CN113108734A - 一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法，利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，且分别施加两次相反的测量电压，根据两次测量的电阻值变化判断热敏电阻的接入方式；利用读数仪向传感器施加测频信号，使钢弦共振并采集返回的信号，计算出钢弦自振频率值；利用热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式测得热敏电阻的实时阻值；根据热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式，计算当前的实时温度；根据应变校正公式消除环境温度对频率测量的影响，并计算钢弦当前的应变值；本发明通过向振弦传感器内部线圈串联热敏电阻实现了两线制测频测温功能，同时有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

Description

一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及振弦传感器技术领域，具体涉及一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法。

背景技术

振弦式传感器也叫做钢弦式传感器，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。钢弦式传感器具有结构简单、坚固耐用、抗干扰能力强(近距离)、测值可靠、精度与分辨力高和稳定性好等优点；其输出为频率信号(一般为mV级正弦波)，广泛应用于岩土、混凝土、钢结构工程测试中。

钢弦和制作振弦传感器的材料均会受到温度变化的影响而产生胀缩，故此温度变化会影响到钢弦的频率，而钢弦的振动频率会受到环境温度的影响，必须加以屏蔽消除，否则会严重降低传感器测量精度。

但是现有的振弦传感器还存在的缺陷如下：

(1)利用热敏电阻NTC监测实时温度，热敏电阻NTC和振弦传感器本身的数据引出线大多为三线制或者四线制，由于在振弦传感器的应用过程中，每个传感器的线缆长度一般为几十米甚至数百米，线缆往往占整个传感器成本的30％～70％；

(2)在不明确热敏电阻的连接方式时，热敏电阻的计算方式容易出现错误。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法，以解决现有技术中带有温度检测功能的三线制或者四线制振弦传感器的线缆成本高，在不明确热敏电阻的连接方式时，热敏电阻的计算方式容易出现错误的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种带有温度检测的两线制振弦传感器，包括两端被固定的钢弦以及靠近所述钢弦设置的激励应答线圈，所述激励应答线圈通过线缆连接有读数仪，所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上电性连接有一个用于监测环境温度的热敏电阻NTC。

作为本发明的一种优选方案，所述热敏电阻NTC串联在所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上，所述热敏电阻NTC的两端并联有电容，所述激励应答线圈与所述电容所在的线路形成LC电路，所述热敏电阻NTC选择正温度系数热敏电阻NTC或负温度系数热敏电阻NTC的任一个，所述正温度系数热敏电阻NTC的电阻值随着温度的增大而增大，所述负温度系数热敏电阻NTC的的电阻值随着温度的增大而减小。

作为本发明的一种优选方案，所述热敏电阻NTC的两端并列在所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上，且所述线缆与所述读数仪的连接端分为A端点和B端点。

作为本发明的一种优选方案，所述激励应答线圈所在的线路并联有二极管D1，所述热敏电阻NTC所在的线路并联有二极管D2，且所述二极管D1和二极管D2的安装方向相反；

所述热敏电阻NTC所在的线路连接有用于测量测线电阻的PMOS管，且所述PMOS管串联有稳压电阻R0，所述PMOS管和所述稳压电阻R0的引出端分别与所述热敏电阻NTC和所述二极管D2的引出端并联；

所述热敏电阻NTC与所述二极管D2之间设有参考电压芯片，且所述参考电压芯片产生的电压为VREF，所述PMOS管的开关电压为VGS。

作为本发明的一种优选方案，所述读数仪内设有线路切换器，所述线路切换器用于调控更换所述A端点和B端点的电压极性，且所述线路切换器将测量电路改为频率测量电路和温度测量电路，且所述频率测量电路和温度测量电路对应的所述A端点和B端点的电压极性相反以分别测量频率和温度。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种两线制振弦传感器的工作方法，包括如下步骤：

步骤100、利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，且分别向A端点和B端点施加两次相反的测量电压，根据两次测量的电阻值变化判断热敏电阻的接入方式；

步骤200、将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式，根据判断的热敏电阻接入方式确定读数仪的工作方式，利用读数仪向传感器施加测频信号，使钢弦共振并采集返回的信号，计算出钢弦自振频率值f；

步骤300、利用热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式测得所述热敏电阻的实时阻值；

步骤400、根据热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式，计算当前的实时温度；

步骤500、根据应变校正公式消除环境温度对频率测量的影响，并计算钢弦当前的应变值。

作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，测量出整个传感器的总电阻R，传感器总电阻R通过读数仪实时读取，且R_C和R_L为已知常数，具体的传感器总电阻R计算公式为：

R＝R_C+R₁+R_L；

其中，R_C为线圈电阻；R_L为线缆电阻；R₁为热敏电阻实时阻值；

(2)发送交变的频率信号f施加到传感器，使激励应答线圈和电容形成的LC电路产生谐振，所述读数仪发送交变的频率信号f使得LC电路的谐振频率与钢弦的自振频率相近，且在所述读数仪在激励过程中施加的交变信号接近所述钢弦的自振频率时，所述电容等效于导线，此时所述读数仪获取的所述传感器的线缆电阻与激励应答线圈电阻之和作为电阻有效值R_LC，所述传感器的电阻有效值R_LC计算公式为：

R_LC＝R_C+R_L；

(3)将总电阻R与电阻有效值R_LC的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，所述热敏电阻的实时电阻R₁为：

R₁＝R-R_LC。

作为本发明的一种优选方案，将读数仪的工作方式设置为热敏电阻并联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪内的线路切换器将测量电路改为温度测量电路，A端点为负极且B端点为正极，且向B端点施加电压V1且调控所述读数仪的输出电压值V1所在范围V1＞V_REF且V1＜V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于截止状态，所述读数仪读取此时的线路电阻R_AB1＝R+R_L，其中，所述R为热敏电阻的实时阻值，所述R_L为线缆阻值；

(2)保持A端点为负极且B端点为正极，向B端点施加电压V2且调控所述读数仪的输出电压值V2所在范围V2＞V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于导通状态，此时的所述读数仪读取的A端点和B端点之间的线路电阻R_AB2＝R_L+RO；其中，所述R_L为线缆阻值，所述RO为稳压电阻的已知阻值；

(3)将R_AB1和R_AB2的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，利用热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式计算当前的实时温度，所述热敏电阻的实时阻值计算方式为：

R₁＝R_AB1-R_AB2+RO。

作为本发明的一种优选方案，在步骤600中，所述热敏电阻实时测量到的电阻值与温度具有一一对应关系，热敏电阻的电阻值与温度的转化公式具体为：

其中，T_NTc1为热敏电阻的实时温度；R_NTC0为热敏电阻在25℃下的电阻值；R_NTC1为实时电阻值；B为热敏材料的温度常数；T_NTC0为标称温度，具体为25℃。

作为本发明的一种优选方案，在步骤500中，应变校正公式具体为：

其中，ε为钢弦的应变；k_c为与钢弦本身的参数相关的常数，f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为钢弦受力后的实时频率值；Δt为传感器内部的温度改变量，α为钢弦的热膨胀系数；

应变校正公式的具体计算过程为：

(1)钢弦应力与其共振频率满足公式：

式中f为钢弦的频率值；L为钢弦长度；T为钢弦所受到的张力；ρ为钢弦材料的密度；

(2)转化(1)中的公式得到钢弦张力：T＝4×ρ×L²×f²＝k×f²；式中f为钢弦受力后的实时频率值

(3)当所述钢弦受到外力产生变形时，钢弦张力改变量ΔT可由下式计算得出：

式中f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为读数仪测得的钢弦自振频率值；

(4)由应变公式

结合(3)得到的ΔT，可计算得到：

式中E表示钢弦弹性模量，A为钢弦截面积，k为4×ρ×L²；

(5)当钢弦的环境温度改变或者钢弦受到外力产生长度变化时均会导致频率值的变化，通过补偿温度变化为应力的影响，得到：

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

(1)本发明通过向振弦传感器内部线圈串联热敏电阻以及并联热敏电阻作为温度传感器的方法，实现了两线制测频测温功能，有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响；

(2)本发明通过更改测线的电压极性确定振弦传感器内部线圈的热敏电阻串并连接方式，并针对热敏电阻不同的连接方式确定测量热敏电阻阻值的实现方式，从而提高振弦传感器检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的串联两线制振弦传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的并联两线制振弦传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的振弦传感器工作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法，本实施方式利用热敏电阻器的阻值随着温度变化而变化的特性，通过热敏电阻NTC判断振弦传感器内部的温度，再消除补偿钢弦的环境温度对钢弦应变的影响，从而提高振弦传感器的整体测量精度。

串联式两线制振弦传感器具体包括两端被固定在膜片上的钢弦以及靠近钢弦设置的激励应答线圈，激励应答线圈通过线缆连接有读数仪，其特征在于：激励应答线圈与读数仪连接的线缆上串联有一个用于监测环境温度的热敏电阻NTC，且热敏电阻NTC的两端并联有电容C，激励应答线圈与电容C所在的线路形成LC电路。

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器和负温度系数热敏电阻器。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件，即正温度系数热敏电阻NTC的电阻值随着温度的增大而增大，负温度系数热敏电阻NTC的的电阻值随着温度的增大而减小。

激励应答线圈的线芯为非金属材料，一般使用树脂或者塑料柱，激励应答线圈具体为空心电感，传感器的电感量可以在传感器的制作过程或者制作完成后随时测得，而且对于空心电感而言，电感量随着温度变化而变化的原因大部分是由于芯体受热膨胀使线圈导线被挤紧所致，因为芯体一般为树脂材料，其热膨胀系数很小，故此电感量几乎不会受到环境温度的影响，即无论环境温度如何变化，其电感量表现出很好的稳定性。

为了消除线圈、测量线缆的电阻受环境温度变化的影响，可使用以下步骤：

向传感器施加测频信号，使钢弦共振并采集返回信号，计算出钢弦自振频率值f；

向整个传感器施加直流电阻测量信号，测量出总电阻R；用交变的频率信号施加到传感器，使内部LC电路产生谐振，此时测量得到的电阻有效值R_LC即是线缆电阻与线圈电阻之和；则R-R_LC即为此时热敏电阻NTC的阻值。

本专利技术通过向振弦传感器内部线圈串联NTC温度传感器的方法实现了两线制测频测温功能。利用了振弦传感器内部线圈的电感特性，增加电容元件构成LC谐振电路，有效剔除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

众所周知，振弦传感器的一项重要工作是测量钢弦的自振频率，首先要对线圈施加交变信号使钢弦产生自振，当使用本实施方式提供的LC电路后，由于激励应答线圈串联的热敏电阻NTC存在，会导致施加到线圈上的能量减少，减弱对钢弦的激励效果，严重时可能无法激励。

而本实施方式在热敏电阻NTC上并联一个电容C，此时的激励应答线圈视为电感，与电容C构成LC电路，此时选取电容的容量使激励应答线圈和电容组成的LC电路的谐振频率与钢弦的自振频率相近，且激励应答线圈的独立谐振频率远离钢弦的自振频率，当读数仪在激励过程中施加的交变信号接近钢弦的自振频率时(亦即LC电路的谐振频率)，电容C等效于0欧电阻，即导线，此时读数仪读取的电阻具体为线缆电阻和线圈电阻的组合电阻，而热敏电阻NTC则被短路，这一改进很大程度上降低了串联热敏电阻NTC对钢弦激励的不利影响，同时有效消除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

因此本实施方式通过向振弦传感器内部线圈串联热敏电阻NTC作为温度传感器的方法，实现了两线制测频测温功能，同时利用了振弦传感器内部线圈的电感特性，增加电容元件构成LC谐振电路，有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

实施例2

如图2所示，本发明提供了一种并联式两线制温度振弦传感器，本实施方式利用热敏电阻器的阻值随着温度变化而变化的特性，通过热敏电阻NTC判断振弦传感器内部的温度，再消除补偿钢弦的环境温度对钢弦应变的影响，从而提高振弦传感器的整体测量精度。

并联式两线制温度振弦传感器具体包括两端被固定的钢弦以及靠近所述钢弦设置的激励应答线圈，所述激励应答线圈的两端并列有热敏电阻NTC，所述激励应答线圈和所述热敏电阻NTC的两端引出A端点和B端点连接有读数仪，且所述激励应答线圈通过所述A端点和B端点构成两线制振弦传感器。

需要补充说明的是，热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

读数仪包括以单片机为控制中心的数据采集终端和微处理器单元；所述数据采集终端，包括激振电路、信号放大整形电路、温度采集电路、单片机和信号传输电路。

所述激振电路采用高压的方法使振弦式传感器产生谐振，优选的高压为120V；所述信号放大整形电路将振弦式传感器输出的频率信号放大并整形；所述温度采集电路测量带有温度修正的振弦式传感器的热敏电阻NTC的阻值，并向单片机输出A/D采样后的阻值数据；所述单片机内置有频率测量模块和温度测量模块，频率测量模块和温度测量模块用于控制激振电路、采集信号放大整形电路输出的信号和温度采集电路输出的信号，并计算得到所测温度和频率值；所述信号传输电路将所述单片机计算得到的所测温度和频率值数据传给微处理器单元，微处理器单元计算温度校正下的钢弦应变量。

所述激励应答线圈所在的线路并联有二极管D1，所述热敏电阻NTC所在的线路并联有二极管D2，且所述二极管D1和二极管D2的安装方向相反，通过更改A端点和B端点的电压极性，可选择性的使用高压激励或者低压扫频方法向激励应答线圈发送激励信号，使钢弦产生自振后采集输出的频率信号，或测量热敏电阻NTC的阻值。

即所述读数仪内设有线路切换器，所述线路切换器用于调控更换所述A端点和B端点的电压极性，且所述线路切换器将测量电路改为频率测量电路和温度测量电路，且所述频率测量电路和温度测量电路对应的所述A端点和B端点的电压极性相反。

所述热敏电阻NTC所在的线路连接有用于测量测线电阻的PMOS管，且所述PMOS管串联有稳压电阻R0，所述PMOS管和所述稳压电阻R0的引出端分别与所述热敏电阻NTC和所述二极管D2的引出端并联，所述热敏电阻NTC与所述二极管D2之间设有参考电压芯片，且所述参考电压芯片产生的电压为VREF，所述PMOS管的开关电压为VGS。

而传感器的测量线缆电阻不可忽视，通过A端点和B端点两点测量所得电阻值＝热敏电阻NTC阻值+测量线缆阻值，在工程应用中，振弦传感器的测量线缆可达数百米，线缆电阻数百欧，若不加以剔除，会对NTC测温产生较大误差。

更进一步的，为了剔除测量线缆电阻对NTC电阻值的影响，在传感器内部增加一个PMOS开关管用于测量线缆电阻，通过改变PMOS管的导通或者截止状态来适应性的调整电阻测量线路，以获得热敏电阻NTC的实时阻值。

根据振弦传感器原理可知，振弦传感器是以频率信号为基本物理量的传感器，同时，为了提高测量精度，需要测量实时的钢弦温度来校正频率值。在本专利中，通过以下实施步骤，使用两根测线分时段完成两种物理量的测量工作：

频率测量时，A线为测线正极，B线为测线负极，二极管D1导通，二极管D2截止，从而使NTC电路被排除在测频电路之外，使用高压激励或者低压扫频方法向线圈发送激励信号，使钢弦产生自振后采集A线输出的频率信号；频率测量完成后，读数仪将A、B线切换至测温电路，测温电路中B线为正极、A线为负极，此时二极管D1截止、二极管D2导通，从而使传感器线圈被排除在测温电路之外，完成NTC电阻的测量。

本实施方式通过向振弦传感器内部线圈并联热敏电阻NTC作为温度传感器的方法，实现了两线制测频测温功能，同时利用了PMOS管的导通截止原理更改电阻测量线路，并通过差值法获得热敏电阻NTC的实时阻值，有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

实施例3

在读数仪不确定振弦传感器内的热敏电阻连接方式时，本实施方式提供一种确定热敏电阻连接方式(即与振弦线圈串联或者并联方式)，并针对热敏电阻不同的连接方式确定测量热敏电阻阻值并校正振弦传感器测量精度的工作方式，如图3所示，具体的实现步骤如下：

步骤100、利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，且分别向A端点和B端点施加两次相反的测量电压，根据两次测量的电阻值变化判断热敏电阻的接入方式。

根据实施例1和实施例2可知，由于热敏电阻与线圈并联时，可以通过更改电路的电压极性来将测频工作与测温工作独立分割，因此本实施方式通过更改线路电压极性，而后读取电路阻值的变化，来确定热敏电阻的连接方式，其中如果更改线路电压极性的电路阻值的变化时，则热敏电阻为并联连接，如果更改线路电压极性的电路阻值未变化时，则热敏电阻为串联连接，因此本实施方式通过读数仪的智能化识别来确定振弦传感器内的热敏电阻连接方式。

步骤200、将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式，根据判断的热敏电阻接入方式确定读数仪的工作方式，利用读数仪向传感器施加测频信号，使钢弦共振并采集返回的信号，计算出钢弦自振频率值f。

步骤300、利用热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式测得所述热敏电阻的实时阻值。

在步骤300中，将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，测量出整个传感器的总电阻R，传感器总电阻R通过读数仪实时读取，且R_C和R_L为已知常数，具体的传感器总电阻R计算公式为：

R＝R_C+R₁+R_L；

其中，R_C为线圈电阻；R_L为线缆电阻；R₁为热敏电阻实时阻值；

(2)发送交变的频率信号f施加到传感器，使激励应答线圈和电容形成的LC电路产生谐振，所述读数仪发送交变的频率信号f使得LC电路的谐振频率与钢弦的自振频率相近，且在所述读数仪在激励过程中施加的交变信号接近所述钢弦的自振频率时，所述电容等效于导线，此时所述读数仪获取的所述传感器的线缆电阻与激励应答线圈电阻之和作为电阻有效值R_LC，所述传感器的电阻有效值R_LC计算公式为：

R_LC＝R_C+R_L；

(3)将总电阻R与电阻有效值R_LC的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，所述热敏电阻的实时电阻R₁为：

R₁＝R-R_LC。

本实施方式通过向振弦传感器内部线圈串联热敏电阻作为温度传感器的方法，实现了两线制测频测温功能，同时利用了振弦传感器内部线圈的电感特性，增加电容元件构成LC谐振电路，有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

将读数仪的工作方式设置为热敏电阻并联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪内的线路切换器将测量电路改为温度测量电路，A端点为负极且B端点为正极，且向B端点施加电压V1且调控所述读数仪的输出电压值V1所在范围V1>V_REF且V1<V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于截止状态，所述读数仪读取此时的线路电阻R_AB1＝R+R_L，其中，所述R为热敏电阻的实时阻值，所述R_L为线缆阻值；

(2)保持A端点为负极且B端点为正极，向B端点施加电压V2且调控所述读数仪的输出电压值V2所在范围V2>V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于导通状态，此时的所述读数仪读取的A端点和B端点之间的线路电阻R_AB2＝R_L+R0；其中，所述R_L为线缆阻值，所述R0为稳压电阻的已知阻值；

(3)将R_AB1和R_AB2的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，利用热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式计算当前的实时温度，所述热敏电阻的实时阻值计算方式为：

R₁＝R_AB1-R_AB2+R0。

本实施方式通过向振弦传感器内部线圈并联热敏电阻作为温度传感器的方法，实现了两线制测频测温功能，同时利用了PMOS管的导通截止原理更改电阻测量线路，并通过差值法获得热敏电阻的实时阻值，有效排除了线圈电阻、测量线缆电阻随环境温度变化而变化的影响。

步骤400、根据热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式，计算当前的实时温度；

步骤500、根据应变校正公式消除环境温度对频率测量的影响，并计算钢弦当前的应变值。

在步骤400中，所述热敏电阻实时测量到的电阻值与温度具有一一对应关系，热敏电阻的电阻值与温度的转化公式具体为：

其中，T_NTC1为热敏电阻的实时温度；R_NTC0为热敏电阻在25℃下的电阻值；R_NTC1为实时电阻值；B为热敏材料的温度常数；T_NTC0为标称温度，具体为25℃。

在步骤500中，应变校正公式具体为：

其中，ε为钢弦的应变；k_c为与钢弦本身的参数相关的常数，f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为钢弦受力后的实时频率值；Δt为传感器内部的温度改变量，α为钢弦的热膨胀系数；

应变校正公式的具体计算过程为：

(1)钢弦应力与其共振频率满足公式：

式中f为钢弦的频率值；L为钢弦长度；T为钢弦所受到的张力；ρ为钢弦材料的密度；

(2)转化(1)中的公式得到钢弦张力：T＝4×ρ×L²×f²＝k×f²；式中f为钢弦受力后的实时频率值

(3)当所述钢弦受到外力产生变形时，钢弦张力改变量ΔT可由下式计算得出：

式中f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为读数仪测得的钢弦自振频率值；

(4)由应变公式

结合(3)得到的ΔT，可计算得到：

式中E表示钢弦弹性模量，A为钢弦截面积，k为4×ρ×L²；

(5)当钢弦的环境温度改变或者钢弦受到外力产生长度变化时均会导致频率值的变化，通过补偿温度变化为应力的影响，得到：

本实施方式提供的两线制传感器可以降低传感器成本、提高测量效率、简化数据处理过程，且增加温度校正以提高钢弦应变测量精度。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带有温度检测的两线制振弦传感器，包括两端被固定的钢弦以及靠近所述钢弦设置的激励应答线圈，所述激励应答线圈通过线缆连接有读数仪，其特征在于：所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上电性连接有一个用于监测环境温度的热敏电阻NTC。

2.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器，其特征在于：所述热敏电阻NTC串联在所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上，所述热敏电阻NTC的两端并联有电容，所述激励应答线圈与所述电容所在的线路形成LC电路，所述热敏电阻NTC选择正温度系数热敏电阻NTC或负温度系数热敏电阻NTC的任一个，所述正温度系数热敏电阻NTC的电阻值随着温度的增大而增大，所述负温度系数热敏电阻NTC的的电阻值随着温度的增大而减小。

3.根据权利要求1所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器，其特征在于：所述热敏电阻NTC的两端并列在所述激励应答线圈与读数仪连接的所述线缆上，且所述线缆与所述读数仪的连接端分为A端点和B端点。

4.根据权利要求3所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器，其特征在于：所述激励应答线圈所在的线路并联有二极管D1，所述热敏电阻NTC所在的线路并联有二极管D2，且所述二极管D1和二极管D2的安装方向相反；

所述热敏电阻NTC所在的线路连接有用于测量测线电阻的PMOS管，且所述PMOS管串联有稳压电阻R0，所述PMOS管和所述稳压电阻R0的引出端分别与所述热敏电阻NTC和所述二极管D2的引出端并联；

所述热敏电阻NTC与所述二极管D2之间设有参考电压芯片，且所述参考电压芯片产生的电压为VREF，所述PMOS管的开关电压为VGS。

5.根据权利要求4所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器，其特征在于：所述读数仪内设有线路切换器，所述线路切换器用于调控更换所述A端点和B端点的电压极性，且所述线路切换器将测量电路改为频率测量电路和温度测量电路，且所述频率测量电路和温度测量电路对应的所述A端点和B端点的电压极性相反以分别测量频率和温度。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述两线制振弦传感器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，且分别向A端点和B端点施加两次相反的测量电压，根据两次测量的电阻值变化判断热敏电阻的接入方式；

步骤200、将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式，根据判断的热敏电阻接入方式确定读数仪的工作方式，利用读数仪向传感器施加测频信号，使钢弦共振并采集返回的信号，计算出钢弦自振频率值f；

步骤300、利用热敏电阻串联模式或热敏电阻并联模式测得所述热敏电阻的实时阻值；

步骤400、根据热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式，计算当前的实时温度；

步骤500、根据应变校正公式消除环境温度对频率测量的影响，并计算钢弦当前的应变值。

7.根据权利要求6所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器的工作方法，其特征在于，在步骤300中，将读数仪的工作方式设置为热敏电阻串联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪向整个传感器施加直流电阻测量信号，测量出整个传感器的总电阻R，传感器总电阻R通过读数仪实时读取，且R_C和R_L为已知常数，具体的传感器总电阻R计算公式为：

R＝R_C+R₁+R_L；

其中，R_C为线圈电阻；R_L为线缆电阻；R₁为热敏电阻实时阻值；

(2)发送交变的频率信号f施加到传感器，使激励应答线圈和电容形成的LC电路产生谐振，所述读数仪发送交变的频率信号f使得LC电路的谐振频率与钢弦的自振频率相近，且在所述读数仪在激励过程中施加的交变信号接近所述钢弦的自振频率时，所述电容等效于导线，此时所述读数仪获取的所述传感器的线缆电阻与激励应答线圈电阻之和作为电阻有效值R_LC，所述传感器的电阻有效值R_LC计算公式为：

R_LC＝R_C+R_L；

(3)将总电阻R与电阻有效值R_LC的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，所述热敏电阻的实时电阻R₁为：

R₁＝R-R_LC。

8.根据权利要求7所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器及其工作方法，其特征在于：将读数仪的工作方式设置为热敏电阻并联模式时，计算热敏电阻实时阻值的操作步骤为：

(1)利用读数仪内的线路切换器将测量电路改为温度测量电路，A端点为负极且B端点为正极，且向B端点施加电压V1且调控所述读数仪的输出电压值V1所在范围V1>V_REF且V1<V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于截止状态，所述读数仪读取此时的线路电阻R_AB1＝R+R_L，其中，所述R为热敏电阻的实时阻值，所述R_L为线缆阻值；

(2)保持A端点为负极且B端点为正极，向B端点施加电压V2且调控所述读数仪的输出电压值V2所在范围V2>V_REF+V_GS，以使得所述PMOS管处于导通状态，此时的所述读数仪读取的A端点和B端点之间的线路电阻R_AB2＝R_L+R0；其中，所述R_L为线缆阻值，所述R0为稳压电阻的已知阻值；

(3)将R_AB1和R_AB2的差值作为所述热敏电阻的实时阻值，利用热敏电阻的实时阻值与实时温度的转化公式计算当前的实时温度，所述热敏电阻的实时阻值计算方式为：

R₁＝R_AB1-R_AB2+R0。

9.根据权利要求7所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器的工作方法，其特征在于：在步骤600中，所述热敏电阻实时测量到的电阻值与温度具有一一对应关系，热敏电阻的电阻值与温度的转化公式具体为：

其中，T_NTC1为热敏电阻的实时温度；R_NTC0为热敏电阻在25℃下的电阻值；R_NTC1为实时电阻值；B为热敏材料的温度常数；T_NTC0为标称温度，具体为25℃。

10.根据权利要求6所述的一种带有温度检测的两线制振弦传感器的工作方法，其特征在于：在步骤500中，应变校正公式具体为：

其中，ε为钢弦的应变；k_c为与钢弦本身的参数相关的常数，f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为钢弦受力后的实时频率值；Δt为传感器内部的温度改变量，α为钢弦的热膨胀系数；

应变校正公式的具体计算过程为：

(1)钢弦应力与其共振频率满足公式：

式中f为钢弦的频率值；L为钢弦长度；T为钢弦所受到的张力；ρ为钢弦材料的密度；

(2)转化(1)中的公式得到钢弦张力：T＝4×ρ×L²×f²＝k×f²；式中f为钢弦受力后的实时频率值

(3)当所述钢弦受到外力产生变形时，钢弦张力改变量ΔT可由下式计算得出：

式中f₀为钢弦未受力时的初始频率值，f为读数仪测得的钢弦自振频率值；

(4)由应变公式

结合(3)得到的ΔT，可计算得到：

式中E表示钢弦弹性模量，A为钢弦截面积，k为4×ρ×L²；

(5)当钢弦的环境温度改变或者钢弦受到外力产生长度变化时均会导致频率值的变化，通过补偿温度变化为应力的影响，得到：

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