第十章-谐振式传感器-《传感器(第5版)》课件

普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器（第5版）第一节原理与类型第二节应用举例第十章谐振式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录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。第十章谐振式传感器二、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、压电式等。第一节原理与类型图10-2机械振子的基本类型（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张力增加ΔT，振弦的振动频率变为ρl—振弦的线密度；l—振弦的有效振动长度。12lTfl11(1)22llTTTTfllT第一节原理与类型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2320011111[1()()][1()]281628TTTTTfffTTTTT2001()18()14()2TfTTTTfT第一节原理与类型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(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。第一节原理与类型图10-3差动式振弦传感器原理（二）振膜式谐振传感器12012434[1(/)]3(1)/(/)16pppffcWhrWhcWhpEh2401403(1)321()2fcrfpEhff第一节原理与类型（三）振筒式谐振传感器230000()()()1paffbffcffffBp0021()2fBfpff第一节原理与类型（四）振梁式谐振传感器220000(1)(1)()ffffpababffff00()ffpabfaf第一节原理与类型（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：66012Efh第一节原理与类型图10-6压敏石英振子结构原理图一、典型的谐振式传感器（一）振弦式力传感器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。第二节应用举例第十章谐振式传感器图10-7振弦式锚索测力计结构原理（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。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、导管图10-8振膜式压力传感器原理结构第二节应用举例（三）振筒式传感器优点：迟滞误差和漂移误差小，稳定性好，分辨率高以及轻便、成本低。测量对象：气体的压力和密度。图10-9振管式密度传感器（单管式）图10-10双管式密度传感器第二节应用举例单管式的工作原理：激磁线圈3使振筒振动时，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。第二节应用举例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。第二节应用举例（四）振梁式压力传感器①测力范围10e7N，固有频率动态范围为50Hz,故可测静态力和准静态力；②包含两个振动系统；③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%，就有3%~5%的非线性误差。第二节应用举例（五）压电谐振式压力传感器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；第二节应用举例p11234567p2图10-12压电谐振式压差传感器123456输入力图10-13振梁式石英谐振器晶体电极电极图10-14逆压电效应激励示意图二、典型的激振方式（一）开环电路（间歇激励式电路）第二节原理与类型激励脉冲输出信号tt输出磁铁线圈磁铁振弦继电器UeUooo张弛振荡器图10-15间歇激励式电路原理图工作原理：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。第二节原理与类型为提高线性度，以f2为电路输出。lfffffffTlffTUTTUTTUUTTUU21220122010200102第二节原理与类型（二）闭环激振这种电路也称作连续激励方式，它是如图10-16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。第二节原理与类型图10-16振弦式谐振传感器原理框图连续激励方式又可分为电流法、电磁法、电荷法三种。1.电流法第二节原理与类型SNVR2传感器R1R3R4VDR5C输出图10-18谐振式传感器的电流法电路A该方法是由流过振弦的电流产生激振力在磁场中以速度v运动的导线便产生感生电动势timBlvBd1tilBmtimlBvBleBBBd)/(1d1221221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，则由此产生感生电动势第二节原理与类型ticlBtFcBltxBletBtBBdddddd22222显然，磁场中的通电振弦可等效成电路中的一个LC回路，其谐振频率为fLCcmt12122.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。电磁式激振器将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激励力。当向线圈输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，便可产生周期变化的激励力，这种激振器通常是直接作用于振子上。第二节原理与类型3.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。第二节原理与类型被测量数字输出量图10-19压电式谐振传感器电路框图石英振子5MHz振荡器倍频器(40)5MHz振荡器倍频器(40)差频检测电路计数器