第9章諧振式傳感器

1、第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器 諧振式傳感器是諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化物體諧振頻率變化的裝置，也稱的裝置，也稱頻率式傳感器頻率式傳感器。 優(yōu)點優(yōu)點：精度高、分辨力高；精度高、分辨力高；穩(wěn)定性高、穩(wěn)定性高、可靠性高、抗干擾能力強；可靠性高、抗干擾能力強；適于長距離傳輸且適于長距離傳輸且功耗低；功耗低；能直接與數(shù)字設(shè)備相連接；能直接與數(shù)字設(shè)備相連接；無活動無活動部件，機械結(jié)構(gòu)牢固等。部件，機械結(jié)構(gòu)牢固等。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器 缺點缺點：要求材料質(zhì)量較高；要求材料質(zhì)量較高；加工工藝復(fù)加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本較高；雜、生

2、產(chǎn)周期長、成本較高；其輸出頻率與被其輸出頻率與被測量的關(guān)系往往是非線性的，須進行線性化處理測量的關(guān)系往往是非線性的，須進行線性化處理才能保證良好的精度。才能保證良好的精度。 諧振式傳感器種類很多，按它們諧振的原理諧振式傳感器種類很多，按它們諧振的原理可分為：可分為：機械的、電的和原子的三類機械的、電的和原子的三類。常用電子常用電子振蕩器有振蕩器有RC振振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。蕩電路和石英晶體振蕩電路等。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器 1. .RC振蕩器式溫度振蕩器式溫度頻率傳感器頻率傳感器 如圖所示，它利用熱敏電阻如圖所示，它利用熱敏電阻RT測量溫度。測量溫度。RT作為作為RC振蕩

3、器的一部分，振蕩頻率與振蕩器的一部分，振蕩頻率與RT有關(guān)。該有關(guān)。該電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一種電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一種RC文文氏電橋氏電橋正弦波發(fā)生器。正弦波發(fā)生器。 2. .MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個首尾相環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個首尾相連成閉環(huán)的反相器組成，如圖所示。輸出頻率與連成閉環(huán)的反相器組成，如圖所示。輸出頻率與每個門的平均延遲時間及門的數(shù)目成反比。每個門的平均延遲時間及門的數(shù)目成反比。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器利用了環(huán)振式

4、數(shù)字加速度傳感器利用了MOS管的力敏效應(yīng)管的力敏效應(yīng)。如圖所示，在應(yīng)力作用下，由。如圖所示，在應(yīng)力作用下，由于于硅的壓阻效應(yīng)硅的壓阻效應(yīng)，MOS管源、漏極之間的溝道管源、漏極之間的溝道電阻將發(fā)生變化。從而改變反相器的延遲時間。電阻將發(fā)生變化。從而改變反相器的延遲時間。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器如圖所示，當質(zhì)量塊在加速度作用下使硅如圖所示，當質(zhì)量塊在加速度作用下使硅梁發(fā)生彎曲變形時，在硅梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力梁發(fā)生彎曲變形時，在硅梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力S，從而使從而使MOS管的特性發(fā)生改變。管的特性發(fā)生改變。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器加速度使得由加速度使得由MOS管組成的環(huán)形振蕩器的諧管

5、組成的環(huán)形振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測振蕩頻率的改變可檢振頻率發(fā)生變化，通過檢測振蕩頻率的改變可檢測加速度的大小。為了減小環(huán)境溫度的影響，可測加速度的大小。為了減小環(huán)境溫度的影響，可以采用如圖所示結(jié)構(gòu)。以采用如圖所示結(jié)構(gòu)。第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器 本章主要討論本章主要討論機械式諧振傳感器機械式諧振傳感器。它是一。它是一種種頻率式數(shù)字傳感器頻率式數(shù)字傳感器。所謂頻率式數(shù)字傳感器。所謂頻率式數(shù)字傳感器是指，它能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對是指，它能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的、便于處理的準數(shù)字信號應(yīng)的、便于處理的準數(shù)字信號頻率信號。頻率信號。第第9章章 諧振式傳感器諧振式

6、傳感器9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4 諧振式傳感器應(yīng)用舉例諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理 機械式諧振傳感器的基本組成如圖所示。振動機械式諧振傳感器的基本組成如圖所示。振動元件是核心部件，稱為元件是核心部件，稱為振子振子或或諧振子諧振子?？刹捎瞄]環(huán)。可采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，也可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)。補償裝置主要對溫度誤結(jié)構(gòu)，也可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)。補償裝置主要對溫度誤差進行補償。頻率檢測實現(xiàn)對周期信號頻率即諧振差進行補償。頻率

7、檢測實現(xiàn)對周期信號頻率即諧振頻率的檢測，從而可確定被測量的大小。頻率的檢測，從而可確定被測量的大小。9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型 按諧振子的結(jié)構(gòu)，常見的諧振式傳感器可分為按諧振子的結(jié)構(gòu)，常見的諧振式傳感器可分為振弦式振弦式、振梁式振梁式、振膜式振膜式和和振筒式振筒式，對應(yīng)的振子形，對應(yīng)的振子形狀分別為張絲狀、梁狀、膜片狀和筒狀。狀分別為張絲狀、梁狀、膜片狀和筒狀。lTrphph2rllph ( (a) )張絲狀張絲狀

8、 ( (b) )梁狀梁狀 ( (c) )膜片狀膜片狀 ( (d) )筒狀筒狀9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型 振子材料有振子材料有 恒彈性模量的恒模材料，如鐵鎳恒彈合金恒彈性模量的恒模材料，如鐵鎳恒彈合金等。但這種材料易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的等。但這種材料易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響。影響。 石英晶體，在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)石英晶體，在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)性和極小的遲滯，特別是其品質(zhì)因數(shù)性和極小的遲滯，特別是其品質(zhì)因數(shù)Q值極高，且值極高，且不受環(huán)境溫度影響，性能長期穩(wěn)定。不受環(huán)境溫度影響，性能長期穩(wěn)定。 硅。硅。 用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振用石英晶

9、體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。振子常為膜片狀或梁狀，按振子上下表面?zhèn)鞲衅?。振子常為膜片狀或梁狀，按振子上下表面形狀又分為形狀又分為扁平形扁平形、平凸形平凸形和和雙凸形雙凸形三種。其中雙三種。其中雙凸形振子凸形振子Q值最高可達值最高可達106107，因而較多采用。，因而較多采用。石英晶體的振動模式有石英晶體的振動模式有長度伸縮長度伸縮、彎曲彎曲、面切變面切變和和厚度切變厚度切變等，其中厚度切變是主要的應(yīng)用模式。等，其中厚度切變是主要的應(yīng)用模式。h( (a) )扁平形扁平形 ( (b) )平凸形平凸形 ( (c) )雙凸形雙凸形9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型 根據(jù)根據(jù)能

10、陷理論能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸是徑向尺寸f f和晶片厚度和晶片厚度h之比值的大小。一般，之比值的大小。一般，在在f f/ /h15時，采用雙凸形。通常時，采用雙凸形。通常h取取0.20.5 mm。雙凸形晶片的優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活。雙凸形晶片的優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力高，能抑制其他耦合作用。但加工較復(fù)雜。力高，能抑制其他耦合作用。但加工較復(fù)雜。 當當15f f/ /h45時，采用平凸形，優(yōu)點是邊時，采用平凸形，優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力較高，頻率溫度特性曲線一緣效應(yīng)小，振動活力較高，頻率溫度特性曲線一致性較好。致性較好。 f f/ /h45時，

11、采用扁平形。時，采用扁平形。9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型 石英晶體振蕩器的基本原理石英晶體振蕩器的基本原理 在石英晶體的電極上施加交變激勵電壓時，在石英晶體的電極上施加交變激勵電壓時，由于由于逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，石英晶體會產(chǎn)生機械振動。石，石英晶體會產(chǎn)生機械振動。石英晶體是彈性體，它存在固有振動頻率。當強迫英晶體是彈性體，它存在固有振動頻率。當強迫振動頻率等于其固有振動頻率時會產(chǎn)生諧振。振動頻率等于其固有振動頻率時會產(chǎn)生諧振。 思考題：固有頻率與諧振頻率是否相同？為思考題：固有頻率與諧振頻率是否相同？為什么？什么？9.1.1

12、 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型 隨著隨著微電子技術(shù)微電子技術(shù)和和微機械加工技術(shù)微機械加工技術(shù)的興起，以的興起，以硅為振子材料的硅為振子材料的硅微機械諧振傳感器硅微機械諧振傳感器越來越受到了越來越受到了重視。這種傳感器利用成熟的硅集成制造工藝，能重視。這種傳感器利用成熟的硅集成制造工藝，能得到大批量的可靠性高、靈敏度高、價格低廉、體得到大批量的可靠性高、靈敏度高、價格低廉、體積小、功耗低的產(chǎn)品，特別是便于構(gòu)成集成化測量積小、功耗低的產(chǎn)品，特別是便于構(gòu)成集成化測量系統(tǒng)。其振子常為微懸臂梁、兩端固支微梁系統(tǒng)。其振子常為微懸臂梁、兩端固支微梁( (橋橋) )、方膜或圓膜等形狀，尺寸在方膜或圓膜

13、等形狀，尺寸在微米微米量級。量級。9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理9.1.1 諧振式傳感器的類型諧振式傳感器的類型9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 設(shè)振子設(shè)振子等效剛度等效剛度為為ke，等效振動質(zhì)量等效振動質(zhì)量為為me，則，則振子諧振頻率振子諧振頻率f可近似表示為可近似表示為 若振子受到力的作用或其中的介質(zhì)質(zhì)量發(fā)生若振子受到力的作用或其中的介質(zhì)質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，其諧振頻率也會發(fā)生變化。此即機械式諧變化，其諧振頻率也會發(fā)生變化。此即機械式諧振傳感器的基本工作原理。振傳感

14、器的基本工作原理。) 1 . 9(21eemkf 9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 1. .諧振頻率諧振頻率 以振弦式諧振傳感器為例求以振弦式諧振傳感器為例求其諧振頻率。如圖所示，一根兩端其諧振頻率。如圖所示，一根兩端固定，長度為固定，長度為l，線密度線密度( (單位長度單位長度質(zhì)量質(zhì)量) )為為r r的弦，受到張力的弦，受到張力T作用。作用。設(shè)振動幅度很小，可認為弦內(nèi)張力設(shè)振動幅度很小，可認為弦內(nèi)張力不因振動而變。不因振動而變。lTxy9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 在在x處取長度為處取長度為dx的微的微段?？紤]到微段的質(zhì)量為段。考慮到微段的

15、質(zhì)量為r rdx，及，及dq q( ( q q/ / x) )dx，忽略重力的影響，則忽略重力的影響，則y方向方向運動方程為運動方程為).(29dd22tyxTxxTrqqqxyyxqTTdxq+dq9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理化簡得化簡得9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理因弦的斜率為因弦的斜率為q q y/ / x，所以上式可變換為，所以上式可變換為 22tyxTrq2222tyTxyr).(39122222tyxy式中，式中， 2T/ /r r， 可被證明為沿弦傳播的波速?？杀蛔C明為沿弦傳播的波速。).(39122222tyxy 假設(shè)上式的

16、解為假設(shè)上式的解為 ).()()(),(49tGxYtxy將式將式( (9. .4) )代入式代入式( (9. .3) )得得 ).(1159dd1dd22222tGGxYY9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 因方程左邊與因方程左邊與t無關(guān)，右邊與無關(guān)，右邊與x無關(guān)，所以無關(guān)，所以兩邊兩邊必須都等于同一常量必須都等于同一常量。令這一常量為。令這一常量為( (w w/ / ) )2，即可得兩個微分方程即可得兩個微分方程 )7 . 9(0dd)6 . 9(0dd222222GtGYxYww/)/(/9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理).(1159dd1d

17、d22222tGGxYY)7 . 9(0dd)6 . 9(0dd222222GtGYxYww/)/(/其一般解為其一般解為)9 . 9()8 . 9(cossincossintDtCGxBxAYwwww)/()/(9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 任意常數(shù)任意常數(shù)A、B、C、D取決于取決于邊界條件邊界條件和和初始初始條件條件。邊界條件為。邊界條件為y( (0, ,t) )y( (l, ,t) )0。y( (0, ,t) )0要求要求B0，即解必須具有如下形式，即解必須具有如下形式).()/()(109sincossinwwwxAtDtCy而而y( (l, ,t) )0則

18、要求則要求 )11. 9(0sin)/(wl)9 . 9()8 . 9(cossincossintDtCGxBxAYwwww)/()/(9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理亦即要求振動角頻率滿足亦即要求振動角頻率滿足)13. 9(21221rwTllf當振弦一定時，諧振頻率當振弦一定時，諧振頻率f與張力與張力T及長度及長度l有關(guān)。有關(guān)。將被測物理量轉(zhuǎn)換為將被測物理量轉(zhuǎn)換為T或或l的改變量，即可通過測量的改變量，即可通過測量f而確定被測量的大小。而確定被測量的大小。令令n1，即可得諧振頻率，即可得諧振頻率( (一次振型一次振型) )為為).(,/129 3 2 1nnlnw9

19、.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 2. .振動激勵方式振動激勵方式 為測出諧振頻率，須設(shè)法激勵振子振動。起為測出諧振頻率，須設(shè)法激勵振子振動。起振后，還需要及時補充能量。給振子補充能量的振后，還需要及時補充能量。給振子補充能量的方式一般有兩種：方式一般有兩種：連續(xù)激勵法連續(xù)激勵法和和間歇激勵法間歇激勵法。 ( (1) )連續(xù)激勵法連續(xù)激勵法 是指是指按振子的振動周期補按振子的振動周期補充能量充能量，使其振幅維持不變使其振幅維持不變。又可分為。又可分為電流法電流法、電磁法電磁法、電荷法電荷法和和電熱法電熱法等。等。9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 電

20、流法。接通電源電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始振動。若不考慮振弦開始振動。若不考慮阻尼，外接線路無需再給阻尼，外接線路無需再給振弦提供電流，即可依靠振弦提供電流，即可依靠彈性力彈性力維持等幅振動，振維持等幅振動，振動頻率即諧振頻率。動頻率即諧振頻率。NS放大正反饋T9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 然而阻尼總是存在的，除然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼電磁阻尼外還有外還有空空氣阻尼氣阻尼等。等。振弦在運動過程中切割磁力線產(chǎn)生感振弦在運動過程中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該電勢通過外接閉合回路形成電流，使應(yīng)電勢，該電勢通過外接閉合回路形成電流

21、，使振弦受到大小正比于運動速度、方向和運動速度振弦受到大小正比于運動速度、方向和運動速度相反的磁場力的作用，此即電磁阻尼。相反的磁場力的作用，此即電磁阻尼。 設(shè)想將上述感應(yīng)電勢測出來，然后通過設(shè)想將上述感應(yīng)電勢測出來，然后通過正反正反饋饋在振弦兩端加幅度相同、相位也相同的外接電在振弦兩端加幅度相同、相位也相同的外接電勢，則不會產(chǎn)生電磁阻尼。若外接電勢略大于上勢，則不會產(chǎn)生電磁阻尼。若外接電勢略大于上述感應(yīng)電勢，還可消除其他阻尼的影響。述感應(yīng)電勢，還可消除其他阻尼的影響。9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容

22、易疲勞，又因振弦通電，所以須考慮它與外殼絕緣問題。又因振弦通電，所以須考慮它與外殼絕緣問題。若絕緣材料的熱膨脹系數(shù)與振弦的熱膨脹系數(shù)差若絕緣材料的熱膨脹系數(shù)與振弦的熱膨脹系數(shù)差別大，則易產(chǎn)生溫度誤差。別大，則易產(chǎn)生溫度誤差。9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 電磁法，也稱電磁法，也稱線圈線圈法法。這種方法在振弦中無。這種方法在振弦中無電流通過。用兩組電磁線電流通過。用兩組電磁線圈，激振線圈用來連續(xù)激圈，激振線圈用來連續(xù)激勵振弦，感應(yīng)線圈用來接勵振弦，感應(yīng)線圈用來接收信號。通過外接電路形收信號。通過外接電路形成正反饋，使振弦維持連成正反饋，使振弦維持連續(xù)振動。續(xù)振動。T12

23、341鐵片；鐵片；2感應(yīng)線圈；感應(yīng)線圈；3放大器；放大器；4激振線圈激振線圈 9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 電荷法。對振子材料為石英晶體的諧振式傳電荷法。對振子材料為石英晶體的諧振式傳感器，用金屬蒸發(fā)沉積法在石英振梁上下表面對稱感器，用金屬蒸發(fā)沉積法在石英振梁上下表面對稱地設(shè)置四個電極。左邊兩個為一組，右邊兩個為一地設(shè)置四個電極。左邊兩個為一組，右邊兩個為一組。當一組電極加上某方向的電場時，因逆壓電效組。當一組電極加上某方向的電場時，因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)產(chǎn)生厚度切變厚度切變，矩形梁段變成平行四邊形；電場，矩形梁段

24、變成平行四邊形；電場反向，平行四邊形的傾斜也反向。反向，平行四邊形的傾斜也反向。9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 兩組電極所加電場的極性相反時，梁就呈一兩組電極所加電場的極性相反時，梁就呈一階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場的極性，梁階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場的極性，梁向相反方向彎曲。這樣就可組成自激振蕩電路，向相反方向彎曲。這樣就可組成自激振蕩電路，使梁在一階彎曲狀態(tài)下起振，通過正反饋維持等使梁在一階彎曲狀態(tài)下起振，通過正反饋維持等幅振蕩。幅振蕩。 電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制作表面中部制作激振電阻激振電阻，在

25、一端制作，在一端制作壓敏拾振電壓敏拾振電阻阻。激振電阻中通以交變的激勵電流，產(chǎn)生橫向。激振電阻中通以交變的激勵電流，產(chǎn)生橫向振動。拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用，阻值周期振動。拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用，阻值周期性變化，通過正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振性變化，通過正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振動。動。1432hl5p1硅微橋；硅微橋；2激振電阻；激振電阻；3拾振電阻；拾振電阻；4支柱；支柱；5膜片膜片9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理9.1.2 諧振式傳感器的基本原理諧振式傳感器的基本原理 ( (2) )間歇激勵法間歇激勵法 不是按不是按振動周期，而是振動周期，而是按一定的

26、時間按一定的時間間隔間隔( (多個振動周期多個振動周期) )給振子補給振子補充能量充能量。振子在激勵脈沖作用。振子在激勵脈沖作用下起振后做振幅逐漸衰減的振下起振后做振幅逐漸衰減的振動，衰減到一定程度后再次激動，衰減到一定程度后再次激勵，使振幅再次達到最大值，勵，使振幅再次達到最大值，重新開始下一輪衰減振動。重新開始下一輪衰減振動。T12341鐵片；鐵片；2感應(yīng)感應(yīng)線圈；線圈；3永久磁永久磁鐵；鐵；4電磁鐵電磁鐵 第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電

27、路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4 諧振式傳感器應(yīng)用舉例諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點 諧振式傳感器通過測量諧振頻率來確定被測量諧振式傳感器通過測量諧振頻率來確定被測量的大小，而的大小，而諧振頻率與被測量之間通常是非線性關(guān)諧振頻率與被測量之間通常是非線性關(guān)系系。因此，分析其特性時不僅要分析其輸出輸入關(guān)。因此，分析其特性時不僅要分析其輸出輸入關(guān)系、靈敏度等，還要分析其非線性誤差。系、靈敏度等，還要分析其非線性誤差。諧振式傳諧振式傳感器的設(shè)計則主要是振子的設(shè)計感器的設(shè)計則主要是振子的設(shè)計，因為它是實現(xiàn)將，因為它是實現(xiàn)將被測量的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率變化

28、的關(guān)鍵元件。被測量的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率變化的關(guān)鍵元件。9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 1. .振弦式諧振傳感器特性振弦式諧振傳感器特性 對圖示振弦式傳感器，其諧振頻率如式對圖示振弦式傳感器，其諧振頻率如式( (9. .13) )所示。為了方便，寫成所示。為了方便，寫成 )14. 9(210rTlf 弦的張力增加弦的張力增加D DT后后 )15. 9(1210TTfTTlfDDrlT將式將式( (9. .15)

29、 )兩邊平方，并令兩邊平方，并令D Dfff0，得，得 ).(1692200TTffffD DD)15. 9(1210TTfTTlfDDr9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性).(1692200TTffffD DD通常，通過選擇合適的工作點可使通常，通過選擇合適的工作點可使D Df/ /f01，從而，從而可忽略上式中的平方項，得到近似的線性輸出輸入可忽略上式中的平方項，得到近似的線性輸出輸入關(guān)系為關(guān)系為)17. 9(20TTffDD9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 忽略非線性項后，非線性誤差忽略非線性項后，非線性誤差d d和靈敏度和靈敏度Sn分分別為別為).().(

30、1992189220n0020TfTfSffffffDDDD Dd9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性).(1692200TTffffD DD 為了得到良好的線性關(guān)為了得到良好的線性關(guān)系，常常采用差動結(jié)構(gòu)。通系，常常采用差動結(jié)構(gòu)。通過差頻電路測得兩弦的頻率過差頻電路測得兩弦的頻率差，則不僅能提高靈敏度，差，則不僅能提高靈敏度，還可減小非線性。還可減小非線性。1239.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 2. .其他諧振傳感器特性簡介其他諧振傳感器特性簡介 ( (1) )振梁式諧振傳感器振梁式諧振傳感器 振梁受到壓力振梁受到壓力p作用作用時，其諧振頻率時，其諧振頻率f和壓力

31、和壓力p的關(guān)系為的關(guān)系為).(209200 DDffbffap式中，式中，a、b為常數(shù)。為常數(shù)。lph9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 ( (2) )振膜式諧振傳感器振膜式諧振傳感器 膜片受到壓力膜片受到壓力p作用作用時，諧振頻率時，諧振頻率f與膜片中心靜與膜片中心靜撓度撓度Wp的關(guān)系及的關(guān)系及Wp與與p的關(guān)系分別為的關(guān)系分別為).()().(22916132191442310pEhrhWchWhWcffppp式中，式中，c1、c為常數(shù)。為常數(shù)。 rph9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 ( (3) )振筒式諧振傳感器振筒式諧振傳感器 振筒振筒受到壓力受到壓力p作

32、用時，諧振頻率作用時，諧振頻率f與壓與壓力力p的關(guān)系近似為的關(guān)系近似為).(32910Bpff式中，式中，B 3( (1 2)/()/(4E)()(r/ /h) )3，稱為壓差靈，稱為壓差靈敏度系數(shù)。敏度系數(shù)。 ph2rl9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 ( (4) )壓電式諧振傳感器壓電式諧振傳感器 石英振子壓力傳感器石英振子壓力傳感器采用采用厚度切變厚度切變振動模式振動模式AT切型切型石英晶體制成，用石英晶體制成，用一整塊石英加工出振子和圓筒，端蓋是密封的，空一整塊石英加工出振子和圓筒，端蓋是密封的，空腔被抽成真空。腔被抽成真空。pp12134 3 29.2.1 諧振式傳感

33、器的特性諧振式傳感器的特性 設(shè)石英振子的密度為設(shè)石英振子的密度為r r，中心厚度為，中心厚度為h，則石，則石英振子的諧振頻率為英振子的諧振頻率為).(1249266hEfr式中，式中，E66為石英振子的為石英振子的切變模量切變模量，它對頻率的影，它對頻率的影響起主導(dǎo)作用。腔壁受靜態(tài)壓力響起主導(dǎo)作用。腔壁受靜態(tài)壓力p作用時，引起振作用時，引起振子應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致振子諧振頻率變化，而子應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致振子諧振頻率變化，而諧諧振頻率振頻率f的變化與所加壓力的變化與所加壓力p呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系，這種靜應(yīng)，這種靜應(yīng)力力頻移效應(yīng)主要是頻移效應(yīng)主要是E66隨壓力隨壓力p變化而產(chǎn)生的。變化而產(chǎn)生的。9.

34、2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 ( (5) )硅微機械諧振傳感器硅微機械諧振傳感器 其諧振頻率其諧振頻率f與軸與軸向應(yīng)力向應(yīng)力s s的關(guān)系為的關(guān)系為).(2591er0ss ff式中式中，s ser為為臨界歐拉應(yīng)力臨界歐拉應(yīng)力；f0為軸向應(yīng)力為軸向應(yīng)力s s0時時的諧振頻率。的諧振頻率。1432hl5p9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性 例例9. .1 求圖示由兩根弦組成的差動式壓力傳求圖示由兩根弦組成的差動式壓力傳感器的非線性誤差和靈敏度。感器的非線性誤差和靈敏度。rTlf210123當被測壓力變化時，設(shè)上弦張力增加當被測壓力變化時，設(shè)上弦張力增加D DT，則下弦

35、，則下弦張力減小張力減小D DT，上、下弦諧振頻率上、下弦諧振頻率f1、f2分別變?yōu)榉謩e變?yōu)?解：在初始狀態(tài)下，兩弦的張力解：在初始狀態(tài)下，兩弦的張力相等，諧振頻率皆為相等，諧振頻率皆為9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性令令kD DT/ /T，若滿足，若滿足k1，則，則TTffTTff/DD110201)/()/(168211682132023201kkkffkkkff9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性通過差頻電路測得兩弦的頻率差為通過差頻電路測得兩弦的頻率差為)/(83021kkffffD所以，這種差動式壓力傳感器的非線性誤差和靈所以，這種差動式壓力傳感器的非線性

36、誤差和靈敏度分別為敏度分別為TfTkfTfSffkkfkf/)/(/)/(/(00n202030888DDDDd9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性)/()/(168211682132023201kkkffkkkffTfTkfTfSffkkfkf/)/(/)/(/(00n202030888DDDDd可見非線性誤差比單根振弦小得多，靈敏度則為可見非線性誤差比單根振弦小得多，靈敏度則為單根弦的單根弦的2倍。倍。9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性).().(1992189220n0020TfTfSffffffDDDD Dd單根振弦時非線性誤差和靈敏度分別為單根振弦時非線性誤

37、差和靈敏度分別為9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 1. .振振 子子 振子設(shè)計主要從以下幾方面考慮。振子設(shè)計主要從以下幾方面考慮。 ( (1) )減小非線性減小非線性。選擇合適的工作點和最佳選擇合適的工作點和最佳工作頻段，也可在轉(zhuǎn)換電路中進行非線性校正；工作頻段，也可在轉(zhuǎn)換電路中進行非線性校正；采用差動結(jié)構(gòu)來減小非線性、提高靈敏度，同采用差動結(jié)構(gòu)來減小非線性、提高靈敏度，同時還可減小溫度等外界因素的影響

38、；時還可減小溫度等外界因素的影響；采用厚度采用厚度切變振動模式切變振動模式AT切型石英晶體制作的石英振子則切型石英晶體制作的石英振子則能得到線性的輸出輸入特性。能得到線性的輸出輸入特性。9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 ( (2) )提高靈敏度提高靈敏度。通過適當選擇振子的參數(shù)來通過適當選擇振子的參數(shù)來提高靈敏度。提高靈敏度。適當選擇物理特性參數(shù)：材料的適當選擇物理特性參數(shù)：材料的密度密度r r、泊松比、泊松比 、彈性模量、彈性模量E等；等；結(jié)構(gòu)參數(shù)：結(jié)構(gòu)參數(shù)：厚度厚度h、半徑、半徑r、長度、長度l等；等；初始諧振頻率初始諧振頻率f0、預(yù)、預(yù)加載荷加載荷T0等；等；壓電

39、式諧振傳感器采取圍壓加載壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時，其靈敏度最高。方式時，其靈敏度最高。9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 ( (3) )提高穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性。在諧振式傳感器中，諧振子在諧振式傳感器中，諧振子的的品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q是一個極其重要的指標。是一個極其重要的指標。Q的定義為的定義為).(每周因阻尼損耗的能量每周平均存儲的能量269Q對阻尼系數(shù)對阻尼系數(shù)x x1的弱阻尼系統(tǒng)，利用諧振子的幅的弱阻尼系統(tǒng)，利用諧振子的幅頻特性可得頻特性可得9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 式中，式中，w w1、w w2對應(yīng)的幅對應(yīng)的幅值增益為值增益為

40、，稱為，稱為半半功率點功率點。因此，可根據(jù)幅。因此，可根據(jù)幅頻特性曲線求振子的品質(zhì)頻特性曲線求振子的品質(zhì)因數(shù)及阻尼比。因數(shù)及阻尼比。).(/)-/().()/(122892792100mffQAQDwwwx1A( )1200AmA /m21 2/2/mA2/mA9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點顯然，顯然，Q值反映了諧振子阻尼比的大小及振值反映了諧振子阻尼比的大小及振動中消耗能量快慢的程度，同時也反映了幅頻特動中消耗能量快慢的程度，同時也反映了幅頻特性曲線諧振峰陡峭的程度，即振子性曲線諧振峰陡峭的程度，即振子選頻能力選頻能力的強的強弱。它越大，自激振蕩回路越易于起振，諧振

41、頻弱。它越大，自激振蕩回路越易于起振，諧振頻率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作越穩(wěn)定，抗外界率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作越穩(wěn)定，抗外界干擾的能力越強，重復(fù)性也就越好。干擾的能力越強，重復(fù)性也就越好。).(/)-/().()/(122892792100mffQAQDwwwx9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 要提高要提高Q，必須提高振子的固有頻率，必須提高振子的固有頻率f0，也，也就必須采用彈性模量高、剛度大、質(zhì)就必須采用彈性模量高、剛度大、質(zhì)量小且參量小且參數(shù)穩(wěn)定的振子材料。數(shù)穩(wěn)定的振子材料。 振弦材料可選鎢絲、鍍銀的石英絲、琴鋼振弦材料可選鎢絲、鍍銀的石英絲、琴鋼絲等；振筒材

42、料可選具有恒彈性模量的鐵鎳恒絲等；振筒材料可選具有恒彈性模量的鐵鎳恒彈合金等；振膜和振梁材料可選石英晶體等。彈合金等；振膜和振梁材料可選石英晶體等。).(/)-/(12289 00ffQDwww9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 ( (4) )減小溫度誤差減小溫度誤差?？刹扇〉拇胧┯校嚎刹扇〉拇胧┯校翰捎貌捎昧銣囟认禂?shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的材料，且其零溫度系數(shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的材料，且其彈性模量受溫度影響?。粡椥阅Ａ渴軠囟扔绊懶?；采用電路補償；采用電路補償；采取采取恒溫措施；恒溫措施；傳感器設(shè)計成封閉系統(tǒng)，使傳感器機傳感器設(shè)計成封閉系統(tǒng)，使傳感器機械結(jié)構(gòu)自身達到熱

43、補償；械結(jié)構(gòu)自身達到熱補償；對因溫度變化而影響振對因溫度變化而影響振子諧振頻率的部分，通過選取適當?shù)某叽绾蜏囟认底又C振頻率的部分，通過選取適當?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。數(shù)，保持脹縮平衡。 2. .磁磁 鐵鐵 對需要采用磁鐵激勵振蕩或進行信號測量對需要采用磁鐵激勵振蕩或進行信號測量的諧振式傳感器，磁場可由的諧振式傳感器，磁場可由永久磁鐵永久磁鐵產(chǎn)生，也產(chǎn)生，也可用可用直流電磁鐵直流電磁鐵。9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 在在電流法激勵振弦電流法激勵振弦的方式中，為的方式中，為提高氣隙中心磁通密度，并照顧加工提高氣隙中心磁通密度，并照顧加工方便，通常用電工純鐵制成尖

44、形的磁方便，通常用電工純鐵制成尖形的磁極，極，然后與永久磁鐵連在一起。圖中然后與永久磁鐵連在一起。圖中P為永久磁鐵，材料為為永久磁鐵，材料為AlNiCo-硬磁硬磁合金，合金，F(xiàn)1、F2為磁極。為磁極。P和和F1、F2的接的接觸面及觸面及F1、F2的端部都應(yīng)的端部都應(yīng)研磨光潔，研磨光潔，以減小磁阻并使磁力線分布均勻。以減小磁阻并使磁力線分布均勻。PF1F29.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 圖示為磁極形狀和尺寸，其圖示為磁極形狀和尺寸，其中，中，g g60 、d0.5 mm、R0.5 mm、氣隙厚度約、氣隙厚度約10

45、 mm，氣隙中，氣隙中磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B0.07 T。 在在電磁法激勵振弦電磁法激勵振弦的方式中，磁鐵一般用的方式中，磁鐵一般用AlNiCo-硬磁合金，硬磁合金，激勵線圈和感應(yīng)線圈應(yīng)垂激勵線圈和感應(yīng)線圈應(yīng)垂直放置直放置，以防它們之間直接耦合。為方便線圈，以防它們之間直接耦合。為方便線圈的安裝，磁鐵常制成的安裝，磁鐵常制成U形，而把電磁線圈安裝在形，而把電磁線圈安裝在U形磁鐵的一臂。形磁鐵的一臂。dRg 3. .振弦夾緊裝置振弦夾緊裝置 振弦式傳感器工作時，振弦處于張緊狀態(tài)。振弦式傳感器工作時，振弦處于張緊狀態(tài)。因此，振弦的兩端必須與支架及運動部分固接。因此，振弦的兩端必須與支架及運動部分固

46、接。固接方法有兩種固接方法有兩種 將振弦兩端與支架及運動部分焊接；將振弦兩端與支架及運動部分焊接； 用夾緊裝置將振弦夾緊。用夾緊裝置將振弦夾緊。 一般采用第二種方法，為此需設(shè)計專門的夾一般采用第二種方法，為此需設(shè)計專門的夾緊裝置。緊裝置。9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 9.2.2 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 一個良好的振弦夾緊裝置應(yīng)滿足：一個良好的振弦夾緊裝置應(yīng)滿足：抗滑能力抗滑能力強，弦在長期受拉或反復(fù)激發(fā)振動的情況下，夾頭強，弦在長期受拉或反復(fù)激發(fā)振動的情況下，夾頭不松動；不松動；加工簡單，安裝方便，發(fā)生故障后易于加工簡單，安裝方便，發(fā)生故障后易

47、于拆卸，并能重復(fù)使用；拆卸，并能重復(fù)使用；易于調(diào)整弦的初始頻率，易于調(diào)整弦的初始頻率，安裝和調(diào)頻時能保證振弦不發(fā)生轉(zhuǎn)動。安裝和調(diào)頻時能保證振弦不發(fā)生轉(zhuǎn)動。 目前，振弦式傳感器中常用的夾緊裝置有目前，振弦式傳感器中常用的夾緊裝置有銷釘銷釘式式、錐形栓式錐形栓式和和剪式剪式等幾種。它們各有優(yōu)缺點，可等幾種。它們各有優(yōu)缺點，可根據(jù)加工條件、精度要求、調(diào)頻及裝拆情況等方面根據(jù)加工條件、精度要求、調(diào)頻及裝拆情況等方面來選擇，也可設(shè)計成其他形式的結(jié)構(gòu)。來選擇，也可設(shè)計成其他形式的結(jié)構(gòu)。9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1 諧振式傳感器的特性諧振式傳感器的特性9.2.2

48、 諧振式傳感器的設(shè)計要點諧振式傳感器的設(shè)計要點 第第9章章 諧振式傳感器諧振式傳感器9.1 諧振式傳感器的類型與原理諧振式傳感器的類型與原理9.2 諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4 諧振式傳感器應(yīng)用舉例諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 按激勵信號產(chǎn)生的方式可將轉(zhuǎn)換電路分為按激勵信號產(chǎn)生的方式可將轉(zhuǎn)換電路分為開開環(huán)式環(huán)式和和閉環(huán)式閉環(huán)式兩種。前者是由單獨的信號發(fā)生器兩種。前者是由單獨的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，后者是由拾振環(huán)節(jié)的信號通過正產(chǎn)生激勵信號，后者是由拾振環(huán)節(jié)的信號通過

49、正反饋作為激勵信號。反饋作為激勵信號。 為提高輸出輸入關(guān)系的線性度，對非線性嚴為提高輸出輸入關(guān)系的線性度，對非線性嚴重的諧振式傳感器，還可將諧振頻率平方后再進重的諧振式傳感器，還可將諧振頻率平方后再進行輸出。行輸出。9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1 開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3 以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路9.3.1 開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 這是采用這是采用間歇激勵方式間歇激勵方式的振弦式諧振傳感器的振弦式諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。如圖所示，是一種比圖的轉(zhuǎn)換電路。如圖所示，是一種比圖9

50、. .9所示更所示更為簡單的轉(zhuǎn)換電路形式。線圈兼有激振和拾振兩為簡單的轉(zhuǎn)換電路形式。線圈兼有激振和拾振兩種作用，有利于減小傳感器體積。種作用，有利于減小傳感器體積。tt激勵脈沖輸出信號張馳振蕩器 輸出9.3 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1 開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3 以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 這是采用這是采用連續(xù)激勵方連續(xù)激勵方式式的諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電的諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。連續(xù)激勵方式不同，路。連續(xù)激勵方式不同，轉(zhuǎn)換電路也不同。轉(zhuǎn)換電路也不同。

51、1. .電流法轉(zhuǎn)換電路電流法轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路如圖所示，轉(zhuǎn)換電路如圖所示，適用于振弦式傳感器。適用于振弦式傳感器。9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 9.1.2中中曾指出，在振曾指出，在振弦起振后的振蕩過程中，弦起振后的振蕩過程中，外加電流只是克服阻尼作外加電流只是克服阻尼作用，不使能量損失用，不使能量損失。動能。動能和彈性能在彈性力作用下和彈性能在彈性力作用下周期性地相互轉(zhuǎn)化。周期性地相互轉(zhuǎn)化。9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 從另一角度，可認為外從另一角度，可認為外接電路提供的接電路提供的電流由電流由iC、iL兩部分組成兩部分組成，iL受到的磁場受到的磁場力力FL始終和彈性力

52、大小相等始終和彈性力大小相等方向相反，抵消了彈性力的方向相反，抵消了彈性力的作用，作用，iC受到的磁場力受到的磁場力FC則則始終和彈性力大小相等方向始終和彈性力大小相等方向相同，相同，即認為即認為振弦動能和彈振弦動能和彈性能的相互轉(zhuǎn)化是由磁場力性能的相互轉(zhuǎn)化是由磁場力FC促成的促成的。9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 此時此時置于磁場中的振弦置于磁場中的振弦相當于一個相當于一個LC并聯(lián)回路并聯(lián)回路，當外接電路滿足正反饋條件當外接電路滿足正反饋條件時，即可產(chǎn)生振蕩。至于其時，即可產(chǎn)生振蕩。至于其他阻尼他阻尼( (如空氣阻尼如空氣阻尼) )，就像，就像LC并聯(lián)回路存在阻尼并聯(lián)回路存在阻尼(

53、 (如線如線圈電阻圈電阻) )一樣，由外接電路一樣，由外接電路補充一定的能量即可克服。補充一定的能量即可克服。 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 設(shè)磁感應(yīng)強度為設(shè)磁感應(yīng)強度為B，位于磁場中的振弦長度為，位于磁場中的振弦長度為l，則電流則電流iC受到的磁場力為受到的磁場力為FCBliC。FC的作用相當?shù)淖饔孟喈斢谡裣宜艿膹椥粤τ谡裣宜艿膹椥粤?，使質(zhì)量為，使質(zhì)量為m的振弦產(chǎn)生大小的振弦產(chǎn)生大小為為d / /dt的加速度，滿足的加速度，滿足BliCmd / /dt。于是得。于是得).(299dCtimBl 長度為長度為l、速度為、速度為 的導(dǎo)體在磁場中切割磁力的導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時將

54、產(chǎn)生感應(yīng)電勢線時將產(chǎn)生感應(yīng)電勢eBl ，所以，所以 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 將此式將此式與電容的充電公式比較與電容的充電公式比較可知，振弦可可知，振弦可等效為一只電容，其等效電容為等效為一只電容，其等效電容為).(309dC22timlBe).(31922elBmC 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 電流電流iL受到的磁場力為受到的磁場力為FLBliL。FL與振弦與振弦的彈性力大小相等方向相反的彈性力大小相等方向相反，彈性力正比于弦的，彈性力正比于弦的橫向剛度系數(shù)橫向剛度系數(shù)k及橫向位移及橫向位移y，滿足，滿足BliLky。再考慮到再考慮到eBl Bldy/ /dt，

55、得，得 ).(329ddL22tiklBe9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 將此式將此式與電感的反電動勢公式比較與電感的反電動勢公式比較可知，振弦可知，振弦又相當于感性阻抗，其等效電感為又相當于感性阻抗，其等效電感為).(329ddL22tiklBe).(33922eklBL 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 因此，位于磁場中的通電振弦，可等效為并因此，位于磁場中的通電振弦，可等效為并聯(lián)的聯(lián)的LC回路，其諧振頻率為回路，其諧振頻率為).(3492121eemkCLf).(33922eklBL ).(31922elBmC 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路).(349212

56、1eemkCLf 若將橫向剛度若將橫向剛度kp p2T/ /l代入上式，即可得到代入上式，即可得到式式( (9. .13) )。即。即)13. 9(21rTlf 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 圖示電路中，振弦等圖示電路中，振弦等效諧振回路作為整個振蕩效諧振回路作為整個振蕩電路的電路的正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)。R1、R2和場效應(yīng)管和場效應(yīng)管V組成組成負反饋負反饋網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)，R4、R5、二極管、二極管VD和電容和電容C支路控制場效應(yīng)管支路控制場效應(yīng)管的柵極電壓。的柵極電壓。R1R2R3R4R5CVVDNS輸出傳感器A9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 電路停振時，輸出信號電路停振時，輸

57、出信號等于零，場效應(yīng)管零偏，其等于零，場效應(yīng)管零偏，其漏源極對漏源極對R2的并聯(lián)作用使負的并聯(lián)作用使負反饋電壓近似等于零，從而反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了負反饋回路的作大大削弱了負反饋回路的作用，使回路增益大大提高，用，使回路增益大大提高，有利于起振。起振后，有利于起振。起振后，V截截止，負反饋網(wǎng)絡(luò)起穩(wěn)定輸出止，負反饋網(wǎng)絡(luò)起穩(wěn)定輸出信號幅度的作用信號幅度的作用 。R1R2R3R4R5CVVDNS輸出傳感器ALAR1C1R3R2RER4IC1C2C3R5R6R14R7R8R9IC2C4R10R11R12R13C5VEc9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 2. .電磁法轉(zhuǎn)換電路電磁法轉(zhuǎn)

58、換電路 如圖所示，如圖所示，由帶有磁鋼的電磁線圈由帶有磁鋼的電磁線圈L產(chǎn)生激產(chǎn)生激勵力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式勵力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式傳感器。傳感器。A為振子，為振子，RE為貼在振子上的應(yīng)變片。為貼在振子上的應(yīng)變片。9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 應(yīng)變片檢測振子的振動信號。應(yīng)變片檢測振子的振動信號。IC1的輸出信號的輸出信號經(jīng)經(jīng)C2、R5及及C3、R6兩級相移，以滿足電路自激振兩級相移，以滿足電路自激振蕩的要求。高增益放大器蕩的要求。高增益放大器IC2使輸出信號大到一定使輸出信號大到一定值后飽和，以達到限幅目的。三極管值后飽和，以達到限幅目的。三極管V

59、是功放。是功放。LAR1C1R3R2RER4IC1C2C3R5R6R14R7R8R9IC2C4R10R11R12R13C5VEc9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 3. .電荷法轉(zhuǎn)換電路電荷法轉(zhuǎn)換電路 壓電式諧振傳感器常用差頻檢測電路。如圖壓電式諧振傳感器常用差頻檢測電路。如圖所示，傳感器工作在所示，傳感器工作在5 MHz的初始頻率上，經(jīng)倍的初始頻率上，經(jīng)倍頻器乘以頻器乘以40，由差頻檢測電路得到它與，由差頻檢測電路得到它與5 MHz基基準振蕩器準振蕩器( (也乘以也乘以40) )的頻率差，再送入計數(shù)器。的頻率差，再送入計數(shù)器。被測量輸出計數(shù)器5MHz振蕩器5MHz振蕩器倍頻器40()倍

60、頻器)40(差頻檢測電路石英振子9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 4. .電熱法轉(zhuǎn)換電路電熱法轉(zhuǎn)換電路 為提高拾振靈敏度并補償溫度的影響，在微為提高拾振靈敏度并補償溫度的影響，在微橋一端制作四個壓敏電阻，排列方式如圖橋一端制作四個壓敏電阻，排列方式如圖( (a) )所所示，置于微橋一端是因為端部應(yīng)變最大。示，置于微橋一端是因為端部應(yīng)變最大。( (a) )電阻布置電阻布置 9.3.2 閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路 由于微橋的長度遠大于其寬度，應(yīng)變主要沿長由于微橋的長度遠大于其寬度，應(yīng)變主要沿長度方向。度方向。因此，只有因此，只有R1和和R3受壓阻效應(yīng)的影響。受壓阻效應(yīng)的影響。按按圖圖(