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文檔簡(jiǎn)介
8.2.1
工作原理
8.2.2激振裝置
8.2.3振弦傳感器的誤差
8.2.4
振弦式傳感器應(yīng)用下一頁(yè)返回8.2振弦式傳感器振弦式傳感器具有良好的測(cè)量特性,它可以做到小于0.1%的非線(xiàn)性特性,0.05%的靈敏度和小于0.01%/℃的溫度誤差。此外,傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路都比較簡(jiǎn)單。廣泛應(yīng)用于精密的壓力、力、扭矩等測(cè)量中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回
概述8.2.1
工作原理振弦式傳感器的工作原理如圖8.2.1所示。傳感器是由一根放置在永久磁鐵兩極之間的金屬振弦和振蕩放大電路組成。金屬弦承受著拉力,并且根據(jù)不同的拉力大小和不同長(zhǎng)度有著不同的固有振蕩頻率。改變拉力的大小可以得到相應(yīng)的振弦固有振蕩頻率的變化。在圖8.2.1(b)中,它可以等效為一個(gè)并聯(lián)的LC回路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回由于振弦的Q值很高,電路只有在振弦的固有振動(dòng)頻率上才能滿(mǎn)足振蕩條件。因此,電路的輸出信號(hào)頻率就嚴(yán)格地控制在振弦的固有振動(dòng)頻率,而與作用力的大小有關(guān)。這樣,就可以通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)的頻率來(lái)測(cè)量力、壓力、扭矩變形等。圖8.2.1(b)中的R1、R2和場(chǎng)效應(yīng)管組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),起著控制起振條件和振蕩幅度的作用,而R4、R5、VD和C控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓,作為穩(wěn)定輸出信號(hào)幅值之用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回
圖8.2.1振弦式傳感器工作原理(a)結(jié)構(gòu)示意(b)電路原理圖上一頁(yè)下一頁(yè)返回
振弦在電路中可以等效為一個(gè)并聯(lián)的LC回路。如圖8.2.1(a),一根有效長(zhǎng)度為le的振弦在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中振動(dòng)時(shí),振弦上有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e產(chǎn)生和電路i流過(guò)。此時(shí),振弦所感受的力為:。它可以分為兩部分:一部分Fc用來(lái)克服弦的質(zhì)量m的慣性,使它獲得運(yùn)動(dòng)速度v;另一部分FL用來(lái)克服振弦作為一個(gè)橫向彈性元件的彈性力。上一頁(yè)下一頁(yè)返回?fù)?jù)此,可以寫(xiě)出(8.2.1)(8.2.2)式中,ic為對(duì)應(yīng)于力Fc的電流。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e等于(8.2.3)上一頁(yè)下一頁(yè)返回由式(8.2.3)可以看出,振弦在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于電路中電容的作用,其等效電容為:(8.2.4)
當(dāng)振弦偏離初始平衡位置時(shí),有一個(gè)橫向變形位移,它的彈性力為:(8.2.5) 式中,k為振弦的橫向剛度系數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回根據(jù)以下三式,,和 可得
式中,iL為對(duì)應(yīng)于力FL的電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(8.2.6)由式(8.2.6)可以看出,振弦的彈簧作用相當(dāng)于電路中的電感,其等效電感為振弦上流過(guò)的電流i=ic+iL。于是,弦的振動(dòng)頻率就可以按一般LC回路來(lái)計(jì)算,即(8.2.8)這個(gè)結(jié)果與從二階振動(dòng)系統(tǒng)求得的結(jié)果一致。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(8.2.7)
振弦的橫向剛度系數(shù)與弦的張力T的關(guān)系為代入式(8.2.8),則弦的振動(dòng)頻率可以寫(xiě)成式(8.2.9)可以換算成下式式中,σ為弦內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力;ρ為弦的材料密度;E為弦材料的彈性模量;ε為弦的應(yīng)變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(8.2.10)(8.2.9)從式(8.2.10),取f對(duì)ε的微分,則得(8.2.11)
式(8.2.11)為振弦的應(yīng)變靈敏度表達(dá)式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.3.2
扭矩測(cè)量原理
上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.2.2
激振裝置振弦振動(dòng)有強(qiáng)迫振動(dòng)、自由振動(dòng)和自激振動(dòng)三種方式。圖8.2.2給出了振弦傳感器在自激振動(dòng)狀態(tài)下的兩種激勵(lì)方式的原理圖。(1)磁電式變換器如圖8.2.2a所示。振弦也作為振蕩電路的一部分位于磁場(chǎng)中,當(dāng)振弦通入電流后就產(chǎn)生振動(dòng),并輸出一個(gè)信號(hào),經(jīng)放大后又正反饋給振弦使其連續(xù)振動(dòng)。
圖8.2.2振弦傳感器的自激振動(dòng)方式原理圖a)磁電式變換器b)電磁式變換器振弦的等效LC諧振回路作為整個(gè)振蕩電路中的正反饋網(wǎng)絡(luò),由于振弦對(duì)于它的固有振動(dòng)頻率有著非常尖銳的阻抗特性,電路只在其信號(hào)頻率等于振弦的固有振動(dòng)頻率時(shí)才能達(dá)到振蕩條件。R1、R2和場(chǎng)效應(yīng)管組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò),起著控制起振條件和振蕩幅值的作用。R4、R5、DV2和C支路控制場(chǎng)效應(yīng)管V1的柵極電壓,起穩(wěn)定輸出信號(hào)幅值的作用,并為起振創(chuàng)造條件。當(dāng)電路停振時(shí),輸出信號(hào)等于零,場(chǎng)效應(yīng)管處于零偏壓狀態(tài),場(chǎng)效應(yīng)管漏源極對(duì)R2的并聯(lián)作用使反饋電壓近似等于零,從而大大削弱了電路負(fù)反饋?zhàn)饔茫够芈返恼鲆娲蟠筇岣?,有利于起振。上一?yè)下一頁(yè)返回
圖8.2.2振弦傳感器的自激振動(dòng)方式原理圖a)磁電式變換器b)電磁式變換器上一頁(yè)下一頁(yè)返回
(2)電磁式變換器圖8.2.2b為電磁式變換器的原理圖,其中有兩個(gè)磁鋼和兩個(gè)線(xiàn)圈。線(xiàn)圈1激勵(lì)振弦振動(dòng),線(xiàn)圈2拾振并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。圖中線(xiàn)圈2檢測(cè)到的電動(dòng)勢(shì)e被送到放大器輸入端,經(jīng)放大后送到電磁鐵線(xiàn)圈1以補(bǔ)充能量。只要放大器輸出電流能滿(mǎn)足構(gòu)成振蕩器的振幅和相位條件,振弦由于及時(shí)得到恰當(dāng)?shù)哪芰垦a(bǔ)充將維持連續(xù)振動(dòng),振動(dòng)頻率即為弦的固有頻率。綜上所述,無(wú)論是磁電式變換器,還是電磁式變換器,電路輸出信號(hào)頻率與作用力的大小有關(guān),可以通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)的頻率來(lái)測(cè)量作用力。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.2.3
振弦傳感器的誤差
1.非線(xiàn)性誤差從式可知,振弦式傳感器的輸出信號(hào)頻率與作用力的關(guān)系是非線(xiàn)性的。當(dāng)振弦的初始作用力為T(mén)0和被測(cè)力為ΔT時(shí),其輸出信號(hào)頻率從式可得(8.2.12)上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.2.3
振弦傳感器的誤差展開(kāi)上式,并令,得(8.2.13)
當(dāng)時(shí),略去高次項(xiàng),相對(duì)非線(xiàn)性誤差δ等于上一頁(yè)下一頁(yè)返回因此,振弦式傳感器要求有較高的初始頻率,亦即需要施加一定的初始應(yīng)力。為了滿(mǎn)足線(xiàn)性度的要求,的值必需限制在一定范圍內(nèi)。為了改善非線(xiàn)性誤差,振弦式傳感器常采用差動(dòng)工作方式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回
2.溫度誤差振弦傳感器的溫度誤差比較復(fù)雜。當(dāng)溫度從t0變到t1時(shí),由于膨脹系數(shù)的不一致,振弦所受到的預(yù)加力和被測(cè)力都會(huì)發(fā)生變化。因此,溫度變化時(shí)將引起傳感器的零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移,在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用一些補(bǔ)償措施,如采用差動(dòng)工作方式等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.3.4
傳感器輸出特性
1.振弦式壓力傳感器圖8.2.3為測(cè)量地層壓力用的振弦式壓力傳感器。測(cè)量時(shí),底座11上的膜片2和所要測(cè)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,帶動(dòng)兩個(gè)支架10向兩側(cè)拉開(kāi),振弦3被拉緊,改變了振弦的頻率,根據(jù)頻率變化測(cè)定膜片所受壓力的大小。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8.2.4
振弦式傳感器應(yīng)用圖8.2.3振弦式壓力傳感器
1-夾緊裝置2-膜片3-振弦4-線(xiàn)圈5-鐵心6-電纜7-絕緣材料8-塞子9-蓋子10-支架
11-底座
2.振弦式扭矩傳感器圖8.2.4為振弦式扭矩傳感器原理圖。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞扭矩時(shí),軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變,兩相鄰的截面間產(chǎn)生一扭轉(zhuǎn)角度,兩個(gè)套筒體也隨著轉(zhuǎn)過(guò)同一角度,振弦A和B中一根受拉而另一根受壓,引起振弦振動(dòng)頻率的變化。在彈性變形范圍內(nèi)軸的扭轉(zhuǎn)角與外加扭矩成正比,而振弦振動(dòng)頻率的平方差與兩端所受應(yīng)力成正比。因此,可通過(guò)測(cè)量傳感器輸出的差頻信號(hào)的頻率來(lái)測(cè)量軸所承受的扭矩。上一頁(yè)下一頁(yè)返回圖8.2.4扭矩測(cè)量裝置原理圖上一頁(yè)下一頁(yè)返回1、2-套筒1A、2A、1B、2B-套筒的凸臺(tái)
A、B-振弦
3.振弦式加速度計(jì)圖8.2.5為振弦式加速度計(jì)原理圖。對(duì)兩邊端蓋4的引線(xiàn)通以交流電可使質(zhì)量塊2兩邊的振弦6A、6B產(chǎn)生振動(dòng)。交流電可通過(guò)控制電源調(diào)節(jié),使交流電壓的頻率和兩邊振弦的諧振頻率一致。當(dāng)無(wú)加速度作用時(shí),兩邊振弦的諧振頻率相同。當(dāng)有加速度作用時(shí),質(zhì)量塊受到加速度作用,由慣性力引起振弦的強(qiáng)迫振動(dòng),兩邊振弦的頻差與加速度成正比。上一頁(yè)下一頁(yè)返回為了保證這種加速度計(jì)的正常工作,需要調(diào)節(jié)振弦6A、6B的初始張力,使弦絲振蕩頻率保持不變,這可通過(guò)調(diào)整8.2.5
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