9谐振传感器

第11章谐振式传感器谐振式传感器谐振传感器的重要组成部分是一个能作机械谐振运动的振动元件，由于人们在设计传感器时使元件的谐振频率对施加在元件上的外力非常敏感，而外力又可由温度、压强等待测物理量依某种机制转换得来，因此通过测量元件的谐振频率就可以对待测的物理量作精确的测量，这就是谐振式传感器的基本工作原理第11章谐振式传感器谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数字技术，便于与计算机结合。频率和周期是能获得最高测量精度的物理参数，并且不会因传输而降低其精度，适合于长距离传输，因而具有精度高、可靠性好的特点。此外，谐振型传感器无活动元件，是一种整体式的传感器，有牢固的机械结构，可靠性和稳定性很好。第11章谐振式传感器谐振式传感器的本质特征与独特优势是：①输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输；②传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；③谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定其具有高的灵敏度和分辨率；④相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。第11章谐振式传感器11.1谐振式传感器理论第11章谐振式传感器谐振式传感器的组成要实现一个谐振式传感器，需要做三个方面的工作：第一，激励振动元件使之发生谐振；第二，在振动元件和待测物理量之间实现耦合，使元件的谐振频率随待测物理量的变化而变化；第三，拾取出振动元件的谐振频率，利用谐振频率与待测物理量之间的耦合关系，实现对待测量的间接测量。第11章谐振式传感器闭环自激系统被测量输出R谐振敏感E激励D信号检测A放大C补偿O闭环系统的实现条件频域时域第11章谐振式传感器电磁铁2i电磁铁1FA1第11章谐振式传感器谐振状态及其评估谐振现象第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器幅频特性曲线第11章谐振式传感器相频特性曲线第11章谐振式传感器谐振子的机械品质因数Q定义：意义：Q反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢，也反映了幅频特性曲线陡峭的程度，即选频的能力，而且Q值高，说明系统的谐振频率和固有频率接近，系统比较稳定，重复性好。第11章谐振式传感器显然Q值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢的程度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐振敏感元件选频能力的强弱。第11章谐振式传感器高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设计谐振式传感器的核心问题。提高Q值的途径选择Q值高的材料，石英、单晶硅等采用较好的工艺，减少谐振子内部压力阻止谐振子与外界振动的偶合优化谐振子的工作环境，使其不受被测介质的影响一般实际的谐振子较其材料的Q值下降1-2个数量级第11章谐振式传感器频率输出谐振式传感器的测量方法频率测量法测量1秒内出现的脉冲数，误差为1Hz，要提高分辨率，提高测量时间，影响动态性能，适合测量高频信号周期测量法测量重复信号完成一个循环所需的时间。适合测量低频第11章谐振式传感器谐振弦式压力传感器特性方程llElfv21=第11章谐振式传感器间歇激发当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。第11章谐振式传感器连续激发连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。电磁铁2i电磁铁1FA1第11章谐振式传感器传感器的特性分析1、灵敏度灵敏度k与材料系数K成正比而与弦的振动频率成反比。–材料系数K——材料的材质；几何尺寸•弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑KllElfv2241llElfv21=llElKv241Kdfdf2fKddfk2第11章谐振式传感器非线性振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输出-输入特性如下图所示。为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度误差和非线性误差。第11章谐振式传感器频率稳定性振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传感器的频率稳定性，而两者的影响是相反的。KllElfv2241ldlEdEfdff232第11章谐振式传感器振弦式传感器的应用1、振弦式混凝土表面应变计运用：测量混凝土表面的应变，主要设计用于安装到混凝土结构上，如:混凝土结构、桩；梁；桥；锚筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土结构上以及使用区间有限的部位仅需一个小截面即可安装。第11章谐振式传感器振弦式沉降仪运用：用于测量和控制纵向运动，水坝和河堤沉降；建筑地基和储油罐的沉降和隆起；海填埋的施工控制；桥墩和桥拱座的沉降；掩埋场的监测；第11章谐振式传感器振动筒压力传感器振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器，于60年代末实用。图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金(如3J53)制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔，被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱壳内腔安置了一个起补偿作用的感温元件。第11章谐振式传感器外形振筒外壳振动筒支承骨架基座拾振线圈谐振线圈铂电阻谐振筒压力传感器[～0.015％]第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器采用电磁方式作为激励、拾振手段最突出的优点是与壳体无接触，但也有一些不足。如电磁转换效率低，激励信号中需引入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定性差，易于产生电磁耦合等。近来发展了一种采用压电激励、压电拾振的新方案，见图。压电陶瓷元件直接贴于圆柱壳的波节处，筒内完全形成真空。第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器谐振膜式压力传感器谐振式压力传感器就是利用压力变化来改变物体的谐振频率，从而通过测量频率变化来间接测量压力。谐振式压力传感器输出为频率信号，测量精度高，并且适用于长距离传输而不会降低其精度。谐振式压力传感器无活动元件，是一种整体式传感器，其信号输出取决于机械参数，抗电干扰能力强，稳定性极好。第11章谐振式传感器传感器组成1.谐振压力谐振式压力传感器在工作时要产生振动，振动部分(称谐振子或谐振器)具有不同的结构形状，如振筒、振膜、振梁等，相应的就有谐振筒式、谐振膜式和谐振梁式压力传感器之分。应用最多的谐振器材料是硅，包括多晶硅和单晶硅，此外还有石英等。2.使振子产生振动，要外加激励力，需要激振元件；3.检测谐振频率，需要拾振元件；4.检测外加压力则还需感压元件，感压元件感受待测压力，改变谐振子的刚度从而改变谐振频率。第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器谐振式微结构传感器的激振方式一般有:静电激振、电磁激振、压电激振、电热激振和光激振等；拾振方式一般有:静电拾振、电磁拾振、压电拾振、压阻拾振和光学拾振等。第11章谐振式传感器压电激振、拾振ZnO具有压电和逆压电效应。利用CVD等方法，可以在谐振元件上沉淀ZnO层并在上下表面置上电极。ZnO的逆压电效应产生的变形力就是使谐振元件发生振动的扰动力，而谐振元件振动时的变形，又引起ZnO膜层同周期性变形，由压电效应知，必将引起ZnO膜上电荷量的周期性变化，从而可以方便地测得梁的振动频率第11章谐振式传感器应变电阻拾振第11章谐振式传感器石英压电谐振式传感器石英晶体谐振式温度传感器1.工作原理压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化进行测量的。谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数字技术，便于与计算机结合。第11章谐振式传感器把石英谐振器接入振荡环路，并以一定频率的交变电压激励，使其产生机械形变，该机械形变也会同时激发起频率相同的电荷变化，该变化以电压或电流的形式通过振荡环路的反馈与放大，重新作用于石英晶片上，补充了振荡过程中的能量消耗，环路则可建立起等幅正弦振荡。这种以电振荡促进机械形变，以机械形变激发电振荡的过程就构成了石英晶体对振荡频率的控制第11章谐振式传感器石英晶体谐振器的振荡频率最稳定、品质因数最高，其AT切片振荡器频率稳定率都在10-8以上。将石英晶体构成自由振动系统，从振动振子无声辐射的板面方向上加压力，对于厚度切变的AT型晶体沿厚度方向加压力，其板面发生形变，振动频率将随所加压力或形变位移量大小而发生变化，谐振器的振动频率便受此力或形变的调制，频率变化和力（应力）及形变间为线性函数关系第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器第11章谐振式传感器根据晶体作厚度剪切模振动时有正的频率温度系数,在长度方向上振动时有负的频率温度系数。总的温度系数可以从-20×10-6/°C到+100×10-6/°C。X切的晶体在厚度方向上振动时,频率温度系数近似为-20×10-6/°C。可根据对频率温度系数的要求加以选择。第11章谐振式传感器可根据温度每变化1°C振荡频率变化若干Hz的要求与晶体的频率温度系数来确定振荡电路的基本共振频率。例如,要求温度变化1°C频率变化1000Hz,亦即分辨率为0.001°C,如果晶体的频率温度系数为35.4×10-6°C,则晶体的基本共振频率为661000281035.410fHz第11章谐振式传感器一种具有线性温度－频率特性的石英切型,是如图8.10所示的平凸透镜形谐振器。当谐振器的直径为8.25mm,表面曲率半径约为125mm时,谐振频率取28MHz，可满足上例要求。图8.10平凸透镜形谐振器第11章谐振式传感器2.结构和电路框图谐振器置于充氦气TO-5型三极管壳内,管壳内压力约133Pa。为了降低热惰性,压电元件置于外壳的上盖附近,使其与上盖的间隙尽量小。该温度传感器在10~9000Hz的频率范围内,经受单次冲击达104g、振动加速度幅值达104m/s2的情况下,仍能保持其初始灵敏度。其他性能指标为:分辨率0.0001°C,绝对误差0.02°C,温度频率特性的非线性为0.05°C(0~100°C),热惰性时间常数为1s(在水中)。第11章谐振式传感器与该传感器配套的测温仪电路框图如图8.11所示。该测温仪能够进行T1和T2两路的温度测量,还能确定温差T1-T2,转换分辨率选择开关,可按10-2、10-3或10-4°C的分辨率进行测量。如果采用一个传感器测温,传感器相应的热敏振荡信号与基准振荡器十倍频后的信号混频后输出,输出值除以1000Hz/°C即为被测温度。第11章谐振式传感器图8.11测温仪电路框图热敏振荡器热敏振荡器选择开关混频器计数器×10基准振荡器分频器门T2T1T1－T210－210－310－4测量方式分辨能力(℃)符号显示进入数字显示器＋－差拍输出数字输出f(T1)或f(T2)f(T2)或f0×10f(T2)≈28MHz2.8MHzf(T1)≈28MHzT1T2f0第11章谐振式传感器8.3.2石英晶体谐振式压力传感器1.工作原理厚度剪切模的石英振子固有共振频率为6612DCfh第11章谐振式传感器可见,频率与厚度h、密度ρ、弹性系数CD66三者均有关系。当石英振子受静态压力