第9章諧振式傳感器

1、 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(gè)首尾相環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個(gè)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(gè)門的平均延遲時(shí)間及門的數(shù)目成反比。每個(gè)門的平均延遲時(shí)間及門的數(shù)目成反比。lTrphph2rllph ( (a) )張絲狀張絲狀 ( (b) )梁狀梁狀 ( (c) )膜片狀膜片狀 ( (d) )筒狀筒狀h( (a) )扁平形扁平形 ( (b) )平凸形平凸形 ( (c) )雙凸形雙凸形 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

2、子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，其諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化。此即機(jī)械式諧變化，其諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化。此即機(jī)械式諧振傳感器的基本工作原理。振傳感器的基本工作原理。) 1 . 9(21eemkf lTxy).(29dd22tyxTxxTxyyxTTdx+d化簡得化簡得22tyxT2222tyTxy).(39122222tyxy式中，式中， 2T/ / ， 可被證明為沿弦傳播的波速。可被證明為沿弦傳播的波速。).(39122222tyxy 假設(shè)上式的解為假設(shè)上式的解為 ).()()(),(49tGxYtxy將式將式( (9. .4) )代入式代入式( (9

3、. .3) )得得 ).(1159dd1dd22222tGGxYY)7 . 9(0dd)6 . 9(0dd222222GtGYxY/)/(/).(1159dd1dd22222tGGxYY)7 . 9(0dd)6 . 9(0dd222222GtGYxY/)/(/其一般解為其一般解為)9 . 9()8 . 9(cossincossintDtCGxBxAY)/()/().()/()(109sincossinxAtDtCy而而y( (l, ,t) )0則要求則要求 )11. 9(0sin)/(l)9 . 9()8 . 9(cossincossintDtCGxBxAY)/()/()13. 9(21221

4、Tllf當(dāng)振弦一定時(shí)，諧振頻率當(dāng)振弦一定時(shí)，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 1nnlnNS放大正反饋TT12341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 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

5、；4電磁鐵電磁鐵 )14. 9(210Tlf 弦的張力增加弦的張力增加D DT后后 )15. 9(1210TTfTTlfDDlT).(1692200TTffffD DD)15. 9(1210TTfTTlfDD).(1692200TTffffD DD通常，通過選擇合適的工作點(diǎn)可使通常，通過選擇合適的工作點(diǎn)可使D Df/ /f01，從而，從而可忽略上式中的平方項(xiàng)，得到近似的線性輸出輸入可忽略上式中的平方項(xiàng)，得到近似的線性輸出輸入關(guān)系為關(guān)系為)17. 9(20TTffDD).().(1992189220n0020TfTfSffffffDDDD D).(1692200TTffffD DD 為了得到良好

6、的線性關(guān)為了得到良好的線性關(guān)系，常常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。通系，常常采用差動(dòng)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。123).(209200 DDffbffap式中，式中，a、b為常數(shù)。為常數(shù)。lph).()().(22916132191442310pEhrhWchWhWcffppp式中，式中，c1、c為常數(shù)。為常數(shù)。 rph).(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)。 ph2rlpp12134 3 2).(12

7、49266hEf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(shí)，引起振作用時(shí)，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。).(2591er0 ff式中式中， er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 0時(shí)時(shí)的諧振頻率。的諧振頻率。1432hl5pTlf21012

8、3當(dāng)被測壓力變化時(shí)，設(shè)上弦張力增加當(dāng)被測壓力變化時(shí)，設(shè)上弦張力增加D DT，則下弦，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TTffTTff/DD110201)/()/(168211682132023201kkkffkkkff)/(83021kkffffD所以，這種差動(dòng)式壓力傳感器的非線性誤差和靈所以，這種差動(dòng)式壓力傳感器的非線性誤差和靈敏度分別為敏度分別為TfTkfTfSffkkfkf/)/(/)/(/(00n202030888DDDD)/()/(1

9、68211682132023201kkkffkkkffTfTkfTfSffkkfkf/)/(/)/(/(00n202030888DDDD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。).().(1992189220n0020TfTfSffffffDDDD D單根振弦時(shí)非線性誤差和靈敏度分別為單根振弦時(shí)非線性誤差和靈敏度分別為).(每周因阻尼損耗的能量每周平均存儲(chǔ)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).(/)-/().()/(122892792100m

10、ffQAQDx1A( )1200AmA /m21 2/2/mA2/mA).(/)-/().()/(122892792100mffQAQDx).(/)-/(12289 00ffQDPF1F2 在在電磁法激勵(lì)振弦電磁法激勵(lì)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(lì)線圈和感應(yīng)線圈應(yīng)垂激勵(lì)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。dRtt激勵(lì)脈沖輸出信號張 馳振蕩器 輸出).(299dCtimBl

11、 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(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢線時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢eBl ，所以，所以 ).(309dC22timlBe).(31922elBmC 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，得，得 ).(329ddL22tiklBe).(329ddL22tiklBe).(33922eklBL ).(3492121eemk

12、CLf).(33922eklBL ).(31922elBmC ).(3492121eemkCLf 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(21Tlf R1R2R3R4R5CVVDNS輸出傳感器AR1R2R3R4R5CVVDNS輸出傳感器ALAR1C1R3R2RER4IC1C2C3R5R6R14R7R8R9IC2C4R10R11R12R13C5VEcLAR1C1R3R2RER4IC1C2C3R5R6R14R7R8R9IC2C4R10R11R12R13C5VEc被測量輸出計(jì)數(shù)器5MHz振蕩器5MHz振蕩器倍頻

13、器40()倍頻器)40(差頻檢測電路石英振子( (a) )電阻布置電阻布置 ( (b) )拾振橋路拾振橋路( (a) )電阻布置電阻布置 ).()(1)()(35922coscosds22PPRtURtUtP( (c) )閉環(huán)自激測量系統(tǒng)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)RtUPRUP22cos22d2s，( (c) )閉環(huán)自激測量系統(tǒng)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)其中其中( (c) )閉環(huán)自激測量系統(tǒng)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)整形放大低 通濾波器 u2u1Ur1Uo單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器fV 轉(zhuǎn)換電路1u3Ur2低 通濾波器 uo1uo2fV 轉(zhuǎn)換電路2VDDu2u3CMOS時(shí)基電路整形放大低 通濾波器 u2u1Ur1Uo單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器fV 轉(zhuǎn)

14、換電路1u3Ur2低 通濾波器 uo1uo2fV 轉(zhuǎn)換電路2EcEcUr1(Ur2)uo1(uo2)u3).(369221r221rofUTUU整形放大低 通濾波器 u2u1Ur1Uo單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器fV 轉(zhuǎn)換電路1u3Ur2低 通濾波器 uo1uo2fV 轉(zhuǎn)換電路2165211109873 41夾緊裝置；夾緊裝置；2膜片；膜片；3振振弦；弦；4線圈；線圈；5鐵心；鐵心；6電電纜；纜；7絕緣材料；絕緣材料；8塞子；塞子；9蓋子；蓋子；10支架；支架；11底座底座8765421361固定弦；固定弦；2質(zhì)量塊；質(zhì)量塊；3激激振磁鐵；振磁鐵；4端蓋；端蓋；5螺釘；螺釘；6振弦；振弦；7殼體；殼體；8引線

15、孔引線孔 通過測定弦的振動(dòng)頻率可知被測物的傾斜角通過測定弦的振動(dòng)頻率可知被測物的傾斜角度。美國基康公司是該類傾斜傳感器的著名生產(chǎn)度。美國基康公司是該類傾斜傳感器的著名生產(chǎn)廠家。圖示為其應(yīng)用。廠家。圖示為其應(yīng)用。65測量電路F12347891圓環(huán)；圓環(huán)；2、9激振器；激振器；3振梁；振梁；4、7拾振器；拾振器；5、6放大振蕩電路；放大振蕩電路；8振桿振桿561243p1拾振線圈；拾振線圈；2振動(dòng)膜片；振動(dòng)膜片；3激振線圈；激振線圈；4放大振蕩電放大振蕩電路；路；5壓力膜片；壓力膜片；6空腔空腔拾振器被測流體激振器放大器固定塊固定塊12 31波紋管；波紋管；2拾振線拾振線圈；圈；3激振線圈激振線圈p1p21654321波紋管；波紋管；2殼體；殼體；3杠桿；杠桿；4支點(diǎn)；支點(diǎn)；5配重；配重；6力敏石英振子力敏石英振子輸入力1654321彎曲