第9章谐振式传感器.

传感器原理与应用第9章谐振式传感器第9章谐振式传感器谐振式传感器是直接将被测量的变化转换为物体谐振频率变化的装置，也称频率式传感器。优点：①精度高、分辨力高；②稳定性高、可靠性高、抗干扰能力强；③适于长距离传输且功耗低；④能直接与数字设备相连接；⑤无活动部件，机械结构牢固等。第9章谐振式传感器缺点：①要求材料质量较高；②加工工艺复杂、生产周期长、成本较高；③其输出频率与被测量的关系往往是非线性的，须进行线性化处理才能保证良好的精度。第9章谐振式传感器谐振式压力传感器第9章谐振式传感器高精度谐振式压力传感器第9章谐振式传感器谐振式压力变送器第9章谐振式传感器谐振式传感器种类很多，按谐振原理可分为：机械的、电的和原子的三类。常用电子振荡器有RC振荡电路和石英晶体振荡电路等。第9章谐振式传感器1.RC振荡器式温度—频率传感器如图所示，它利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，振荡频率与RT有关。2.MOS环振式数字加速度传感器环形振荡器最基本的形式是由奇数个首尾相连成闭环的反相器组成，如图所示。输出频率与每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。第9章谐振式传感器第9章谐振式传感器MOS环振式数字加速度传感器利用了MOS管的力敏效应。如图所示，在应力作用下，由于硅的压阻效应，MOS管源、漏极之间的沟道电阻将发生变化，从而改变反相器的延迟时间。第9章谐振式传感器如图所示，当质量块在加速度作用下使硅梁发生弯曲变形时，在硅梁的根部产生应力s，从而使MOS管的特性发生改变。第9章谐振式传感器本章主要讨论机械式谐振传感器。它是一种频率式数字传感器。所谓频率式数字传感器是指，它能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的准数字信号——频率信号。第9章谐振式传感器9.1谐振式传感器的类型与原理9.2谐振式传感器的特性与设计要点9.3谐振式传感器的转换电路9.4谐振式传感器应用举例9.1谐振式传感器的类型与原理机械式谐振传感器的基本组成如图所示。振动元件是核心部件，称为振子或谐振子。可采用闭环结构，也可采用开环结构。补偿装置主要对温度误差进行补偿。9.1谐振式传感器的类型与原理9.1.1谐振式传感器的类型9.1.2谐振式传感器的基本原理9.1.1谐振式传感器的类型按谐振子的结构，常见的谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，对应的振子形状分别为张丝状、梁状、膜片状和筒状。lTrphph2rllph(a)张丝状(b)梁状(c)膜片状(d)筒状9.1.1谐振式传感器的类型振子材料有：①恒弹性模量的恒模材料，如铁镍恒弹合金等。但这种材料易受外界磁场和周围环境温度的影响。②石英晶体，在一般应力下具有很好的重复性和极小的迟滞，特别是其品质因数Q值极高，且不受环境温度影响，性能长期稳定。③硅。用石英晶体振子可制成性能优良的压电式谐振传感器。振子常为膜片状或梁状，按振子上下表面形状又分为扁平形、平凸形和双凸形三种。其中双凸形振子Q值最高可达106～107，因而较多采用。石英晶体的振动模式有长度伸缩、弯曲、面切变和厚度切变等，其中厚度切变是主要的应用模式。h(a)扁平形(b)平凸形(c)双凸形9.1.1谐振式传感器的类型根据能陷理论，选择谐振子外形的主要依据是径向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般，当f/h≤15时，采用双凸形；当15＜f/h≤45时，采用平凸形；当f/h＞45时，采用扁平形。9.1.1谐振式传感器的类型9.1.1谐振式传感器的类型随着微电子技术和微机械加工技术的兴起，以硅为振子材料的硅微机械谐振传感器越来越受到了重视。这种传感器利用成熟的硅集成制造工艺，能得到大批量的可靠性高、灵敏度高、价格低廉、体积小、功耗低的产品，特别是便于构成集成化测量系统。其振子常为微悬臂梁、两端固支微梁(桥)、方膜或圆膜等形状，尺寸在微米量级。9.1谐振式传感器的类型与原理9.1.1谐振式传感器的类型9.1.2谐振式传感器的基本原理√设振子等效刚度为ke，等效振动质量为me，则振子谐振频率f可近似表示为：若振子受到力的作用或其中的介质质量发生变化，导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，其谐振频率也会发生变化。此即机械式谐振传感器的基本工作原理。)1.9(π21eemkf9.1.2谐振式传感器的基本原理1.谐振频率如图所示，一根两端固定，长度为l，线密度(单位长度质量)为r的弦，受到张力T作用。其谐振频率(一次振型)为：lTxy9.1.2谐振式传感器的基本原理)13.9(212π21rTllf)13.9(212π21rTllf当振弦一定时，谐振频率f与张力T及长度l有关。将被测物理量转换为T或l的改变量，即可通过测量f而确定被测量的大小。9.1.2谐振式传感器的基本原理2.振动激励方式为测出谐振频率，须设法激励振子振动。起振后，还需要及时补充能量。给振子补充能量的方式一般有两种：连续激励法和间歇激励法。(1)连续激励法是指按振子的振动周期补充能量，使其振幅维持不变。又可分为电流法、电磁法、电荷法和电热法等。9.1.2谐振式传感器的基本原理①电流法。接通电源时，振弦内的冲击电流使振弦开始振动。若不考虑阻尼，外接线路无需再给振弦提供电流，即可依靠弹性力维持等幅振动，振动频率即谐振频率。NS放大正反馈T9.1.2谐振式传感器的基本原理然而阻尼总是存在的，除电磁阻尼外还有空气阻尼等。振弦在运动过程中切割磁力线产生感应电势，该电势通过外接闭合回路形成电流，使振弦受到大小正比于运动速度、方向和运动速度相反的磁场力的作用，此即电磁阻尼。9.1.2谐振式传感器的基本原理设想将上述感应电势测出来，然后通过正反馈在振弦两端加幅度相同、相位也相同的外接电势，则不会产生电磁阻尼。若外接电势略大于上述感应电势，还可消除其他阻尼的影响。9.1.2谐振式传感器的基本原理电流法的缺点是：振弦连续激励容易疲劳，又因振弦通电，所以须考虑它与外壳绝缘问题。若绝缘材料的热膨胀系数与振弦的热膨胀系数差别大，则易产生温度误差。9.1.2谐振式传感器的基本原理②电磁法，也称线圈法。这种方法在振弦中无电流通过。激振线圈用来连续激励振弦，感应线圈用来接收信号。通过外接电路形成正反馈，使振弦维持连续振动。T12341—铁片；2—感应线圈；3—放大器；4—激振线圈9.1.2谐振式传感器的基本原理9.1.2谐振式传感器的基本原理③电荷法。对振子材料为石英晶体的谐振式传感器，用金属蒸发沉积法在石英振梁上下表面对称地设置四个电极，分为左、右两组。当一组电极加上某方向的电场时，因逆压电效应产生厚度切变，矩形梁段变成平行四边形；电场反向，平行四边形的倾斜也反向。+-+-9.1.2谐振式传感器的基本原理两组电极所加电场的极性相反时，梁就呈一阶弯曲状态；变换这两组电极上电场的极性，梁向相反方向弯曲。这样就可组成自激振荡电路，使梁在一阶弯曲状态下起振，通过正反馈维持等幅振荡。+-+-++--④电热法。用半导体扩散工艺，在硅微桥上表面中部制作激振电阻，在一端制作压敏拾振电阻。激振电阻中通以交变的激励电流，产生横向振动。拾振电阻受到交变的应力作用，阻值周期性变化，通过正反馈电路使硅微桥按谐振频率振动。1432hl5p1—硅微桥；2—激振电阻；3—拾振电阻；4—支柱；5—膜片9.1.2谐振式传感器的基本原理9.1.2谐振式传感器的基本原理(2)间歇激励法不是按振动周期，而是按一定的时间间隔(多个振动周期)给振子补充能量。振子在激励脉冲作用下起振后做振幅逐渐衰减的振动，衰减到一定程度后再次激励，使振幅再次达到最大值，重新开始下一轮衰减振动。T12341—铁片；2—感应线圈；3—永久磁铁；4—电磁铁9.1谐振式传感器的类型与原理9.1.1谐振式传感器的类型9.1.2谐振式传感器的基本原理√√第9章谐振式传感器9.1谐振式传感器的类型与原理9.2谐振式传感器的特性与设计要点9.3谐振式传感器的转换电路9.4谐振式传感器应用举例√9.2谐振式传感器的特性与设计要点谐振式传感器通过测量谐振频率来确定被测量的大小，而谐振频率与被测量之间通常是非线性关系。因此，分析其特性时不仅要分析其输出输入关系、灵敏度等，还要分析其非线性误差。谐振式传感器的设计则主要是振子的设计，因为它是实现将被测量的变化转换为输出频率变化的关键元件。9.2谐振式传感器的特性与设计要点9.2.1谐振式传感器的特性9.2.2谐振式传感器的设计要点9.2.1谐振式传感器的特性1.振弦式谐振传感器特性对图示振弦式传感器，其谐振频率如式(9.13)所示。为了方便，写成：)14.9(210rTlf弦的张力增加DT后：)15.9(1210TTfTTlfD+D+rlT将式(9.15)两边平方，并令Df＝f－f0，得：).(1692200TTffffDD+D)15.9(1210TTfTTlfD+D+r9.2.1谐振式传感器的特性).(1692200TTffffDD+D通常，通过选择合适的工作点可使Df/f01，从而可忽略上式中的平方项，得到近似的线性输出输入关系为：)17.9(20TTffDD9.2.1谐振式传感器的特性忽略非线性项后，非线性误差d和灵敏度Sn分别为：).().(1992189220n0020TfTfSffffffDDDDDd9.2.1谐振式传感器的特性).(1692200TTffffDD+D为了得到良好的线性关系，常常采用差动结构。通过差频电路测得两弦的频率差，则不仅能提高灵敏度，还可减小非线性。1239.2.1谐振式传感器的特性2.其他谐振传感器特性简介(1)振梁式谐振传感器振梁受到压力p作用时，其谐振频率f和压力p的关系为：).(209200D-Dffbffap式中，a、b为常数。lph9.2.1谐振式传感器的特性(2)振膜式谐振传感器膜片受到压力p作用时，谐振频率f与膜片中心静挠度Wp的关系及Wp与p的关系分别为：).()().(22916132191442310pEhrhWchWhWcffppp-++式中，c1、c为常数。rph9.2.1谐振式传感器的特性(3)振筒式谐振传感器振筒受到压力p作用时，谐振频率f与压力p的关系近似为：).(32910Bpff+式中，B≈[3(1－2)/(4E)](r/h)3。ph2rl9.2.1谐振式传感器的特性(4)压电式谐振传感器石英振子压力传感器采用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制成，用一整块石英加工出振子和圆筒，端盖是密封的，空腔被抽成真空。pp12134329.2.1谐振式传感器的特性设石英振子的密度为r，中心厚度为h，则石英振子的谐振频率为：).(1249266hEfr式中，E66为石英振子的切变模量。腔壁受静态压力p作用时，谐振频率f的变化与所加压力p呈线性关系，这种静应力—频移效应主要是E66随压力p变化而产生的。9.2.1谐振式传感器的特性(5)硅微机械谐振传感器其谐振频率f与轴向应力s的关系为：).(2591er0ss+ff式中，ser为临界欧拉应力；f0为轴向应力s＝0时的谐振频率。1432hl5p9.2.1谐振式传感器的特性9.2谐振式传感器的特性与设计要点9.2.1谐振式传感器的特性9.2.2谐振式传感器的设计要点√9.2.2谐振式传感器的设计要点1.振子振子设计主要从以下几方面考虑：(1)减小非线性。①选择合适的工作点和最佳工作频段，也可在转换电路中进行非线性校正；②采用差动结构来减小非线性、提高灵敏度，同时还可减小温度等外界因素的影响；③采用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作石英振子，能得到线性的输出输入特性。9.2.2谐振式传感器的设计要点(2)提高灵敏度。通过适当选择振子的参数来提高灵敏度。①物理特性参数，包括材料的密度r、泊松比、弹性模量E等；②结构参数，包括厚度h、半径r、长度l等；③初始谐振频率f0、预加载荷T0等；④压电式谐振传感器采取围压加载方式时，其灵敏度最高。9.2.2谐振