第九章_谐振式传感器

第九章 谐振式传感器谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率 变化的装置。 变化的装置。 14b8547501f69e31433294c1
优点：由于其输出为频率信号，故具有高精度、 优点：由于其输出为频率信号，故具有高精度、 高分辨力、高抗干扰能力、适于长距离传输、 高分辨力、高抗干扰能力、适于长距离传输、能 直接与数字设备相连接等优点， 直接与数字设备相连接等优点，又因无活动部件 而具有高稳定性和高可靠性。 而具有高稳定性和高可靠性。 缺点：要求材料质量较高，加工复杂、成本高， 缺点：要求材料质量较高，加工复杂、成本高， 并且输出频率与被测量往往是非线性关系， 并且输出频率与被测量往往是非线性关系，需要 进行线性化处理。 进行线性化处理。 14b8547501f69e31433294c1
第一节 原理与类型 一、基本原理振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下式表示： 振子即机械振动系统的谐振频率 可近似用下式表示： 可近似用下式表示
1 f = 2π
k me
式中： 式中： k
振子材料的刚度 振子的等效振动质量
me
有关， 上式表示振子的谐振频率 f 与其刚度 k 和等效振动质量me有关， 那么， 设其初始谐振频率为 f 0 。那么，如果振子受力或其中的介质质 量等发生变化， 量等发生变化，则导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变 这即为机械谐振传感器的基本工作原理。 化。这即为机械谐振传感器的基本工作原理。
二、组成与类型
谐振式传感器的组成
机械振子的类型a）张丝式 b）膜片式 c）筒式 d）梁式 e）扁平型 f）平凸型 g）双凸型 为压电式谐振传感器） （e、f、g为压电式谐振传感器）
第二节 特性和设计要点一、振弦式谐振传感器特性1 f = 2 F ml
式中： 式中： m
l时，则
振弦的质量块 振弦的有效振动长度
当弦的张力增加 ?Ff = 1 2
F + ?F 1 F ?F = ( 1+ ) ml 2 ml F 1 ?F 1 ?F 2 1 ?F 3 = f 0[1 + ? ( ) + ( ) ? ....] 2 F 8 F 16 F 1 ?F 1 ?F 2 ≈ f 0 [1 + ? ( ) ] 2 F 8 F
幂级数展开
非线性误差
1 ?F 2 ? f0 ( ) 1 ?F 8 F =? ( δ≈ ) 1 ?F 4 F f0 ( ) 2 F
灵敏度
df 1 k= = dF 8ml 2 f
改进： 改进：差动方式
振弦技术： 将一个电磁线圈放在弦中间且距离弦很近， 该线圈兼做激励和拾振线圈；电子脉冲信 号通过两个芯导线传入线圈引起磁场改变 使钢弦以其谐振频率振动。由于张力不同 的钢弦谐振频率不同，线圈感受到钢弦切 割磁力线的频率，将信号通过两个电缆传 到高频石英计时器及周期平均技术来精确 测定弦的振动周期。
振弦式传感器的类型 应变计：测量基础，岩土，建筑结构的盈 利应变 应变计钢弦固定在两个端块之间并且把端 块连

接在要监测的元件上。
压力传感器： 用于渗压计，压力盒，荷载盒，沉降 将钢弦固定在一个灵敏膜片上，压力改变 引起膜片变位，进而导致钢弦张力的改变。
位移传感器： 多点位移计，边界计，测缝计 与弹簧串联的振弦和滑动轴，轴的移动改 变了弹簧的张力。
振弦式传感器的结构： 以被拉紧的钢弦作为敏感元件，其振动频 率与拉紧力的大小与弦的长度有关，既可 以改变他们发生的频率。当振弦长度确定 后，弦振动频率的变化量即可表示拉力的 大小， 输入的是力，输出的是频率
特点： 优点：结构简单牢固，测量范围大，灵敏 度高，测量线路简单，可用于测量大压力， 位移扭矩，力和加速度。 缺点：材料和工艺要求高，传感器精度低
原理：下夹块与膜片 相连，感受被测压力， 引起弦的张力F变化， 使弦的固有自振频率 发生变化，从而感知 压力的变化。
弦的要求： 抗拉强度高，弹性模量大，磁性和导电性 能好，线膨胀系数小，含碳量高的含钨， 含钛的材料。
二、振膜式谐振传感器特性
3 f 0 c1 (1 ? μ )r ?f ≈ p 4 32 Eh2 4
非线性误差
1 ?f δ≈ ( ) 2 f0
压力－ 压力－频率关系曲线
灵敏度
df 3 f 0 c1 (1 ? μ )r k= = 4 dp 32 Eh2
4
三、振筒式谐振传感器特性
f = f 0 1 + Bp2?f ?f 2 + ( ) = Bp f0 f0近 似
式中： 式中： p
被测压力 压差灵敏度系数 压力－频率 压力－ 关系曲线
3(1 ? μ 2 ) r 3 ( ) B≈ 4E h
f0 B ?f = p 2
非线性误差
1 ?f δ≈ ( ) 2 f0
灵敏度
f0 B df k= = dp 2
概念：以均匀薄壁圆桶作为敏感元件，将 被测气体压力或密度的变化转换成频率的 变化。 特点： 稳定性好，迟滞和漂移误差较小，分辨力 高，轻便且成本低
结构： 振筒：薄壁金属圆筒+敏感元件+壁厚 0.07~0.12mm+磁性材料+弹性温度系 数（经冷挤压和热处理），一端固定，另 一端密封可以自由运动。 激励器：棒状磁芯和线圈 拾振器：棒状永久磁铁+线圈
原理 振筒+激励器+拾振器+放大器=振荡系统 放大器通电，激励线圈有一个小电流，振筒受该电流建 立的磁场吸引产生运动而变形，同时，振筒的运动有改 变了拾振器永久磁铁磁路中的磁阻，引起磁路中的磁通 的变化，从而在拾振器中产生感应电动势。经放大后一 部分供输出频率信号，另一部分反馈给激励器补充振筒 中的阻尼损耗，维持振动。 振筒 激励器 拾振器负反馈 网络
放大器
整形 电路
如果暂不考虑材料的弹性温度系 数影响，则频率的高低应决定于圆 筒内外气体压力之差，谐振频率与 被测压力成单值函数关系。可是， 频率与压力不是线性关系，近似成 抛物线关系。
f fp
f0
PF .S
P
四、振

梁式谐振传感器特性
?f ?f 2 p=a ? b( ) f0 f0近 似
f0 ?f = p a非线性误差
压力－频率关系曲线 压力－ 灵敏度
b ?f δ≈ ( ) a f0
f0 df k= = dp a
原理： 激励器+拾振器 当环受到压力P作用时，振梁被拉伸，张力 变大，梁固有自振动频率升高，由拾振器 产生的电势频率信号供给放大电路，再由 放大电路供给激励能量，供给测量电路频 率信号， 弹力圆环
激励器 拾振器 振杆
五、压电式谐振传感器特性
1 f0 = 2h式中： 式中： E
E66
ρ
ρ
66
石英振子的切变模量 石英振子的密度
工作原理： 工作原理：
E 对频率的影响起主导作用。 其中， 66 对频率的影响起主导作用。当石英振子受静态压力 p 其中， 作用时， 作用时，则引起振子上应力发生变化而使振子的谐振频率 f 变化， 成线性关系，这一静压力－ 变化，而频率的变化与所加压力 p 成线性关系，这一静压力－ 变化而产生的。 频移效应主要是 E66 随压力 p变化而产生的。
六、振弦式扭矩传感器套筒 振弦
弹性轴 支架
七、振动管式密度传感器固定块 当振动管振动时，流经管 中的液体随振动，介质的 附在振动管称为振动系统 质量的一部分，当被测介质 密度发生变化，振动系统 总的质量发生变化，系统 固有频率发生改变。 不同密度介质，振动管固有 频率不同，通过检测频率 来检测介质密度。
拾振器
激励器
振动管
八、设计要点1、减小非线性 2、提高灵敏度 3、提高稳定性 4、减小温度误差
第三节 转换电路即将与被测量有确定关系的振子谐振频率转换成电信号。 即将与被测量有确定关系的振子谐振频率转换成电信号。 转换电路中的主要部件： 转换电路中的主要部件：激振环节 按激励信号产生的方式分类： 按激励信号产生的方式分类： 开环式： 开环式：由一单独信号发生器产生激励信号 闭环式：由测量信号通过反馈环节产生激励信号 闭环式：
一、开环式转换电路－亦称间歇式电路 开环式转换电路－ 主要用于振弦式传感器
间歇激励式电路原理图
二、闭环式转换电路－亦称连续激励方式 闭环式转换电路－
要求振子作等幅振动， 要求振子作等幅振动，继而要求放大环节为要求的非线 即输入输出特性为下图： 性，即输入输出特性为下图：
小结


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