時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)的資料分析的情況，監(jiān)測(cè)測(cè)值的可靠性對(duì)預(yù)警結(jié)論的影響加大，且不具備通過監(jiān)測(cè)資料分析進(jìn)行測(cè)值可靠性評(píng)價(jià)的條件，這就需要傳感器在測(cè)量中同時(shí)能夠得到有關(guān)測(cè)值可靠性的信息[1]。

常用的監(jiān)測(cè)手段中，測(cè)繪測(cè)量一般具有閉合差等一系列系統(tǒng)的指標(biāo)用于評(píng)價(jià)測(cè)值的可用性，差阻式傳感器也可以通過測(cè)量正反測(cè)電阻比的手段排查傳感器故障，而振弦式傳感器一般仍只能依靠測(cè)量?jī)x器的線圈電阻、絕緣電阻等離線檢測(cè)手段排查儀器故障，在實(shí)踐中缺乏類似其他測(cè)量手能夠直接給出測(cè)值可靠性的功能，需要進(jìn)一步完善。

1 測(cè)值可靠性評(píng)價(jià)手段現(xiàn)狀

重復(fù)讀數(shù)是進(jìn)行測(cè)值可靠性評(píng)價(jià)的最基本且簡(jiǎn)單易行的手段，也得到了普遍的采用，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)系統(tǒng)地給出了各類儀器連續(xù)觀測(cè)的讀數(shù)差別允許值，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)值可靠性問題起到重要作用。

監(jiān)測(cè)資料分析可對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行判斷，也能夠發(fā)現(xiàn)測(cè)值的可靠性問題，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的基本前提是物理量變化具有連續(xù)性和規(guī)律性，含有一定的主觀性。

上述兩種手段基本適用于所有類型的監(jiān)測(cè)儀器，但均需要通過多次測(cè)值進(jìn)行分析，部分類型的監(jiān)測(cè)儀器具備對(duì)每次測(cè)值提供有關(guān)測(cè)值可靠性的信息的能力，例如光學(xué)測(cè)繪手段可以通過觀測(cè)過程取得的互差、閉合差、中誤差[]等指標(biāo)來(lái)確定測(cè)值的可用性；而GNSS系統(tǒng)能夠通過同步有效監(jiān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星分布象限數(shù)[]等參數(shù)在一定程度上反映測(cè)值的可靠性；差阻式傳感器可以同時(shí)進(jìn)行正反測(cè)電阻比、芯線電阻等方法來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)值的可靠性；水管式沉降儀可以通過水位恢復(fù)時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)值的可靠性。滿足上述指標(biāo)一般都是測(cè)值可靠的必要條件，指標(biāo)超限即反映了觀測(cè)條件未得到滿足，能夠確定地顯示測(cè)值存在可靠性問題。

振弦式傳感器除可通過多次測(cè)值評(píng)價(jià)測(cè)值可靠性外，還可利用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)試線圈及電纜的總直流電阻以判斷傳感器系統(tǒng)直流通路的好壞，進(jìn)而給出電纜或線圈是否斷線的結(jié)論。但該方法仍有局限性，原因在于，振弦式傳感器是以交流的頻率信號(hào)代表物理量，而電阻并不是制約讀數(shù)精度的決定性因素。例如對(duì)一般的振弦式傳感器，線圈電阻在300Ω左右，電纜的電阻可以在0～1000Ω的范圍內(nèi)變化而傳感器仍能正常工作。實(shí)踐中除非測(cè)試到電阻在100kΩ以上，可以明顯確定是斷線故障，在電阻值不是明顯異常的情況下，使用萬(wàn)用表無(wú)法給出儀器工作是否正常的確切結(jié)論；另一方面，萬(wàn)用表僅能測(cè)出直流電阻，而頻率信號(hào)的衰減是與交流阻抗相關(guān)，直流電阻不能完全代表電纜傳輸信號(hào)的性能，容易造成誤判。因此在實(shí)際使用萬(wàn)用表測(cè)試時(shí)，有些儀器的電阻很大，但仍讀數(shù)正常，而有些電阻測(cè)值正常的儀器卻無(wú)法讀數(shù)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷儀器是否失效，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)在接入讀數(shù)儀的情況下進(jìn)行在線測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)值是否可靠。

2 振弦式傳感器系統(tǒng)的電學(xué)模型

振弦式傳感器系統(tǒng)的基本組成部分包括傳感器、信號(hào)電纜及讀數(shù)儀表。其中，傳感器一般由一個(gè)可以振動(dòng)的鋼弦、激振線圈以及固定端組成，線圈兩端通過信號(hào)電纜引出。

傳感器所測(cè)物理量如應(yīng)力、壓強(qiáng)等可改變鋼弦固有自振頻率，可由讀數(shù)儀表通過信號(hào)電纜連接傳感器進(jìn)行測(cè)量。一般是讀數(shù)儀表首先通過信號(hào)電纜在傳感器線圈兩端施加一個(gè)激振信號(hào)，傳感器內(nèi)鋼弦受迫振蕩，并于停止施加激振信號(hào)后繼續(xù)振蕩。此時(shí)，鋼弦的機(jī)械振蕩通過線圈轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電信號(hào)，通過電纜回傳至讀數(shù)儀。通過讀數(shù)儀對(duì)信號(hào)計(jì)頻，即可測(cè)得鋼弦的自振頻率。一般該頻率的范圍是500～5000Hz，相應(yīng)信號(hào)電壓幅度在1mV左右，而激振信號(hào)電壓幅度一般在5V以上。

從上述振弦式傳感器的工作過程來(lái)看，存在電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的過程，其過程比較復(fù)雜，而對(duì)于電纜的另一端的讀數(shù)儀表來(lái)講，完全是通過電信號(hào)來(lái)完成整個(gè)測(cè)量過程，從評(píng)價(jià)測(cè)值可靠性這一目標(biāo)來(lái)看，比較可行的手段也是著手于電纜另一端的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為簡(jiǎn)化分析，并結(jié)合可能的電學(xué)故障特征，將振弦式傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖1所示的模型。

圖1 振弦式傳感器的電學(xué)模型

其中，振弦式傳感器可簡(jiǎn)化為電容器C、電感器L和電阻器r，共同構(gòu)成了LC阻尼振蕩電路，其振蕩頻率f0由電容器C和電感器L確定，r代表阻尼振蕩過程的阻尼元件，用于表征傳感器內(nèi)部工作特性；信號(hào)電纜可簡(jiǎn)化為阻抗網(wǎng)絡(luò)Z，主要包括電纜芯線形成的電阻和電感以及電纜芯線間形成的電阻和電容；讀數(shù)儀表可簡(jiǎn)化為電阻器R和交流信號(hào)電壓源E，其中R代表讀數(shù)儀表感應(yīng)信號(hào)測(cè)量電路的輸入電阻，E代表讀數(shù)儀的激振信號(hào)輸出電路。

在該模型中，當(dāng)交流信號(hào)電壓源E通過阻抗網(wǎng)絡(luò)Z給LC振蕩電路起振后，電路內(nèi)產(chǎn)生交變電壓，通過阻抗網(wǎng)絡(luò)Z傳遞至輸入電阻R，則R兩端的電壓頻率即為L(zhǎng)C振蕩電路的振蕩頻率f0。

3 表征振弦式傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的電學(xué)特性

由電學(xué)模型的分析可知，想準(zhǔn)確的測(cè)量LC振蕩電路的振蕩頻率f0，一方面需要保證輸入電阻R兩端的交變電壓頻率為f0，另一方面需要保證準(zhǔn)確測(cè)量輸入電阻R兩端的交變電壓頻率。

輸入電阻R兩端的交變電壓頻率不為f0的可能原因有：

a)外界干擾頻率的振幅過大，淹沒了頻率f0的信號(hào)；

b)阻抗網(wǎng)絡(luò)Z對(duì)f0頻率下的信號(hào)衰減過多，使得激振信號(hào)或者感應(yīng)信號(hào)無(wú)法傳遞；

c)電阻器r的阻值過大，使得振蕩電路的振蕩頻率嚴(yán)重偏離LC振蕩電路的理論振蕩頻率f0；

d)LC振蕩器的組成元件不正常。

輸入電阻R兩端的交變電壓頻率無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的可能原因有：

a)輸入電阻R兩端頻率信號(hào)f0的電壓幅度過??；

b)輸入電阻R兩端頻率信號(hào)f0的電壓幅度衰減過快；

c)輸入電阻R自身故障。

為了能夠準(zhǔn)確、客觀的描述上述現(xiàn)象，以及上述現(xiàn)象所代表的的工作狀態(tài)，特引入如下電學(xué)特性：

a)阻抗網(wǎng)絡(luò)Z的電阻：其過小或過大，表明回路中存在短路或斷路，會(huì)影響傳感器正常接收激振信號(hào)，以及讀數(shù)儀接收感應(yīng)信號(hào)；

b)LC振蕩器的感性電抗：其過小，表明傳感器線圈內(nèi)部短路，影響激振與感應(yīng)信號(hào)拾取；

c)阻抗網(wǎng)絡(luò)Z的容性電抗：其過小，表明傳輸線路存在交流短路，會(huì)影響感應(yīng)信號(hào)的傳輸；

d)輸入電阻R兩端波形幅度：代表感應(yīng)信號(hào)的幅度，其過小會(huì)影響頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度；

e)輸入電阻R兩端波形的典型幅度范圍的持續(xù)時(shí)間：感應(yīng)信號(hào)為幅度隨時(shí)間衰減的信號(hào)，當(dāng)幅度低于讀數(shù)儀所能接受的最低幅度，則讀數(shù)儀無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)頻，因此該特性過短會(huì)影響頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度；

f)輸入電阻R兩端波形的衰減速率：可與典型幅度范圍的持續(xù)時(shí)間對(duì)照使用，衰減速率能反映傳感器和傳輸線路的特性，而典型幅度范圍的持續(xù)時(shí)間側(cè)重于感應(yīng)信號(hào)能否滿足讀數(shù)儀的要求，衰減速率過大同樣會(huì)影響頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度；

g)輸入電阻R兩端電壓的信噪比：其過小表明感應(yīng)信號(hào)被其他信號(hào)淹沒，影響測(cè)值穩(wěn)定性；

h)輸入電阻R兩端電壓的頻譜：過于凌亂表明感應(yīng)信號(hào)被其他信號(hào)干擾，或者振蕩不穩(wěn)定，均會(huì)影響測(cè)值的穩(wěn)定性。

上述電學(xué)特性均能直接反映傳感器的工作狀態(tài)，因而在測(cè)試過程中一旦某電學(xué)特性取得異常結(jié)果，即可得出傳感器測(cè)量精度受到影響或者已經(jīng)失效的結(jié)論，達(dá)到評(píng)價(jià)測(cè)值可靠性的目的。

4 振弦式傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的在線評(píng)價(jià)

對(duì)于一般的振弦式傳感器系統(tǒng)而言，其感應(yīng)信號(hào)的電壓幅度僅為mV級(jí)，而線路上不但存在高達(dá)幾V甚至上百V的激振信號(hào)，且夾雜大量干擾信號(hào)，因此測(cè)量過程中，在不替換傳感器系統(tǒng)組件的情況下，很難使用示波器、頻譜儀以及電橋等常規(guī)測(cè)試儀表采集到上述電學(xué)特性信號(hào)。

為了解決這一問題，專門研制了在傳感器讀數(shù)過程中實(shí)現(xiàn)電學(xué)特性信號(hào)測(cè)量的電路，并采集到了一些正常或異常傳感器的信號(hào)波形，見圖2所示，實(shí)現(xiàn)了振弦式傳感器系統(tǒng)工作狀態(tài)的在線評(píng)價(jià)，可為測(cè)值的可靠性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

圖2 振弦傳感器不同測(cè)試條件下的信號(hào)波形

5 結(jié)語(yǔ)

利用振弦式傳感器系統(tǒng)的電學(xué)特性來(lái)評(píng)價(jià)工作狀態(tài)和測(cè)值可靠性目前還處于嘗試階段，尚有待改進(jìn)：首先上述假定的電學(xué)模型是基于傳感器的某些特定故障而建立的，相信隨著對(duì)傳感器系統(tǒng)故障機(jī)理的進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)，將會(huì)提出更加完善的電學(xué)模型；目前僅提出了一些電學(xué)特性對(duì)觀測(cè)精度和測(cè)值可靠性的定性影響，下一階段希望能夠通過對(duì)各型振弦式傳感器系統(tǒng)在各種條件下電學(xué)特征值的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)得到定量的電學(xué)參數(shù)值，為精確判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)提供依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)[2]。

本文旨在提出一些思路供拋磚引玉，希望能進(jìn)一步對(duì)測(cè)值可靠性評(píng)價(jià)工作進(jìn)行深入研究，為監(jiān)測(cè)資料分析和預(yù)警工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。