第十章 諧振式傳感器

1、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：特點：F 優(yōu)點：高精度優(yōu)點：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)字設備相連接適于長距離傳輸、能直接與數(shù)字設備相連接 、高穩(wěn)、高穩(wěn)定性和高可靠性定性和高可靠性 。F 缺點：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復雜，所以生產(chǎn)缺點：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復雜，所以生產(chǎn)周期長，成本較高周期長，成本較高 ；輸出頻率與

2、被測量往往是非線；輸出頻率與被測量往往是非線性關系，需進行線性化處理性關系，需進行線性化處理 。l種類：種類：電式、電式、機械式機械式、原子式。、原子式。n機械式諧振傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機械式諧振傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機械諧振頻率機械諧振頻率，其中振動部分被稱為其中振動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和等效振動質(zhì)量和等效振動質(zhì)量m me e有關，設其初有關，設其初始諧振頻率為始諧振頻率為f f0 0。 k振子材料的剛度；振子材料的剛度；me振子的等效振動質(zhì)量。振子的等效振動質(zhì)量。l如

3、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，則導致振，則導致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振子的等效剛度或等效振動質(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振子；振子；激振元件：激振元件：對振子施加激振力；對振子施加激振力；拾振元件：拾振元件：測量振子的振動頻率。測量振子的振動頻率。激振元件 振子拾振元件 放大器 被測量頻率輸出二、類型二、類型n機械振子的結構：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。機械振子的結構：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

4、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）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。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；l振弦的有效振動長度。l張力增加張力增加T，振弦的振動頻率變?yōu)?，振弦的振動頻率變?yōu)閘因為因為T/T 1，所以可將上式中括弧里的項展開為冪級數(shù)，所以可將上式中括弧里的項展開為冪級數(shù)，則上式為則上式為 l單根振弦測壓力時的非線性誤差單根振弦測壓力時的非線

5、性誤差為為 l為了得到良好的線性，常采用為了得到良好的線性，常采用差動式結構差動式結構。上下兩弦對稱，初始張力相。上下兩弦對稱，初始張力相等，當被測量作用在膜片上時，兩個弦張力變化大小相等、方向相反。等，當被測量作用在膜片上時，兩個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)中的偶次冪項相抵消，使非中的偶次冪項相抵消，使非線性誤差大為減小，同時提高了靈敏度、減小了溫度的影響。線性誤差大為減小，同時提高了靈敏度、減小了溫度的影響。 二、振膜式諧振傳感器二、振膜式諧振傳感器對于右圖所示的振膜式傳感器，當膜片受壓力p作用而產(chǎn)生

6、變形時，其等效剛度發(fā)生變化，膜片的諧振頻率f變化。 膜片受力而產(chǎn)生靜撓度，其諧振頻率f與膜片的中心靜撓度Wp的關系可表示為 膜片的中心靜撓度Wp與均布壓力p的關系可表示為 12011/pffc Wh24343(1)/16pprWhc WhpEh式中c1、c分別為與膜片尺寸、材料有關的常數(shù)； r、h、膜片的半徑（m）、厚度（m）、泊松比（mm/mm）。忽略高次項后的線性輸入輸出關系如下 非線性誤差為 靈敏度k為240 143(1)32f crfpEh 012ff240 143(1)dd32f crfkpEh三、振筒式諧振傳感器三、振筒式諧振傳感器對右圖所示的振筒式傳感器，當筒受壓力差p作用而引起

7、筒上的應力發(fā)生變化時，其等效剛度發(fā)生變化，振筒的諧振頻率f變化。根據(jù)材料力學可知，振動頻率與壓力的關系一般可以表示成下式 23000()()()pa ffb ffc ff式中 a、b、c 與振子材料物理性質(zhì)和結構參數(shù)有關的常量，可由實驗求得，一般系數(shù)c很小，故項可忽略。當系數(shù)a和b滿足條件 和 時，由上式可得式中 壓差靈敏度系數(shù)，與振筒的材料性質(zhì)及尺寸有關； 式中r、h、E 振筒的內(nèi)半徑（m）、厚度（m）、泊松比（mm/mm）、彈性模量（Pa）。01ffBp323(1)4rBEh02/()aBf201/()bBf 可見，振筒式壓力傳感器的輸入壓差與輸出頻率之間近似成拋物線關系，如圖所示。 傳感

8、器的輸入輸出特性可近似成如下線性關系非線性誤差為 02f Bfp 012ff0dd2f Bfkp壓力與輸出頻率關系曲線靈敏度k為四、振梁式諧振傳感器四、振梁式諧振傳感器 對于右圖所示的振梁式傳感器，當梁受壓力p作用而引起梁上的應力發(fā)生變化時，其等效剛度發(fā)生變化，使振梁的諧振頻率f變化。諧振頻率f與壓力p的關系可表示為22000011ffffpababffff式中a、b由振子材料物理特性和結構尺寸決定的常量。近似得到線性輸入輸出特性如下 這時，它的非線性誤差為 靈敏度k為0ffpa 0bfaf0ddffkpa特點：特點：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

9、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靜應力靜應力切切變模量變模量E66固有頻率固有頻率f0公式：公式：66012Efh 式中式中 、E E6666石英振子的密度（石英振子的密度（kg/m3kg/m3）、切變模量（）、切變模量（PaPa）五、壓電式諧振傳感器五、壓電式諧振傳感器 諧振式傳感器轉(zhuǎn)換電路就是將與被測量有確定關系的振子諧振頻率轉(zhuǎn)換成電信號的電路。 振子起振需要足夠的激勵力；空氣阻尼等影響會使振子振動衰減，所以需要一定的激勵力來維持振子振動。因此，轉(zhuǎn)換電路中首先應有激勵環(huán)節(jié)。按激勵信號產(chǎn)生的方式可以將轉(zhuǎn)換電

10、路分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。前者由一單獨的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，后者是由測量信號通過反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生激勵信號。一、開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路（一、開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路（間歇激勵式電路）間歇激勵式電路）間歇激勵式電路原理圖工作原理：工作原理：當張馳振蕩器給出當張馳振蕩器給出激勵脈沖激勵脈沖時，繼電器吸合，電流通過時，繼電器吸合，電流通過磁鐵線圈，使磁鐵吸住振弦。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、與線圈磁鐵的脈沖停止后松開振弦，振弦便自由振動、與線圈磁鐵的間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應電動勢并經(jīng)繼間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應電動勢并經(jīng)繼電器常閉接點輸出。電器常閉接點輸出。感應電

11、動勢的頻率即為振弦的固有頻率感應電動勢的頻率即為振弦的固有頻率。線圈兼有線圈兼有激勵激勵和和拾振拾振兩種作用。兩種作用。 為提高線性度，采用圖為提高線性度，采用圖10-810-8，以，以f f2 2為電路輸出。為電路輸出。02012220020101212ffffffflTUUTTTUUUU TfTTTfl振弦式諧振傳感器原理框圖二、閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路（二、閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路（連連續(xù)激勵式電路）續(xù)激勵式電路） 連續(xù)激發(fā)測量電路如圖所示，這是一個由運算放大器和振弦等元件組成的自激振蕩器，振弦在回路中起諧振作用?；芈分蠷3和振弦支路形成正反饋，R1、R2和起控制作用的場效應管BG形成負反饋。R4、R5、C

12、1和二極管D組成的支路提供對場效應管BG的控制信號。負反饋支路和場效應管控制支路的作用是自動穩(wěn)幅，提高激振的可靠性。 振蕩器的工作頻率決定于振弦的諧振頻率，當振弦受到張緊力T作用而諧振頻率發(fā)生變化時，振蕩器的工作頻率也隨著變化。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可測對象：地層壓力；可測對象：地層壓力；工作原理：工作原理：測量時，底座測量時，底座1111上的膜片上的膜片2 2和所要測量和所要測量的地層面直接接觸，地層的地層面直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，帶動兩個支架發(fā)生撓曲，帶動兩個支架1010向兩側(cè)拉開，振弦向兩側(cè)拉開，振弦

13、3 3被被拉緊，改變了振弦的頻率，拉緊，改變了振弦的頻率，根據(jù)頻率變化測定膜片所根據(jù)頻率變化測定膜片所受壓力的大小。受壓力的大小。 n振弦式錨索傳感器振弦式錨索傳感器測量錨索測量錨索/ /錨桿加載或長期工作時的應力變化；錨桿加載或長期工作時的應力變化；工作原理：工作原理： 振弦式錨索測力計的敏感部件為振弦式應變計。在測力鋼筒上均布著多支振弦振弦式錨索測力計的敏感部件為振弦式應變計。在測力鋼筒上均布著多支振弦式應變計，當荷載使承重筒產(chǎn)生軸向變形時，應變計與承重筒產(chǎn)生同步變形，變形式應變計，當荷載使承重筒產(chǎn)生軸向變形時，應變計與承重筒產(chǎn)生同步變形，變形引起應變計振弦的張弛，使振弦應力發(fā)生變化，從而

14、改變振弦的振動頻率。電磁線引起應變計振弦的張弛，使振弦應力發(fā)生變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激撥振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出引起受圈激撥振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出引起受力承重筒變形的應變量，代入標定系數(shù)可得出錨索測力計所感受物理量的變化量力承重筒變形的應變量，代入標定系數(shù)可得出錨索測力計所感受物理量的變化量。1. 激振拾振部件； 2.弦式敏感件； 3.外鋼套； 4.承重筒； 5.熱敏電阻； 6.密封件； 7.電纜；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：高的穩(wěn)定性、重復性和較高靈敏度（高的穩(wěn)定性、重

15、復性和較高靈敏度（0.30.5kPa/Hz）；）；測量精度可達測量精度可達0.01%，重復性達十萬分之幾，穩(wěn)定性每年，重復性達十萬分之幾，穩(wěn)定性每年0.01% 0.02% 。n應用：應用：航空航天領域測大氣參數(shù)（靜壓及動壓）、飛行高度、航空航天領域測大氣參數(shù)（靜壓及動壓）、飛行高度、飛行速度等；飛行速度等；標準計量儀器對其他壓力傳感器標定。標準計量儀器對其他壓力傳感器標定。1 1、微型應變片、微型應變片 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、參考壓力腔、參考壓力腔7 7、基座、基座8 8、導管、導管振膜式壓力

16、傳感器原理結構三、振筒式傳感器三、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諧振敏感元件振管式密度傳感器（單管式）雙管式密度傳感器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使振筒振動時，管中的被使振筒振動時，管中的被測介質(zhì)隨之振動，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結果測介質(zhì)隨之振動，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結果系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈4 4檢測。介質(zhì)密度不同檢測。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)密度值，這就是它使系統(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。的工作原理。l單管式的缺點：單管式的缺點：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，將引起基座的運動，結果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導致測將引起基座的運動，結果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導致測量誤差。量誤差。l雙管式的特點：雙管式的特點：兩根管子的振動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，不會引起基座的運動，從而提高了振動管振動作用相互抵消，不會引起基座的運動，從而提高了振動管振動頻率的穩(wěn)定性。頻