【课件】传感器与检测技术---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，故也称为频率式传感器。谐振式传感器因输出为频率信号而具有高精度、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的优点；又因无活动部件而具有高稳定性和高可靠性，并可能制造出精度极高的传感器(目前可以做到精度超过万分之一)。第九章谐振式传感器它的缺点是，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；另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保证良好的精度。谐振式传感器的种类很多，按照它们谐振的原理可分为：电的、机械的和原子的三类。本章只讨论机械式谐振传感器。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。这种传感器可以测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。拓展：频率式数字传感器频率式数字传感器能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：例：RC振荡器式频率传感器温度—频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路由运算放大器和反馈网络构成。当外界温度T变化时．RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。(1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利用机械振动系统,通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。拓展：弹性振动体频率式传感器任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，一、机械式谐振传感器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(10-1)式中：k──振子材料的刚度；me──振子的等效振动质量。emkf21可见，振子的谐振频率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。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，从而使其谐振频率发生变化。这就是机械式谐振传感器的基本工作原理。但应注意，变化之间的关系一般是非线性的。emkf21要使振子产生振动，就要外加激振力(激振元件)，要测量振子的振动频率则需要拾振元件，它们之间的关系如图10-1所示。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送到激振元件中形成闭环系统，以维持振子持续振动。图10-1谐振式传感器的组成二、类型振子可以有不同的结构形式，图10-2所示为常见的a张丝状、b膜片状、c筒状、d梁状等。因此相应的有振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。通常振子的材料采用诸如铁镍恒弹合金等具有恒弹性模量的所谓恒模材料。但这种材料较易受外界磁场和周围环境温度的影响。而石英晶体在一般应力下具有很好的重复性和最小的迟滞，更主要的是其Q值极高，并且不受环境温度影响，性能长期稳定。因此利用石英晶体具有稳定的固有振动频率，当强迫振动频率等于其固有振动频率时，便产生谐振这一特性，采用石英晶体作为振子可制成性能更加优良的压电式谐振传感器。2)-(9211Tlf第二节特性和设计要点一、振弦式谐振传感器特性对于图10-2a所示的振弦式传感器，当振弦受张力T作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率f为ρ1振弦的线密度l振弦的有效振动长度当弦的张力增加T时，由式(10-2)可得弦的振动频率f为TTTlTTlf1212111203208121116181211TTTTfTTTTTTff因为ΔT/T1单根振弦测压力时的非线性误差为：TTTTTT41218123)-(9812111618121120320TTTTfTTTTTTff为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图10-3所示。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(10-3)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。对（10-2）两边求导211TlffldTdfk2181得：三、振筒式谐振传感器特性对于图10-2c所示的振筒式传感器，当筒受压力差p作用而引起筒上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率f变化。根据材料力学可知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式3)-(9)()()(30200ffcffbffap式中a、b、c──与振子材料物理性质和结构参数有关的常数，可由实验求得，一般系数c很小，故第3项可忽略3)-(9)()()(30200ffcffbffap当系数a和b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，由上式可得Bpff10其中B为压差灵敏度系数可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频率之间近似成抛物线关系，如图10-5所示。由得Bpff10Bpffff2002因为Δf/f01，相比之下(Δf/f0)2可忽略，所以该传感器的输入输出特性可近似成如下线性关系pBff20这时，它的非线性误差为021ff灵敏度K为：20Bfdpdfk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。振子起振需要足够的激励力；空气阻尼等影响致使振子振动是衰减的，则需要一定的激励力来维持振子振动。因此，转换电路中首先应有激振环节。按激励信号产生的方式可将转换电路分为开环式和闭环式两种。前者是由一单独的信号发生器产生激励信号，后者是由测量信号通过反馈环节产生激励信号。一、开环式转换电路这种电路也称为间歇激励式电路，用于振弦式传感器，其原理如图10-7所示。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。由此可见，线圈兼有激励和拾振两种作用。当然，也可同时放置两个线圈，一个只是用于激励，另一个只是用来拾振，但使传感器体积增大。需要指出，振弦式传感器输出频率f与被测力T之间是由式(10-2)所描述的非线性关系，即使取特性曲线较直的一段作为工作范围，其非线性误差也会高达5~6%左右。为提高测量精度，采用图10-8所示以f2为传感器输出的电路，其线性度可达0.5~2.5%。211Tlf上图是电路原理框图，频率为f(f=1/Tf)的拾振线圈输出电压经放大整形后，触发CMOS单稳态触发器定时定宽电路，则输出一频率仍为f、宽度固定为T＇的方波。同时控制两个f-V转换电路，使它们在每个周期Tf里输出宽度为Tf＇、幅值分别为U01和U02的方波u1和u2，再经过低通滤波成为直流电压U02和U0。那么U02=(U01Tf‘)/Tf，U0=(U02Tf’)/Tf将这两个公式联立求解有2'12'122fTUTTUUfoffoo其中，U01为基准电压值，Tf＇为取决于电路元件值的常数。所以该电路的输出电压U0与振弦谐振频率f的平方成正比，进而与被测力T成正比。2'12'122fTUTTUUfoffoo二、闭环式转换电路这种电路也称作连续激励方式，它是如图10-1所示的自激振荡闭环正反馈系统。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到做等幅振荡，其频率即为振子谐振频率。在振子结构尺寸参数已确定，以及激振、拾振元件类型已定的情况下，放大环节设计应满足闭环正反馈系统的幅值及相位条件，即在起振和稳定振动时，系统开环传递函数的幅频与相频特性应满足：幅频特性A(ω)≥1；相频特性y(ω)=2nπ(n=0、1、2…)。这样，放大环节必须设计成要求的非线性特性，其输入输出特性如图10-9所示。当输入信号Ui小于Uic时，放大环节的倍数是一个常数；而当Ui大于Uic时，放大环节处于饱和状态，输入增加而输出不变。连续激励方式根据激励环节的不同又可分为电流法、电磁法、电荷法三种。(一)电流法该方法是由流过振弦的电流产生激振力，其电路如图10-10所示。设振弦在磁感应强度为B的磁场中的有效长度为lB，当振弦上有电流i流过时，它受电磁力F=BlBi作用而振动。电磁力可看作由两个分力合成：一个分力F1用来克服振弦质量m的惯性，使它得到相应的加速度；另一个分力F2用来克服振弦的横向刚度所产生的弹性恢复力。当然，电流也可相应地分解成两部分i1和i2，则有F1=BlBi1=m(dv/dt)，所以在磁场中以速度v运动的导线便产生感生电动势上式与电容充电时的电压电流关系相比较，可以看出，在磁场中运动的振弦相当于一个电容的作用，其等效电容值C=m/(B2LB2)。dtimBlvB1dtilBmdtimlBvBleBBB1221221)/(1当横向刚度系数为ct的振弦偏离初始平衡位置，有一个横向位移x时，其弹性力F2=-ctx。由于v=dx/dt，e2=vBlB，F2=i2BlB，则由此产生感生电动势dtdiclBdtdFcBldtdxBletBtBB22222上式与电感的电压电流关系相比较，可以看出横向振动的振弦相当于一个电感的作用，其等效电感值tBclBL22R1、R2和场效应管V1组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、二极管VD和电容C支路控制场效应管的栅极电压，起稳定输出信号幅度的作用，并为起振创造条件。当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压状态，其漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似等于零，从而大大削弱了电路负反馈回路的作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。电路中，振弦等效谐振回路作为整个振荡电路的正反馈网络，由于振弦对于它的谐振频率有着非常尖锐的阻抗特性，电路只在其信号频率等于振弦谐振频率时才能达到振荡条件。(二)电磁法该方法是由带有磁钢的电磁线圈产生激励力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式传感器。图10-11所示为电磁法电路，A是振子、RE是应变片(贴在振子A上、其电阻值跟随振动而变化)、L是激振线圈。应变片检测振子的振动信号经电容C1耦合输入放大器IC1的同相端放大，其放大倍数取决于R4/R3的比值。输出的信号经C2、R5及C3、R6两级相移后输入IC2的反相端，IC2是高增益放大器(放大倍数取决于R9/R8)，使输入信号达到一定值后即饱和，以达到非线性特性要求(限幅放大器)。IC2的输出信号经过射极输出三极管V，给激振线圈提供激振电流。通过两级RC移相及IC2的反相满足电路自激振荡对相位的要求。(三)电荷法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。压电式谐振传感器常采用差频检测电路，图10-12所示为一实际电路的原理框图。传感器工作在5MHz的初始频率上，经倍频器乘以40倍，并用差频检测器减去来自作为基准的相同5MHz振荡器(也乘以40倍)的频率数送入计数器。第四节应用一、振弦式传感器振弦式传感器具有结构简单牢固、测量范围大、灵敏度高、测量电路简单等优点，因此广泛用于大压力的测量，也可用来测量位移、扭矩、力和加速