專利名稱：振弦式儀器的溫度測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程的健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種巖土工程的安全監(jiān)測儀器 中的振弦式儀器的溫度測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
在對巖土工程的安全監(jiān)測中，通常采用振弦式(或稱鋼弦式)儀器等安全監(jiān)測儀 器監(jiān)測巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等物理量，用以分析判斷巖土工 程的安全。振弦式儀器(或稱振弦式傳感器)由一根兩端固定、均質(zhì)的鋼弦組成。鋼弦 長度為L，在感知外界作用力F(可以是巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和 變形等)的時候，鋼弦會產(chǎn)生AL的拉伸變形，在彈性范圍內(nèi)，同時考慮溫度T的影響，
F =足Χ(# + αΧΔΓ)，其中ΔΤ = T-Ttl, α為線膨脹系數(shù)，Τ。、α、Κ均為已知的恒常數(shù)。鋼 弦的機(jī)械振動固有頻率f可以按如下公式獲得f =陣(1 -2λχ^ + (字)2)(1 +字)，其
V PvlLLL
中E是鋼弦的彈性模量，Pv是鋼弦的密度，λ是鋼弦材料的泊松系數(shù)，這些均是定常數(shù)。將
上述兩個公式進(jìn)行整理，消除這一共同變量，得出F是f和T的確定函數(shù)，通過測量f和 T就能實現(xiàn)F的測量。其中，溫度參量T是一個關(guān)鍵的測量因子。傳統(tǒng)的溫度參量T的測量方法通常是在振弦式儀器內(nèi)設(shè)置熱敏電阻，熱敏電阻對 溫度敏感，會隨溫度的變化而呈現(xiàn)不同的阻值，通過測量熱敏電阻的阻值來得到溫度參量 T。現(xiàn)實情況是，熱敏電阻的阻值在工作溫度范圍內(nèi)，其理論最大值將達(dá)到50ΚΩ，相對于巖 土工程領(lǐng)域同樣應(yīng)用廣泛的其它類型安全監(jiān)測儀器如差動電阻式傳感器120Ω的測溫電 阻值，高出1個數(shù)量級以上，從電阻值測量精度考慮，就需要對測量系統(tǒng)的絕緣性提出很高 的要求，甚至苛刻到難以工程實現(xiàn)的程度，若無法保證足夠高的絕緣性指標(biāo)，則會帶來很大 的測量誤差；同時由于受到從振弦式儀器內(nèi)引出的導(dǎo)線電阻的影響，也會使得測量的阻值 有誤差，故最終計算得到的溫度T的測量精度和可靠性下降。而巖土工程的安全監(jiān)測對安 全監(jiān)測儀器的可靠性以及測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有非常嚴(yán)格的要求，這就要求在測量原理和測 量方法上力求準(zhǔn)確可靠，所以安全監(jiān)測領(lǐng)域使用的振弦式儀器采用上述溫度測量方法已不 能滿足測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的振弦式儀器的溫度測量采用熱敏電阻進(jìn)行溫度感應(yīng)時存在測 量誤差，導(dǎo)致測量精度和可靠性下降的問題，提供一種新型振弦式儀器的溫度測量方法，該 方法提高了振弦式儀器溫度測量的準(zhǔn)確性和可靠性。本發(fā)明還涉及一種振弦式儀器的溫度
測量裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種振弦式儀器的溫度測量方法，其特征在于，通過四線電阻測量法測量振弦式 儀器在頻率測量時采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，再利用頻率測量線圈的電阻溫 度特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式儀器溫度參數(shù)測量。所述頻率測量線圈的電阻溫度特性公式為Rt = R0[1+β X (Tt-T0)]；其中，Rtl和Τ。 分別為頻率測量線圈的初始電阻值及與之對應(yīng)的溫度值，Rt和Tt分別為頻率測量線圈在t 時刻的電阻值及與之對應(yīng)的溫度值，β為頻率測量線圈的電阻溫度系數(shù)。所述四線電阻測量法為在頻率測量線圈的其中一個測量端引出第一電流導(dǎo)線和 第一電壓導(dǎo)線，在另一測量端引出第二電流導(dǎo)線和第二電壓導(dǎo)線，所述第一電流導(dǎo)線和第 二電流導(dǎo)線分別連接到恒流源兩端以構(gòu)成電流回路，將第一電壓導(dǎo)線通過第一電壓跟隨器 傳遞至第一測壓點，將第二電壓導(dǎo)線通過第二電壓跟隨器傳遞至第二測壓點；通過測量第 一測壓點和第二測壓點之間的電壓實現(xiàn)頻率測量線圈在某時刻的電阻值的測量。所述第一電壓導(dǎo)線依次通過第一連接導(dǎo)線和第一電壓跟隨器傳遞至第一測壓點， 第二電壓導(dǎo)線依次通過第二連接導(dǎo)線和第二電壓跟隨器傳遞至第二測壓點。一種振弦式儀器的溫度測量裝置，其特征在于，包括互相連接的電阻測量裝置和 電阻溫度換算裝置，所述電阻測量裝置通過四線電阻測量法測量振弦式儀器在頻率測量時 采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，并將該電阻值輸出至電阻溫度換算裝置；所述電 阻溫度換算裝置利用頻率測量線圈的電阻溫度特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式 儀器溫度參數(shù)測量。所述電阻溫度換算裝置利用的頻率測量線圈的電阻溫度特性公式為Rt = Rotl+β X(Tt-T0)]；其中，禮和?。环謩e為頻率測量線圈的初始電阻值及與之對應(yīng)的溫度值， Rt和Tt分別為頻率測量線圈在t時刻的電阻值及與之對應(yīng)的溫度值，β為頻率測量線圈的 電阻溫度系數(shù)。所述電阻測量裝置包括在頻率測量線圈的其中一個測量端引出的第一電流導(dǎo)線 和第一電壓導(dǎo)線以及在另一測量端引出的第二電流導(dǎo)線和第二電壓導(dǎo)線，電阻測量裝置還 包括恒流源、第一電壓跟隨器、第一測壓點、第二電壓跟隨器、第二測壓點和電壓測量處理 裝置，電壓測量處理裝置與電阻溫度換算裝置相連；所述第一電流導(dǎo)線和第二電流導(dǎo)線分 別連接到恒流源兩端以構(gòu)成電流回路，第一電壓導(dǎo)線通過第一電壓跟隨器傳遞至第一測壓 點，第二電壓導(dǎo)線通過第二電壓跟隨器傳遞至第二測壓點；通過電壓測量處理裝置測量第 一測壓點和第二測壓點之間的電壓及實現(xiàn)頻率測量線圈在某時刻的電阻值的測量。所述電阻測量裝置還包括第一連接導(dǎo)線和第二連接導(dǎo)線，所述第一連接導(dǎo)線設(shè)置 于第一電壓導(dǎo)線與第一電壓跟隨器之間，所述第二連接導(dǎo)線設(shè)置于第二電壓導(dǎo)線與第二電 壓跟隨器之間。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明涉及的振弦式儀器的溫度測量方法，通過四線電阻測量法測量振弦式儀器 在頻率測量時采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，采用四線電阻測量的方法可以完全 消除導(dǎo)線電阻的影響，獲得頻率測量線圈在某時刻電阻的真值，由于頻率測量線圈具有電 阻溫度特性，故確保電阻值的測量精度從而保證溫度參數(shù)的測量精度。同時避免了現(xiàn)有的 振弦式儀器的溫度測量采用熱敏電阻進(jìn)行溫度感應(yīng)時由于絕緣性變差帶來測量誤差的問題，本發(fā)明的該方法巧妙地利用振弦式儀器在測頻時的關(guān)鍵器件頻率測量線圈的電阻溫度 特性，在正常實現(xiàn)頻率參數(shù)f測量的同時實現(xiàn)了溫度T測量功能，節(jié)約了生產(chǎn)成本、減少了 工藝環(huán)節(jié)，提升了器件的效能，最重要的是提高了振弦式儀器的可靠性。本發(fā)明涉及的振弦式儀器的溫度測量裝置，包括互相連接的電阻測量裝置和電阻 溫度換算裝置，其中，電阻測量裝置通過四線電阻測量法高準(zhǔn)確度地測量振弦式儀器在頻 率測量時采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，然后通過電阻溫度換算裝置利用頻率測 量線圈的電阻溫度特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式儀器溫度參數(shù)T測量。較傳統(tǒng) 的熱敏電阻進(jìn)行溫度感應(yīng)的方式能夠獲得更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的測量結(jié)果，提高了振弦式儀器 溫度測量的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠滿足巖土工程的安全監(jiān)測對安全監(jiān)測儀器的可靠性以及 測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的嚴(yán)格要求。


圖1為振弦式儀器頻率測量線圈的電阻等效電路。圖2為四線電阻測量法原理圖。圖3為本發(fā)明振弦式儀器的溫度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明振弦式儀器的溫度測量裝置優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明公開的振弦式儀器的溫度測量方法的被測對象是頻率測量線圈，頻率測量 線圈是振弦式儀器在進(jìn)行頻率測量時所采用的關(guān)鍵器件，頻率測量線圈通常具有兩個測量 端。在進(jìn)行溫度測量時，頻率測量線圈在電氣上等效成一個電阻Rt，如圖1所示，該方法先 采用四線電阻測量法測量頻率測量線圈在某時刻的電阻值，其四線電阻連接為在頻率測量 線圈的兩測量端A、B兩端分別引出兩根引出導(dǎo)線，即圖1所示在頻率測量線圈的A測量端 引出兩根引出導(dǎo)線Al和A2，在頻率測量線圈的B測量端引出兩根引出導(dǎo)線B3和B4。四線 電阻測量法原理圖如圖2所示，將頻率測量線圈的每個測量端的其中一根引出導(dǎo)線分別連 接到恒流源兩端以構(gòu)成電流回路，即Al為第一電流導(dǎo)線，B4為第二電流導(dǎo)線，A1、B4連接恒 流源1(或Al、B4分別通過長導(dǎo)線11'、長導(dǎo)線44'連接恒流源I)，由恒流源I提供一個 數(shù)值為I的直流電流，通過第一電流導(dǎo)線Al、長導(dǎo)線11'、第二電流導(dǎo)線B4、長導(dǎo)線44'和 Rt構(gòu)成電流回路；A2為第一電壓導(dǎo)線，B3為第二電壓導(dǎo)線，將第一電壓導(dǎo)線A2通過第一連 接導(dǎo)線22’、第一電壓跟隨器Al傳遞至第一測壓點01，將第二電壓導(dǎo)線B3通過第二連接 導(dǎo)線33'、第二電壓跟隨器A2傳遞至第二測壓點02，即將艮兩端的電壓分別通過第一電壓 導(dǎo)線A2、第一連接導(dǎo)線22'、電壓跟隨器Al以及第二電壓導(dǎo)線B3、第二連接導(dǎo)線33'、電 壓跟隨器A2傳遞到01、02端；由于第一電壓跟隨器Al和第二電壓跟隨器A2都具有虛短、 虛斷特性，能在第一電壓導(dǎo)線A2、第一連接導(dǎo)線22'、第二電壓導(dǎo)線B3、第二連接導(dǎo)線33' 上不產(chǎn)生電流的情況下，把I^t兩端電壓從A、B端傳送至23端，再至2' 3'端最終傳送到
0102端，同時使U。lQ2 = U2, 3, =U23 = Uab成立。根據(jù)電阻測量原理為=￥ = ^^。由于
I是已知參數(shù)，所以通過測量U_2就能實現(xiàn)頻率測量線圈在某時刻的電阻值Rt的測量。該方式可以完全消除導(dǎo)線電阻的影響獲得頻率測量線圈電阻的真值。利用振弦式儀器頻率測量線圈的電阻溫度特性R = f (T)，在通過四線電阻測量法 測量頻率測量線圈在某時刻的電阻值Rt后，根據(jù)Rt = f (Tt)函數(shù)關(guān)系，反算出t時刻的溫 度值Tt，實現(xiàn)振弦式儀器溫度參數(shù)測量。假設(shè)所述頻率測量線圈的初始電阻值為Rtl與之對 應(yīng)的溫度值為Ttl，t時刻的電阻值為Rt，與之對應(yīng)的溫度值為Tt，頻率測量線圈材料的電阻 溫度系數(shù)為β，則頻率測量線圈的電阻溫度特性公式為Rt = R0[1+β X (Tt-Ttl)],其中，R0、
T0, β均為已知參數(shù)。把公式變更為
權(quán)利要求
1.一種振弦式儀器的溫度測量方法，其特征在于，通過四線電阻測量法測量振弦式儀 器在頻率測量時采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，再利用頻率測量線圈的電阻溫度 特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式儀器溫度參數(shù)測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度測量方法，其特征在于，所述頻率測量線圈的電阻溫度 特性公式為Rt = Rotl+β X (Tt-T0)]；其中，Rtl和Ttl分別為頻率測量線圈的初始電阻值及與 之對應(yīng)的溫度值，Rt和Tt分別為頻率測量線圈在t時刻的電阻值及與之對應(yīng)的溫度值，β 為頻率測量線圈的電阻溫度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溫度測量方法，其特征在于，所述四線電阻測量法為在頻 率測量線圈的其中一個測量端引出第一電流導(dǎo)線和第一電壓導(dǎo)線，在另一測量端引出第二 電流導(dǎo)線和第二電壓導(dǎo)線，所述第一電流導(dǎo)線和第二電流導(dǎo)線分別連接到恒流源兩端以構(gòu) 成電流回路，將第一電壓導(dǎo)線通過第一電壓跟隨器傳遞至第一測壓點，將第二電壓導(dǎo)線通 過第二電壓跟隨器傳遞至第二測壓點；通過測量第一測壓點和第二測壓點之間的電壓實現(xiàn) 頻率測量線圈在某時刻的電阻值的測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度測量方法，其特征在于，所述第一電壓導(dǎo)線依次通過第 一連接導(dǎo)線和第一電壓跟隨器傳遞至第一測壓點，第二電壓導(dǎo)線依次通過第二連接導(dǎo)線和 第二電壓跟隨器傳遞至第二測壓點。
5.一種振弦式儀器的溫度測量裝置，其特征在于，包括互相連接的電阻測量裝置和電 阻溫度換算裝置，所述電阻測量裝置通過四線電阻測量法測量振弦式儀器在頻率測量時采 用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，并將該電阻值輸出至電阻溫度換算裝置；所述電阻 溫度換算裝置利用頻率測量線圈的電阻溫度特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式儀 器溫度參數(shù)測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度測量裝置，其特征在于，所述頻率測量線圈的電阻溫度 特性公式為Rt = Rjl+β X(Tt-Ttl)]；其中，Rtl和Ttl分別為頻率測量線圈的初始電阻值及與 之對應(yīng)的溫度值，Rt和Tt分別為頻率測量線圈在t時刻的電阻值及與之對應(yīng)的溫度值，β 為頻率測量線圈的電阻溫度系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的溫度測量裝置，其特征在于，所述電阻測量裝置包括在頻 率測量線圈的其中一個測量端引出的第一電流導(dǎo)線和第一電壓導(dǎo)線以及在另一測量端引 出的第二電流導(dǎo)線和第二電壓導(dǎo)線，電阻測量裝置還包括恒流源、第一電壓跟隨器、第一測 壓點、第二電壓跟隨器、第二測壓點和電壓測量處理裝置，電壓測量處理裝置與電阻溫度換 算裝置相連；所述第一電流導(dǎo)線和第二電流導(dǎo)線分別連接到恒流源兩端以構(gòu)成電流回路， 第一電壓導(dǎo)線通過第一電壓跟隨器傳遞至第一測壓點，第二電壓導(dǎo)線通過第二電壓跟隨器 傳遞至第二測壓點；通過電壓測量處理裝置測量第一測壓點和第二測壓點之間的電壓及實 現(xiàn)頻率測量線圈在某時刻的電阻值的測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的溫度測量裝置，其特征在于，所述電阻測量裝置還包括第一 連接導(dǎo)線和第二連接導(dǎo)線，所述第一連接導(dǎo)線設(shè)置于第一電壓導(dǎo)線與第一電壓跟隨器之 間，所述第二連接導(dǎo)線設(shè)置于第二電壓導(dǎo)線與第二電壓跟隨器之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振弦式儀器的溫度測量方法和裝置，該方法通過四線電阻測量法測量振弦式儀器在頻率測量時采用的頻率測量線圈在某時刻的電阻值，再利用頻率測量線圈的電阻溫度特性，得到所述時刻的溫度值，實現(xiàn)振弦式儀器溫度參數(shù)測量。本發(fā)明的該方法提高了振弦式儀器溫度測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
文檔編號G01K7/16GK102141448SQ20101060994
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者毛良明, 江修, 沈省三 申請人:基康儀器(北京)有限公司