第十章 諧振式傳感器

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)機(jī)械工程學(xué)院儀器系機(jī)械工程學(xué)院儀器系李云雷李云雷Tel:2786982 Tel:2786982 辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓427427山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第十章第十章 諧振式傳感器諧振式傳感器l定義：定義：諧振式傳感器是直接將被測量變化轉(zhuǎn)換為諧振式傳感器是直接將被測量變化轉(zhuǎn)換為物體諧物體諧振頻率變化振頻率變化的裝置，故也稱為的裝置，故也稱為頻率式傳感器頻率式傳感器。 l特點(diǎn)：特點(diǎn)：F 優(yōu)點(diǎn)：高精度優(yōu)點(diǎn)：高精度(0.01%)(0.01%)、高分辨率、高抗干擾能力、高分辨率、高抗干擾能力、適于長距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連接適于長

2、距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連接 、高穩(wěn)、高穩(wěn)定性和高可靠性定性和高可靠性 。F 缺點(diǎn)：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以生產(chǎn)缺點(diǎn)：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以生產(chǎn)周期長，成本較高周期長，成本較高 ；輸出頻率與被測量往往是非線；輸出頻率與被測量往往是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理 。l種類：種類：電式、電式、機(jī)械式機(jī)械式、原子式。、原子式。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 外形外形 振筒振筒 外 殼振 動(dòng) 筒支 承 骨 架基 座拾 振 線 圈諧 振 線 圈鉑 電 阻諧振筒壓力傳感器諧振筒壓力傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 原理與類型原理與類型n 機(jī)械式諧振傳感器將

3、被測量轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)械式諧振傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)械諧振頻率機(jī)械諧振頻率，其中振動(dòng)部分被稱為其中振動(dòng)部分被稱為振子振子。 一、基本原理一、基本原理l 振子諧振頻率振子諧振頻率f f：l 振子諧振頻率振子諧振頻率f f與其剛度與其剛度k k和等效振動(dòng)質(zhì)量和等效振動(dòng)質(zhì)量m me e有關(guān)，設(shè)其初有關(guān)，設(shè)其初始諧振頻率為始諧振頻率為f f0 0。 kk振子材料的剛度；振子材料的剛度；mme e振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l如果如果振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，則導(dǎo)致振，則導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振

4、子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。頻率發(fā)生變化。 諧振式傳感器的組成諧振式傳感器的組成l振子；振子；l激振元件：激振元件：對振子施加激振力；對振子施加激振力；l拾振元件：拾振元件：測量振子的振動(dòng)頻率。測量振子的振動(dòng)頻率。激振元件激振元件振子振子拾振元件拾振元件放大器放大器被測量被測量頻率輸出頻率輸出山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、類型二、類型n 機(jī)械振子的結(jié)構(gòu)：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。機(jī)械振子的結(jié)構(gòu)：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。n 材料：鐵鎳恒彈合金；石英晶體（振膜或振梁，分扁平形、材料：鐵鎳恒彈合金；石英晶體（振膜或振梁，分扁平形、平凸形、雙凸形）等。平凸形、雙凸形）

5、等。n 諧振式傳感器類型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。諧振式傳感器類型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、振弦式諧振傳感器一、振弦式諧振傳感器l 振弦受張力振弦受張力T T作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率f f為為l振弦的線密度；振弦的線密度；l振弦的有效振動(dòng)長度。振弦的有效振動(dòng)長度。第二節(jié)第二節(jié) 特性特性山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 張力增加張力增加T，振弦的振動(dòng)頻率變?yōu)?，振弦的振?dòng)頻率變?yōu)閘 因?yàn)橐驗(yàn)門/T 1，所以可將上式中括弧里的項(xiàng)展開為冪級(jí)，所以可將上式中括弧里的項(xiàng)展開為冪級(jí)數(shù)，則上式為數(shù)，則上式為 l 單根振弦測壓力時(shí)的非

6、線性誤差單根振弦測壓力時(shí)的非線性誤差為為 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 為了得到良好的線性，常采用為了得到良好的線性，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。上下兩弦對稱，初始張力相。上下兩弦對稱，初始張力相等，當(dāng)被測量作用在膜片上時(shí)，兩個(gè)弦張力變化大小相等、方向相反。等，當(dāng)被測量作用在膜片上時(shí)，兩個(gè)弦張力變化大小相等、方向相反。通過通過差頻電路測得兩弦的頻率差差頻電路測得兩弦的頻率差，則式，則式(9-3)(9-3)中的偶次冪項(xiàng)相抵消，使非中的偶次冪項(xiàng)相抵消，使非線性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。線性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、振膜式諧振傳感器

7、二、振膜式諧振傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院三、振筒式諧振傳感器三、振筒式諧振傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院四、振梁式諧振傳感器四、振梁式諧振傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院五、壓電式式諧振傳感器五、壓電式式諧振傳感器特點(diǎn)：特點(diǎn)：振子和圓筒由一整塊石振子和圓筒由一整塊石英加工；空腔為真空；振子英加工；空腔為真空；振子兩邊一對電極連接外電路組兩邊一對電極連接外電路組成振蕩電路。成振蕩電路。原理：原理：靜態(tài)壓力靜態(tài)壓力p p靜應(yīng)力靜應(yīng)力切切變模量變模量E66固有頻率固有頻率f0公式：公式：山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、開環(huán)電路（一、開環(huán)電路（間歇激勵(lì)式電路）間歇激勵(lì)式電路）第三節(jié)第三節(jié) 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路山東理工大學(xué)機(jī)

8、械學(xué)院工作原理：工作原理：當(dāng)張馳振蕩器給出當(dāng)張馳振蕩器給出激勵(lì)脈沖激勵(lì)脈沖時(shí)，繼電器吸合，電流通時(shí)，繼電器吸合，電流通過磁鐵線圈，使磁鐵吸住振弦。過磁鐵線圈，使磁鐵吸住振弦。脈沖停止后松開振弦，振弦便自由振動(dòng)、與線圈磁鐵脈沖停止后松開振弦，振弦便自由振動(dòng)、與線圈磁鐵的間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并的間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并經(jīng)繼電器常閉接點(diǎn)輸出。經(jīng)繼電器常閉接點(diǎn)輸出。感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率即為振弦的固有頻率感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率即為振弦的固有頻率。線圈兼有線圈兼有激勵(lì)激勵(lì)和和拾振拾振兩種作用。兩種作用。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 為提高線性度，采用圖為提高線性度，采用圖10-8

9、10-8，以，以f f2 2為電路輸出。為電路輸出。lfffffffTlffTUTTUTTUUTTUU21220122010200102山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、振弦式傳感器一、振弦式傳感器n振弦式壓力傳感器振弦式壓力傳感器n可測對象：地層壓力；可測對象：地層壓力；n工作原理：工作原理：測量時(shí)，底座測量時(shí)，底座1111上的膜片上的膜片2 2和所要測量的地和所要測量的地層面直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，層面直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，帶動(dòng)兩個(gè)支架帶動(dòng)兩個(gè)支架1010向兩側(cè)拉開，振弦向兩側(cè)拉開，振弦3 3被拉緊，改變了振被拉緊，改變了振弦的頻率，根據(jù)頻率變化測定膜片

10、所受壓力的大小。弦的頻率，根據(jù)頻率變化測定膜片所受壓力的大小。 第四節(jié)第四節(jié) 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n振弦式錨索傳感器振弦式錨索傳感器n測量錨索測量錨索/ /錨桿加載或長期工作時(shí)的應(yīng)力變化；錨桿加載或長期工作時(shí)的應(yīng)力變化；n工作原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。工作原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、振膜式壓力傳感器二、振膜式壓力傳感器n性能優(yōu)異：性能優(yōu)異：n高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和較高靈敏度（高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和較高靈敏度（0.30.5kPa/Hz）；）；n測量精度可達(dá)測量精度可達(dá)0.01%，重復(fù)性達(dá)十

11、萬分之幾，穩(wěn)定性每年，重復(fù)性達(dá)十萬分之幾，穩(wěn)定性每年0.01% 0.02% 。n應(yīng)用：應(yīng)用：n航空航天領(lǐng)域測大氣參數(shù)（靜壓及動(dòng)壓）、飛行高度、航空航天領(lǐng)域測大氣參數(shù)（靜壓及動(dòng)壓）、飛行高度、飛行速度等；飛行速度等；標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量儀器對其他壓力傳感器標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量儀器對其他壓力傳感器標(biāo)定。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院1 1、微型應(yīng)變片、微型應(yīng)變片 2 2、平膜片、平膜片( (振子振子) )3 3、電磁線圈、電磁線圈4 4、環(huán)狀殼體、環(huán)狀殼體5 5、壓力室、壓力室6 6、參考?jí)毫η?、參考?jí)毫η? 7、基座、基座8 8、導(dǎo)管、導(dǎo)管振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院三、振筒式傳感器

12、三、振筒式傳感器n測量對象：測量對象：氣體的壓力和密度。氣體的壓力和密度。外 殼振 動(dòng) 筒支 承 骨 架基 座拾 振 線 圈諧 振 線 圈鉑 電 阻振筒式壓力傳感器振筒式壓力傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院諧振敏感元件諧振敏感元件山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院振管式密度傳感器振管式密度傳感器（單管式）（單管式）雙管式密度傳感器雙管式密度傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 單管式的工作原理：單管式的工作原理：激磁線圈激磁線圈3 3使振筒（使振筒（磁性材料磁性材料）振動(dòng)）振動(dòng)時(shí)，管中的被測介質(zhì)隨之振動(dòng)，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的時(shí)，管中的被測介質(zhì)隨之振動(dòng)，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結(jié)果系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈質(zhì)量

13、上，結(jié)果系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈4 4檢測。檢測。介質(zhì)密度不同使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度介質(zhì)密度不同使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度值，這就是它的工作原理。值，這就是它的工作原理。l 單管式的缺點(diǎn)：單管式的缺點(diǎn)：管子被固定的兩端對固定塊有一反作用力，管子被固定的兩端對固定塊有一反作用力，將引起基座的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致測將引起基座的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致測量誤差。量誤差。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l雙管式的特點(diǎn)：雙管式的特點(diǎn)：l兩根管子的振動(dòng)頻率相同但方向相反，因此它們對固定基座的兩根管子的振動(dòng)頻率相同但方向相反，因此它們對固定基座的作用相互抵消，不會(huì)引起基座的運(yùn)動(dòng)，從而提高了振動(dòng)管振動(dòng)作用相互抵消，不會(huì)引起基座的運(yùn)動(dòng)，從而提高了振動(dòng)管振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性。頻率的穩(wěn)定性。l被測介質(zhì)流過傳感器的兩根平行的振動(dòng)管，管子的端部固定在被測介質(zhì)流過傳感器的兩根平行的振動(dòng)管，管子的端部