第十章-谐振式传感器

第十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，故也属于频率式传感器。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、能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。缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，生产周期长，成本较高；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才能保证良好的精度。第十章谐振式传感器谐振式传感器的种类很多，按照谐振的原理可分为：电的机械的原子的第一节原理与类型一、基本原理机械式谐振传感器将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中振动部分被称为振子。被测量类型力压力位移加速度扭矩密度液位第一节原理与类型一、基本原理应用领域航空航天计量气象地质石油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：emkf21式中：kem振子材料的刚度振子的等效振动质量上式表示振子的谐振频率与其刚度和等效振动质量有关，设其初始谐振频率为。那么，如果振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化。这即为机械谐振传感器的基本工作原理。不过，变化之间的关系一般是非线性的。fkem0f二、组成与类型谐振式传感器的组成由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输出到激振元件中形成闭环系统，以维持振子持续等幅振动。二、组成与类型机械振子的类型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（e、f、g为压电式谐振传感器）因此按照振子不同的结构形式可分为振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。第二节特性及设计要点一、振弦式谐振传感器特性121Tlf式中：1l振弦的线密度振弦的有效振动长度当弦的张力增加时，则T])(81211[....])(161)(81211[)1(12112120320TTTTfTTTTTTfTTTlTTlf幂级数展开)(41)(21)(81020TTTTfTTf非线性误差fldTdfk2181灵敏度改进：差动方式差动式结构原理：上下两弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦的频率差，则偶次幂项相抵消，使非线性误差大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。差动式振弦传感器原理二、振膜式谐振传感器特性pEhrcff4421032)1(3)(210ff4421032)1(3Ehrcfdpdfk压力－频率关系曲线非线性误差灵敏度三、振筒式谐振传感器特性Bpff10p32)(4)1(3hrEB式中：压差灵敏度系数被测压力Bpffff200)(2压力－频率关系曲线近似pBff20)(210ff20Bfdpdfk非线性误差灵敏度四、振梁式谐振传感器特性200)(ffbffap近似paff0)(0ffabafdpdfk0压力－频率关系曲线非线性误差灵敏度五、压电式谐振传感器特性66021Ehf66E式中：石英振子的密度石英振子的切变模量其中，对频率的影响起主导作用。当石英振子受静态压力作用时，则引起振子上应力发生变化而使振子的谐振频率变化，而频率的变化与所加压力成线性关系，这一静压力－频移效应主要是随压力变化而产生的。工作原理：p66E66Eppf压敏石英振子结构原理图六、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谐振式传感器转换电路就是将与被测量有确定关系的振子谐振频率转换成电信号的电路。转换电路中的主要部件：激振环节（空气阻尼等影响致使振子振动是衰减的）转换电路按激励信号产生的方式分类：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一、开环式转换电路－亦称间歇式电路主要用于振弦式传感器间歇激励式电路原理图a）电路原理框图b）单稳态触发器c）f－V转换电路振弦式谐振传感器转换电路一、开环式转换电路－亦称间歇式电路主要用于振弦式传感器一、开环式转换电路－亦称间歇式电路主要用于振弦式传感器即输出电压与振弦谐振频率的平方成正比二、闭环式转换电路－亦称连续激励方式自激振荡闭环正反馈系统放大环节的输入输出特性为使传感器稳定工作，在设计和选择各环节的传递函数和参数时，应保证振子在激振力作用下能由起振做到等幅振荡，其频率即为振子谐振频率。1、电流法连续激励方式根据激励环节不同又可分为电流法、电磁法、电荷法三种二、闭环式转换电路－亦称连续激励方式谐振式传感器的电流法电路1、电流法1、电流法121Tlf2、电磁法谐振式传感器的电磁法电路3、电荷法压电式谐振传感器电路原理框图该方法利用晶体逆压电效应产生激振力，石英振子上下表面各覆盖金属层作为电极引入系统反馈环节的输出信号，则振子既是振动体又是激励环节。第四节应用举例一、振弦式传感器这种传感器的振弦一端固定，另一端连结在弹性感压膜片上。弦的中部装有一块软铁，置于磁铁和线圈构成的激励器的磁场中(图1)。激励器在停止激励时兼作拾振器，或单设拾振器。工作时,振弦在激励器的激励下振动,其振动频率与膜片所受压力的大小有关。拾振器则通过电磁感应获取振动频率信号。振弦式扭矩传感器一、振弦式传感器这种传感器可用于测量发动机轴的扭测量时将整个装置用两个套筒卡在被测轴的两个相邻面上（图2）。两个振弦传感器分别跨接在两个套筒的4个凸柱上。当轴传递扭矩时，轴产生扭转形变，轴的两相邻截面就扭转一个角度，使装在卡筒上的两个振弦传感器中的一个受拉、一个受压。根据虎克定律,在弹性变形范围内,轴的扭转角度是与外加的扭矩成正比的，振弦的伸缩变形也就与外加的扭矩成正比。而振弦的振动频率的平方差与它所受应力成正比，因此可利用测量弦的振动频率的方法来测量轴所承受的扭矩。二、振膜式传感器作为拾振器的压电元件利用正压电效应将振动信号送往放大器，该信号经放大后又正反馈到作为激振器的压电元件，利用逆压电效应产生振动激励以维持膜片的振动。为提高稳定性，压电元件的固有振荡频率应远离振膜的固有振荡频率，并设置高频衰减网络抑制高频振荡。工作时，激励线圈接通交变电流而使膜片产生振动，拾振线圈则将所感应的振动信号送往放大振荡电路，该信号经放大后又正反馈给激励线圈，使振膜保持它固有频率振动。激励线圈和拾振线圈还可以用两个压电元件代替，其结构也可做成使振膜直接感受被测压力。三、振筒式传感器三、振筒式传感器振管式密度传感器工作时，给用磁铁线圈构成的激振器通以交变电流，磁性振筒在交变磁场的激励下起振，而拾振器则完成相反的电磁感应过程，将筒的振动信号反馈到振荡电路去。由于振筒具有高品质因数，整个振荡系统以振筒的固有频率振动。当被测介质流过振筒内时,振筒的有效振动质量增加,使振动频率发生变化，测量电路就可取出与介质密度成一定关系的频率信号。四、振梁式传感器振梁式力传感器一种用弹性圆环作敏感元件的振梁式力传感器的结构如图所示。它的测力范围为107N，故有频率范围为50Hz，故可测静态力和准静态力。这种传感器有两个振动系统：一个是由振梁3、激振器2、拾振器4和放大振荡电路5组成，用来测量力。当力F使弹性圆环受压时，振梁被拉伸使张力增加，固有振荡频率增高。另一个振动系统是由振杆8、激振器9、拾振器7和放大振荡电路6组成。圆环1受压时振杆的张力没有变化，故其振动频率也没有变化。它的作用只是起温度补偿作用。由于这种传感器只有单根振梁，因此非线性误差较大，当频率变化10%时，就有3%~5%的非线性误差。五、压电谐振式传感器压电谐振式压差传感器如图所示为由石英晶体谐振器构成的振梁式压差传感器。两个相对的波纹管1用来实现压力差的传递，采用杠杆3形成绕支点4的力矩并传递给力敏石英振子7，它受拉伸或压缩力作用后改变了晶体的谐振频率。通过改变杠杆臂比以及波纹管的截面积和配重6来选择合适的压力-频率转换关系。壳体2所包围的空间5抽成真空。五、压电谐振式传感器力敏石英谐振器的结构如图所示为力敏石英谐振器的结构。贴有电极4的振梁3居振子中央。振梁不直接固定在产生输出力的构件上，以防止反作用力、力矩上基座的能量损失和Q值降低，有利于提高稳定性。为避免振梁和机械系统直接连接，在振梁3和固定表面6之间采用了机械隔振器，它由弯曲去载区1、隔离器弹性体2及隔离器质量块5组成。隔振系统的固有频率很低，故可消除对振梁谐振频率的影响，同时弯曲去载区还可消除横向力的影响。五、压电谐振式传感器逆压电效应激振示意图用金属蒸发沉积的方法在振梁上下两表面对称地设置四个电极。利用压电效应的可逆性，组成自激振荡电路。当四个电极被加上电场后，梁在一阶弯曲状态下起振。当某一方向的电场加到石英晶体上时，由于产生厚度切变，矩形梁变成平行四边形，电场反向，平行四边形的倾斜也随之反向。当斜对着的一对电极与另一对电极的极性相反时，梁就呈一阶弯曲状态；变换这两对电极极性方向后，梁向相反方向弯曲。