حساس السلك المهتز Vibrating Wire Sensor

مقدمة Introduction 

Vibrating wire sensors are a class of sensors that are very popular in geotechnical and structural monitoring. The fundamental component of the vibrating wire sensor is a tensioned steel wire that vibrates at a resonant frequency that depends on the strain in the wire. This mechanism is used in a variety of sensor configurations to measure static strain, stress, pressure, tilt, and displacement. The use of frequency, rather than amplitude, to convey the signal means that vibrating wire sensors are relatively resistant signal degradation from electrical noise, long cable runs, and other changes in cable resistance. This has contributed to their reputation for long term stability and wide usage for monitoring structures such as dams, tunnels, mines, bridges, foundations, piles, unstable slopes, and excavations. [Source]

*

حساسات السلك المهتز Vibrating Wire Sensors هي فئة من الحساسات التي تحظى بشعبية كبيرة في المراقبة الجيوتقنية Geotechnical ومراقبة الهياكل المبنية Structural Monitoring . المكون الأساسي لحساس السلك المهتز Vibrating Wire Sensor هو سلك حديدي Steel Wire مشدود ويهتز عند تردد الرنين المناظر لقوة الشد علي طرفي السلك .

يتم استخدام هذه الطريقة في مجموعة متنوعة من تصميمات الحساسات الخاصة بقياس الإجهاد Stress و الإجهاد الساكن Static Strain ، والضغط Pressure ، والإمالة Tilt ، والإزاحة Displacement . إن استخدام تردد الإشارة Frequency ، بدلاً من الاتساع Amplitude الخاص بها ، لنقل الإشارة يعني أن حساسات السلك المهتز مقاومة نسبيا لتوهين الإشارة والناتج عن الشوشرة (الضجيج) الكهربائي Electrical Noise ، أو الناتجة عن طول الكابلات الممدة ، أو عن التغيرات الأخرى في مقاومة الكابل Cable Resistance . وقد ساهم هذا في سمعتهم الجيدة في الإستقرار Stability على المدى الطويل والاستخدام الواسع لمراقبة المباني مثل السدود والأنفاق والمناجم والجسور والأساسات وخوازيق الأساسات Piles والمنحدرات غير المستقرة والحفريات.

*

الجيتار الكهربي Electric Guitar 

لتقريب فكرة عمل حساس السلك المهتز سنتناول بشرح مبسط أحد التطبيقات وهو استخدامه في الجيتار الكهربي .

يعتمد الجيتار الكهربائي فى عمله على الحث الكهرومغناطيسى Electromagnetic Induction ، عندما تهتز الأوتار الحديدية فوق الـ Pick Ups (عبارة عن قضيب مغناطيسى داخل سلك معدني ملولب، قد يكون منفردا Single Coil أو مزدوجاً Humbucker) يعمل الإهتزاز على تشويش المجال المغناطيسى لها ويولد هذا تيارا فى السلك الملولب حول المغناطيس، ينتقل هذا التيار إلى وحدة النغمة والتحكم فى مستوى الصوت ”التى يمكن للاعب الجيتار التحكم بها“ ثم تنتقل الإشارة النهائية إلى المكبر حيث تُقوى كفايةً لتدفع مكبرات الصوت.

.

فكرة عمل أوتار الجيتار الكهربي

.

تُستخدم في الجيتارات أوتار مختلفة السمك ومشدودة إلى توترات مختلفة، لا تولد الأوتار صوتا مرتفعا بمفردها فى الجيتار الكهربائي؛ لذا فهي تحتاج إلى مكبر إشارات Amplifier ، على عكس الجيتار الصوتى (فولك أو كلاسيك) حيث تجعل اهتزازات الأوتار الهواء الموجود فى جسم الجيتار المُفَرغ يهتز بدوره أيضا مما يجعل الصوت أكثر قوة، أما فى الجيتار الكهربائي فتكبير الصوت يتم بطريقة مختلفة، حيث تتحول اهتزازات الأوتار إلى إشارات كهربائية بواسطة الرافع Pick Up ، وتقوم مكبرات الصوت بعدها بتحويل تلك الطاقه الكهربائية مرة أخرى إلى موجات صوتية .

*

String effect on a single coil (electric guitar). The coil is connected to a multimeter that indicates the voltage changes when the string moves. This signal is normally sent to an amplifier.

تأثير الوتر في جيتار كهربي أحادي الملف . يتم توصيل الملف بجهاز قياس Multimeter والذي يبين التغيرات في قيمة الجهد الكهربي المناظرة لحركة الوتر ، وهذه الإشارة الكهربية يتم تكبيرها في دائرة مكبر للإشارة Amplifier .

*

Single Coil Pickup

A single coil pickup is a type of magnetic transducer, or pickup, for the electric guitar and the electric bass. It electromagnetically converts the vibration of the strings to an electric signal. Single coil pickups are one of the two most popular designs, along with dual-coil or “humbucking” pickups.

*

استخدامه في حساب إجهاد المباني

يوضح الشكل التالي المكونات الأساسية لحساس السلك المهتز Vibrating Wire Sensor . سلك حديدي مشدود يقترن سلك فولاذي مُشدّد ، ومعزول عزلا جيدا عن الوسط المحيط Hermetically Sealed ، بالإضافة إلي ملف كهرومغناطيسي Electromagnetic Coil . يتم نقر السلك من خلال تطبيق نبضات كهربائية مؤقتة على الملف الكهرومغناطيسي والذي يجذب السلك إليه ، مما يحفز السلك للإهتزاز . وسيستقر السلك على تردده الرنان الاهتزازي Resonant Vibrating Frequency . وبالتالي تتسبب هذه الإهتزازات في السلك في توليد تيار كهربي بالحث الكهربي في الأسلاك الخاصة بإشارة الخرج Signal Wires . ويمكن قياس هذه الإشارة واستخدامها لتحديد قيمة الشد في السلك ، وبالتالي أيضًا حساب قيمة الإجهاد في المبني الثبت عليه حساس السلك المهتز Vibrating Wire Sensor .

.

اضغط للتكبير Click to Enlarge Image

*

Previous figure illustrates the basic components of a vibrating wire sensor. A tensioned steel wire, hermetically sealed, is coupled with an electromagnetic coil. The wire is “plucked, by applying momentary electrical pulses to the coil, inducing vibrations in the wire. The wire will settle to it’s resonant vibrating frequency, and these vibrations in turn induce current back onto the signal wires. This signal can then be measured and used to determine the tension in the wire, and therefore also the strain in the structure to which the vibrating wire gage is attached. [Source]

*

وبشكل أكثر تحديدًا ، يتم إعطاء تردد الرنين للسلك المشدود نحصل عليه من العلاقة التالية :

More specifically, the resonant frequency of the tensioned wire is given by:

.

.

حيث LW هو طول السلك ، T هو الشد Tension في السلك ، و m هي كتلة السلك لكل وحدة طول. وبما أن الشد T للسلك المهتز يتناسب طرديا مع الإنفعال Strain في السلك ، وكذلك مع الإنفعال Strain للمنشأ المتصل به الحساس ، فيمكن حساب الإنفعال Strain المقاس بواسطة العلاقة التالية :

.

where LW is the length of the wire, T is the tension in the wire, and m is the mass of the wire per unit length. Since the tension T of the vibrating wire is directly proportional to the strain in the wire, and to the strain in the attached structure, the measured strain can be calculated as:

.

.

حيث أن k معامل المقياس Gauge Factor ، و f هي التردد المقاس Measured Frequency ، و f0 هي التردد الأولي Initial Frequency .

وتؤثر الحرارة أيضا علي تردد اهتزاز السلك مما يؤدي إلي خطأ إذا لم يتم أخذ تأثير الحرارة في الإعتبار ، لذا معظم حساسات السلك المهتز تحتوي علي مقاومة حرارية ثرميستر Thermistor مدمجة داخلها بهدف عمل تعويض Compensation لتأثير الحرارة .

.

where k is the gage factor, f is the measured frequency, and f0 is the initial frequency.

Temperature also affects the frequency of the vibrating wire and can lead to errors if not compensated. Therefore, most vibrating wire sensors include a thermistor embedded within the sensor packaging for this purpose.

*

استخدامه في قياس الضغط Pressure Measurement Application

لقياس قيم فيزيائية أخرى مثل الضغط Pressure سيحتاج حساس السلك المهتز Vibrating Wire Sensor إلي تصميم أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يمكن بناء حساس ضغط Pressure Sensor بسيط من خلال تثبيت أحد نهايتي السلك في غشاء يمكنه التحرك تحت تأثير فروق الضغط Pressure Differential . ومن الشائع أيضًا دمج حساس لدرجة الحرارة مثل الثرمستور Thermistor كجزء من الحساس حتى يمكن تصحيح التغيرات في درجة الحرارة.

استخدام حساس السلك المهتز كحساس لقياس الضغط

.

To measure other parameters than strain the VW sensor needs to become more complex. For example a simple pressure sensor can be constructed by fixing on end of the wire to a diaphragm that will be displaced by pressure differentials. It is also common to include a temperature sensor such as a thermistor as part of a sensor package so temperature variations can be corrected for.

*

مصطلحات

حساس السلك المهتز – حساس السلك الاهتزازي

Vibrating Wire Sensor -VW Sensor – Vibrating Wire gauge – VW gauge – Resonant-Wire Sensors (Vibrating Wire)

*

اضغط هنا لتتابع صفحتنا علي الفيس بوك

***************************************************************

handwave-yellow

مواضيع ذات صلة

.

***************************************************************

ملاحظة

إذا كان لديك مقالة تريد نشرها أو لديك تعديل أو اقتراح جيد ، فمن فضلك سجل اقتراحك في تعليق علي الموضوع .

أو راسلنا  علي البريد التالي لنشر مقال خاص بك : info@inst-sim.com

مكتبة محاكاة الأجهزة

أترك تعليق