第十章 谐振式传感器

山东理工大学机械学院传感器结构原理与设计机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982办公室：新实验楼427山东理工大学机械学院第十章谐振式传感器定义：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，故也称为频率式传感器。特点：优点：高精度(0.01%)、高分辨率、高抗干扰能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接、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，所以生产周期长，成本较高；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理。种类：电式、机械式、原子式。山东理工大学机械学院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％]山东理工大学机械学院第一节原理与类型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。一、基本原理振子谐振频率f：振子谐振频率f与其刚度k和等效振动质量me有关，设其初始谐振频率为f0。k——振子材料的刚度；me——振子的等效振动质量。山东理工大学机械学院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，从而使其谐振频率发生变化。谐振式传感器的组成①振子；②激振元件：对振子施加激振力；③拾振元件：测量振子的振动频率。激振元件振子拾振元件放大器被测量频率输出山东理工大学机械学院二、类型机械振子的结构：张丝状、膜片状、筒状、梁状。材料：铁镍恒弹合金；石英晶体（振膜或振梁，分扁平形、平凸形、双凸形）等。谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。山东理工大学机械学院一、振弦式谐振传感器振弦受张力T作用，其等效刚度发生变化，谐振频率f为ρl——振弦的线密度；l——振弦的有效振动长度。第二节特性山东理工大学机械学院张力增加ΔT，振弦的振动频率变为因为ΔT/T1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为单根振弦测压力时的非线性误差δ为山东理工大学机械学院为了得到良好的线性，常采用差动式结构。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，则式(9-3)中的偶次幂项相抵消，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。山东理工大学机械学院二、振膜式谐振传感器山东理工大学机械学院三、振筒式谐振传感器山东理工大学机械学院四、振梁式谐振传感器山东理工大学机械学院五、压电式式谐振传感器特点：振子和圆筒由一整块石英加工；空腔为真空；振子两边一对电极连接外电路组成振荡电路。原理：静态压力p→静应力→切变模量E66→固有频率f0公式：山东理工大学机械学院一、开环电路（间歇激励式电路）第三节转换电路山东理工大学机械学院工作原理：当张驰振荡器给出激励脉冲时，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、与线圈磁铁的间隙就周期性地变化，在线圈中产生感应电动势并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。线圈兼有激励和拾振两种作用。山东理工大学机械学院为提高线性度，采用图10-8，以f2为电路输出。lfffffffTlffTUTTUTTUUTTUU21220122010200102山东理工大学机械学院一、振弦式传感器振弦式压力传感器①可测对象：地层压力；②工作原理：测量时，底座11上的膜片2和所要测量的地层面直接接触，地层压力变化，膜片便受压力发生挠曲，带动两个支架10向两侧拉开，振弦3被拉紧，改变了振弦的频率，根据频率变化测定膜片所受压力的大小。第四节应用实例山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院振弦式锚索传感器①测量锚索/锚杆加载或长期工作时的应力变化；②工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院二、振膜式压力传感器性能优异：①高的稳定性、重复性和较高灵敏度（0.3~0.5kPa/Hz）；②测量精度可达0.01%，重复性达十万分之几，稳定性每年0.01%~0.02%。应用：①航空航天领域测大气参数（静压及动压）、飞行高度、飞行速度等；②标准计量仪器对其他压力传感器标定。山东理工大学机械学院1、微型应变片2、平膜片(振子)3、电磁线圈4、环状壳体5、压力室6、参考压力腔7、基座8、导管振膜式压力传感器原理结构山东理工大学机械学院三、振筒式传感器测量对象：气体的压力和密度。外壳振动筒支承骨架基座拾振线圈谐振线圈铂电阻振筒式压力传感器山东理工大学机械学院拾振器谐振敏感元件激励器山东理工大学机械学院振管式密度传感器（单管式）双管式密度传感器山东理工大学机械学院单管式的工作原理：激磁线圈3使振筒（磁性材料）振动时，管中的被测介质随之振动，介质质量必然附加在筒的质量上，结果系统谐振频率被改变并由拾振线圈4检测。介质密度不同使系统谐振频率不同，由此可确定介质密度值，这就是它的工作原理。单管式的缺点：管子被固定的两端对固定块有一反作用力，将引起基座的运动，结果改变了系统的谐振频率，导致测量误差。山东理工大学机械学院双管式的特点：①两根管子的振动频率相同但方向相反，因此它们对固定基座的作用相互抵消，不会引起基座的运动，从而提高了振动管振动频率的稳定性。②被测介质流过传感器的两根平行的振动管，管子的端部固定在一起，形成一个振动单元。③振动管与外部管道采用软性联结(如波纹管)，以防止外部管道的应力和热膨胀对管子振动频率的影响。④激振线圈和拾振线圈放在两根管子中间，管子以横向模式振动，通常是一次振型，如图中虚线所示。