第9章 諧振式傳感器

傳感器原理與應用第9章

諧振式傳感器第9章諧振式傳感器

諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的裝置，也稱頻率式傳感器。

優(yōu)點：①精度高、分辨力高；②穩(wěn)定性高、可靠性高、抗干擾能力強；③適于長距離傳輸且功耗低；④能直接與數(shù)字設備相連接；⑤無活動部件，機械結構牢固等。第9章

諧振式傳感器

缺點：①要求材料質(zhì)量較高；②加工工藝復雜、生產(chǎn)周期長、成本較高；③其輸出頻率與被測量的關系往往是非線性的，須進行線性化處理才能保證良好的精度。第9章

諧振式傳感器諧振式壓力傳感器第9章

諧振式傳感器高精度諧振式壓力傳感器第9章

諧振式傳感器諧振式壓力變送器第9章

諧振式傳感器

諧振式傳感器種類很多，按諧振原理可分為：機械的、電的和原子的三類。常用電子振蕩器有RC振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。第9章

諧振式傳感器

1.RC振蕩器式溫度—頻率傳感器

如圖所示，它利用熱敏電阻RT測量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，振蕩頻率與RT有關。

2.MOS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。第9章

諧振式傳感器第9章

諧振式傳感器

MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器利用了MOS管的力敏效應。如圖所示，在應力作用下，由于硅的壓阻效應，MOS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。第9章

諧振式傳感器

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)生應力s，從而使MOS管的特性發(fā)生改變。第9章

諧振式傳感器

本章主要討論機械式諧振傳感器。它是一種頻率式數(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)換成與之相對應的、便于處理的準數(shù)字信號——頻率信號。第9章

諧振式傳感器9.1

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計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應用舉例9.1

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。振動元件是核心部件，稱為振子或諧振子?？刹捎瞄]環(huán)結構，也可采用開環(huán)結構。補償裝置主要對溫度誤差進行補償。9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理9.1.1

諧振式傳感器的類型

按諧振子的結構，常見的諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，對應的振子形狀分別為張絲狀、梁狀、膜片狀和筒狀。(a)張絲狀(b)梁狀(c)膜片狀(d)筒狀9.1.1

諧振式傳感器的類型

振子材料有：

①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)境溫度的影響。

②石英晶體，在一般應力下具有很好的重復性和極小的遲滯，特別是其品質(zhì)因數(shù)Q值極高，且不受環(huán)境溫度影響，性能長期穩(wěn)定。

③硅。

用石英晶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，按振子上下表面形狀又分為扁平形、平凸形和雙凸形三種。其中雙凸形振子Q值最高可達106～107，因而較多采用。石英晶體的振動模式有長度伸縮、彎曲、面切變和厚度切變等，其中厚度切變是主要的應用模式。(a)扁平形(b)平凸形(c)雙凸形9.1.1

諧振式傳感器的類型

根據(jù)能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般，當f/h≤15時，采用雙凸形；當15＜f/h≤45時，采用平凸形；當f/h＞45時，采用扁平形。9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.1

諧振式傳感器的類型

隨著微電子技術和微機械加工技術的興起，以硅為振子材料的硅微機械諧振傳感器越來越受到了重視。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，特別是便于構成集成化測量系統(tǒng)。其振子常為微懸臂梁、兩端固支微梁(橋)、方膜或圓膜等形狀，尺寸在微米量級。9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理√

設振子等效剛度為ke，等效振動質(zhì)量為me，則振子諧振頻率f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)生變化，導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。此即機械式諧振傳感器的基本工作原理。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理

1.諧振頻率如圖所示，一根兩端固定，長度為l，線密度(單位長度質(zhì)量)為r的弦，受到張力T作用。其諧振頻率(一次振型)為：9.1.2

諧振式傳感器的基本原理當振弦一定時，諧振頻率f與張力T及長度l有關。將被測物理量轉(zhuǎn)換為T或l的改變量，即可通過測量f而確定被測量的大小。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理

2.振動激勵方式

為測出諧振頻率，須設法激勵振子振動。起振后，還需要及時補充能量。給振子補充能量的方式一般有兩種：連續(xù)激勵法和間歇激勵法。(1)連續(xù)激勵法

是指按振子的振動周期補充能量，使其振幅維持不變。又可分為電流法、電磁法、電荷法和電熱法等。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理

①電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始振動。若不考慮阻尼，外接線路無需再給振弦提供電流，即可依靠彈性力維持等幅振動，振動頻率即諧振頻率。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼外還有空氣阻尼等。振弦在運動過程中切割磁力線產(chǎn)生感應電勢，該電勢通過外接閉合回路形成電流，使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。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理設想將上述感應電勢測出來，然后通過正反饋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述感應電勢，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

電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，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

②電磁法，也稱線圈法。這種方法在振弦中無電流通過。激振線圈用來連續(xù)激勵振弦，感應線圈用來接收信號。通過外接電路形成正反饋，使振弦維持連續(xù)振動。1—鐵片；2—感應線圈；3—放大器；4—激振線圈9.1.2

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

③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地設置四個電極，分為左、右兩組。當一組電極加上某方向的電場時，因逆壓電效應產(chǎn)生厚度切變，矩形梁段變成平行四邊形；電場反向，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

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，通過正反饋維持等幅振蕩。+-+-++--

④電熱法。用半導體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制作激振電阻，在一端制作壓敏拾振電阻。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動。1—硅微橋；2—激振電阻；3—拾振電阻；4—支柱；5—膜片9.1.2

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(2)間歇激勵法

不是按振動周期，而是按一定的時間間隔(多個振動周期)給振子補充能量。振子在激勵脈沖作用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勵，使振幅再次達到最大值，重新開始下一輪衰減振動。1—鐵片；2—感應線圈；3—永久磁鐵；4—電磁鐵9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理√√第9章

諧振式傳感器9.1

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計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應用舉例√9.2

諧振式傳感器的特性與設計要點諧振式傳感器通過測量諧振頻率來確定被測量的大小，而諧振頻率與被測量之間通常是非線性關系。因此，分析其特性時不僅要分析其輸出輸入關系、靈敏度等，還要分析其非線性誤差。諧振式傳感器的設計則主要是振子的設計，因為它是實現(xiàn)將被測量的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率變化的關鍵元件。9.2

諧振式傳感器的特性與設計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

9.2.1

諧振式傳感器的特性

1.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(9.13)所示。為了方便，寫成：弦的張力增加DT后：將式(9.15)兩邊平方，并令Df＝f－f0，得：9.2.1

諧振式傳感器的特性通常，通過選擇合適的工作點可使Df/f0<<1，從而可忽略上式中的平方項，得到近似的線性輸出輸入關系為：9.2.1

諧振式傳感器的特性忽略非線性項后，非線性誤差d和靈敏度Sn分別為：9.2.1

諧振式傳感器的特性

為了得到良好的線性關系，常常采用差動結構。通過差頻電路測得兩弦的頻率差，則不僅能提高靈敏度，還可減小非線性。9.2.1

諧振式傳感器的特性

2.其他諧振傳感器特性簡介(1)振梁式諧振傳感器

振梁受到壓力p作用時，其諧振頻率f和壓力p的關系為：式中，a、b為常數(shù)。9.2.1

諧振式傳感器的特性(2)振膜式諧振傳感器

膜片受到壓力p作用時，諧振頻率f與膜片中心靜撓度Wp的關系及Wp與p的關系分別為：式中，c1、c為常數(shù)。

9.2.1

諧振式傳感器的特性(3)振筒式諧振傳感器

振筒受到壓力p作用時，諧振頻率f與壓力p的關系近似為：式中，B≈[3(1－m2)/(4E)](r/h)3。

9.2.1

諧振式傳感器的特性(4)壓電式諧振傳感器

石英振子壓力傳感器采用厚度切變振動模式AT切型石英晶體制成，用一整塊石英加工出振子和圓筒，端蓋是密封的，空腔被抽成真空。9.2.1

諧振式傳感器的特性

設石英振子的密度為r，中心厚度為h，則石英振子的諧振頻率為：式中，E66為石英振子的切變模量。腔壁受靜態(tài)壓力p作用時，諧振頻率f的變化與所加壓力p呈線性關系，這種靜應力—頻移效應主要是E66隨壓力p變化而產(chǎn)生的。9.2.1

諧振式傳感器的特性(5)硅微機械諧振傳感器

其諧振頻率f與軸向應力s的關系為：式中，ser為臨界歐拉應力；f0為軸向應力s＝0時的諧振頻率。9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2

諧振式傳感器的特性與設計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

√9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

1.振子

振子設計主要從以下幾方面考慮：(1)減小非線性。①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；②采用差動結構來減小非線性、提高靈敏度，同時還可減小溫度等外界因素的影響；③采用厚度切變振動模式AT切型石英晶體制作石英振子，能得到線性的輸出輸入特性。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點(2)提高靈敏度。通過適當選擇振子的參數(shù)來提高靈敏度。①物理特性參數(shù)，包括材料的密度r、泊松比m、彈性模量E等；②結構參數(shù)，包括厚度h、半徑r、長度l等；③初始諧振頻率f0、預加載荷T0等；④壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時，其靈敏度最高。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點(3)提高穩(wěn)定性。諧振式傳感器中，諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q是一個極其重要的指標。Q的定義為：9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

對阻尼系數(shù)x<<1的弱阻尼系統(tǒng)，利用諧振子的幅頻特性可得：9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

式中，w1、w2對應的幅值增益為

，稱為半功率點。因此，可根據(jù)幅頻特性曲線求振子的品質(zhì)因數(shù)及阻尼比。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

Q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性曲線諧振峰陡峭的程度，即振子選頻能力的強弱。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，抗外界干擾的能力越強，重復性也就越好。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

要提高Q，必須提高振子的固有頻率f0，也就必須采用彈性模量高、剛度大、質(zhì)量小且參數(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。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點(4)減小溫度誤差?？刹扇〉拇胧┯校孩俨捎昧銣囟认禂?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??；②采用電路補償；③采取恒溫措施；④傳感器設計成封閉系統(tǒng)，使傳感器機械結構自身達到熱補償；⑤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)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。

2.磁鐵

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，磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生，也可用直流電磁鐵。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

在電磁法激勵振弦的方式中，磁鐵一般用AlNiCo-Ⅴ硬磁合金，激勵線圈和感應線圈應垂直放置，以防它們之間直接耦合。為方便線圈的安裝，磁鐵常制成U形，而把電磁線圈安裝在U形磁鐵的一臂。

3.振弦夾緊裝置

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。固接方法有兩種：

①將振弦兩端與支架及運動部分焊接；

②用夾緊裝置將振弦夾緊。

一般采用第二種方法，為此需設計專門的夾緊裝置。9.2.2

諧振式傳感器的設計要點9.2.2

諧振式傳感器的設計要點目前，振弦式傳感器中常用的夾緊裝置有銷釘式、錐形栓式和剪式等幾種。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來選擇，也可設計成其他形式的結構。9.2

諧振式傳感器的特性與設計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設計要點

√√第9章

諧振式傳感器9.1

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計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應用舉例√√9.3

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)換電路分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。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)的信號通過正反饋作為激勵信號。

為提高輸出輸入關系的線性度，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行輸出。9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

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9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用間歇激勵方式的振弦式諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。如圖所示，是一種比圖9.9所示更為簡單的轉(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。9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

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√9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用連續(xù)激勵方式的諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。連續(xù)激勵方式不同，轉(zhuǎn)換電路也不同。

1.電流法轉(zhuǎn)換電路

轉(zhuǎn)換電路如圖所示，適用于振弦式傳感器。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

圖中，振弦等效諧振回路作為整個振蕩電路的正反饋網(wǎng)絡。R1、R2和場效應管V組成負反饋網(wǎng)絡，R4、R5、二極管VD和電容C支路控制場效應管的柵極電壓。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

電路停振時，輸出信號等于零，場效應管零偏，其漏源極對R2的并聯(lián)作用使負反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了負反饋回路的作用，使回路增益大大提高，有利于起振。起振后，V截止，負反饋網(wǎng)絡起穩(wěn)定輸出信號幅度的作用。

9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

2.電磁法轉(zhuǎn)換電路如圖所示，由帶有磁鋼的電磁線圈L產(chǎn)生激勵力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式傳感器。A為振子，RE為貼在振子上的應變片。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

應變片檢測振子的振動信號。IC1的輸出信號經(jīng)C2、R5及C3、R6兩級相移，以滿足電路自激振蕩的要求。高增益放大器IC2使輸出信號大到一定值后飽和，以達到限幅目的。三極管V是功放。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

3.電荷法轉(zhuǎn)換電路

壓電式諧振傳感器常用差頻檢測電路。如圖所示，傳感器工作在5MHz的初始頻率上，經(jīng)倍頻器乘以40，由差頻檢測電路得到它與5MHz基準振蕩器(也乘以40)的頻率差，再送入計數(shù)器。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

4.電熱法轉(zhuǎn)換電路

為提高拾振靈敏度并補償溫度的影響，在微橋一端制作四個壓敏電阻，排列方式如圖(a)所示，置于微橋一端是因為端部應變最大。(a)電阻布置9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路由于微橋的長度遠大于其寬度，應變主要沿長度方向。因此，只有R1和R3受壓阻效應的影響。按圖(b)所示連接成拾振橋路。R2和R4起溫度補償?shù)淖饔谩?b)拾振橋路(a)電阻布置9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

圖(c)為自激測量系統(tǒng)。設激振電阻阻值為R，所加激勵電壓為Ucoswt，則熱激勵功率為：(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

Ps為恒定分量，不是激發(fā)及維持振蕩的因素；Pd為交變分量，起著激發(fā)并維持振蕩的作用。(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)其中：9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

當滿足正反饋條件，且w等于諧振頻率的1/2時，即可按諧振頻率振蕩。放大器要有足夠的放大倍數(shù)，以滿足自激振蕩的幅值條件，而移相器的作用是對閉環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的總相移進行調(diào)整(主要是激振器→拾振器的90左右相移)，以滿足相位條件。(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

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√√9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

諧振式傳感器輸出信號的頻率一般與被測量的開方成正比。即使取特性曲線較直的一段作為工作范圍，其非線性誤差也會高達5～6%左右。為提高測量精度，采用以f

2為輸出的轉(zhuǎn)換電路，則線性度可達0.5～2.5%。9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

諧振式傳感器輸出信號u1的頻率為f、周期T＝1/f。u1經(jīng)放大整形后得到頻率為f的方波u2。

9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

u2觸發(fā)CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到頻率仍為f，周期仍為T，但脈沖寬度為t的方波u3。t與f無關，是常量。

9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

u3同時控制著兩個頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路，使它們在每個周期T里輸出寬度為t、幅值分別為Ur1、Ur2的方波uo1和uo2。9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路如圖所示，u3高電平期間三極管截止，場效應管柵極低電位而導通，輸出等于輸入，u3低電平期間三極管導通，場效應管柵極高電位而截止，輸出等于零。9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路低通濾波后Uo＝(Ur2t)/T，Ur2＝(Ur1t)/T。所以：9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

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√√√第9章

諧振式傳感器9.1

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計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應用舉例√√√9.4

諧振式傳感器應用舉例9.4.1

振弦式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例9.4.4

振筒式傳感器應用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應用舉例9.4.1

振弦式傳感器應用舉例振弦式傳感器具有結構簡單牢固、測量范圍大、靈敏度高、測量電路簡單等優(yōu)點，廣泛用于大壓力的測量，也可用來測位移、扭矩、力和加速度等。它的缺點是對傳感器的材料和加工工藝要求很高，精度較低。9.4.1

振弦式傳感器應用舉例

1.振弦式壓力傳感器

圖示是測地層壓力用的振弦式壓力傳感器。測量時底座上的膜片與所要測量的地層面接觸。9.4.1

振弦式傳感器應用舉例

2.振弦式加速度傳感器

通過調(diào)整端蓋上的螺釘，使得無加速度作用時，質(zhì)量塊左右兩側(cè)振弦的諧振頻率相同。有水平方向加速度作用時，測出兩邊振弦的頻差即可知道加速度。1—固定弦；2—質(zhì)量塊；3—激振磁鐵；4—端蓋；5—螺釘；6—振弦；7—殼體；8—引線孔9.4.1

振弦式傳感器應用舉例

振弦式加速度傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、耐沖擊等特點，既可用于火箭、導彈的慣性導航系統(tǒng)中，又可用于航空與地面重力測量、地震測量、爆破振動與地基振動測量。9.4.1

振弦式傳感器應用舉例

3.振弦式傾斜傳感器

當被測物傾斜角度發(fā)生變化，導致重物的重心轉(zhuǎn)動，從而使振弦的張力發(fā)生變化。9.4.1

振弦式傳感器應用舉例

美國基康公司是該類傾斜傳感器的著名生產(chǎn)廠家。圖示為其應用。9.4.1

振弦式傳感器應用舉例4.振弦式錨索測力計

BGK-4900振弦式錨索測力計如圖所示。9.4

諧振式傳感器應用舉例√9.4.1

振弦式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例9.4.4

振筒式傳感器應用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例

用彈性圓環(huán)作為敏感元件，可測靜態(tài)力和準靜態(tài)力。有兩個振動系統(tǒng)，一個用來測量，另一個進行溫度補償。因只有單根振梁，非線性誤差較大。1—圓環(huán)；2、9—激振器；3—振梁；4、7—拾振器；5、6—放大振蕩電路；8—振桿9.4

諧振式傳感器應用舉例√√9.4.1

振弦式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例9.4.4

振筒式傳感器應用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例

振膜式壓力傳感器的分辨力可以達到0.3～0.5kPa/Hz，精度可達0.01%，重復性可達十萬分之幾，長期穩(wěn)定性可達每年0.01～0.02%，這是一般模擬輸出的壓力傳感器所不能比擬的。因此，常用于航空航天技術中，用來測量大氣參數(shù)(靜壓及動壓)，并通過計算機求飛行速度、飛行高度等飛行參數(shù)；它還常用來做為標準計量儀器，標定其他壓力傳感器或壓力儀表。此外，它也可測液體密度、液位等參數(shù)。9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例

壓力膜片5的支架上固定著振動膜片2，被測壓力p進人空腔之后，壓力膜片發(fā)生變形，支架角度改變，使振動膜片張緊，剛度變化，固有頻率也發(fā)生改變。1—拾振線圈；2—振動膜片；3—激振線圈；4—放大振蕩電路；5—壓力膜片；6—空腔9.4

諧振式傳感器應用舉例√√√9.4.1

振弦式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例9.4.4

振筒式傳感器應用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應用舉例9.4.4

振筒式傳感器應用舉例振筒式傳感器主要用于測氣體壓力和密度等物理量。如圖所示為單管式密度傳感器結構。振筒振動時管中被測介質(zhì)的質(zhì)量必然附加在振筒的質(zhì)量上，使系統(tǒng)諧振頻率和介質(zhì)質(zhì)量有關。但管子對兩端固定塊有反作用力，將引起基座運動，導致測量誤差。拾振器被測流體激振器放大器固定塊固定塊9.4.4

振筒式傳感器應用舉例雙管式結構可提高振動頻率的穩(wěn)定性。兩管的振動頻率相同但振動方向相反，對固定基座的作用相互抵消，不引起基座運動。振動管與外部管道采用軟性聯(lián)結(如波紋管)，以防止外部管道的應力和熱膨脹對管子振動頻率的影響。9.4.4

振筒式傳感器應用舉例

振筒式壓力傳感器如圖所示，精度可以達到0.015%。9.4

諧振式傳感器應用舉例√√√√9.4.1

振弦式傳感器應用舉例9.4.2

振梁式傳感器應用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應用舉例9.4.4

振筒