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1、传感器 第十章 谐振式传感器第1页，共28页，编辑于2022年，星期四第十章第十章 谐振式传感器谐振式传感器l定义：定义：谐振式传感器是直接将被测量变化转换为谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率物体谐振频率变化变化的装置，故也称为的装置，故也称为频率式传感器频率式传感器。l特点：特点：F优点：高精度优点：高精度(0.01%)(0.01%)、高分辨率、高抗干扰能力、适于长、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距离传输、能直接与数字设备相连接 、高稳定性和高可靠、高稳定性和高可靠性性 。F缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，缺点：要求材料质量
2、较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，成本较高成本较高 ；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理化处理 。l种类：种类：电式、电式、机械式机械式、原子式。、原子式。第2页，共28页，编辑于2022年，星期四 外形外形 振筒振筒 谐振筒压力传感器谐振筒压力传感器 0.0150.0150.0150.015 第3页，共28页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 原理与类型原理与类型n机械式谐振传感器将被测量转换为物体的机械式谐振传感器将被测量转换为物体的机械谐振频率机械谐振频率，其中振动，其中振动部分被称为部分被称为振子振子。一、基本原理一、
3、基本原理l振子谐振频率振子谐振频率f f：l振子谐振频率振子谐振频率f f与其刚度与其刚度k k和等效振动质量和等效振动质量m me e有关，设其初始谐振有关，设其初始谐振频率为频率为f f0 0。k k振子材料的刚度；振子材料的刚度；meme振子的等效振动质量。振子的等效振动质量。第4页，共28页，编辑于2022年，星期四l如果如果振子受力或其中的介质质量等发生变化振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致振子的等，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。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谐振式传感器的组成振子；振子；激振
4、元件：激振元件：对振子施加激振力；对振子施加激振力；拾振元件：拾振元件：测量振子的振动频率。测量振子的振动频率。激振元件激振元件振子振子拾振元件拾振元件放大器放大器被测量被测量频率输出频率输出第5页，共28页，编辑于2022年，星期四二、类型二、类型机械振子的结构：张丝状、膜片状、筒状、梁状。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。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。谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。第6页，共28
5、页，编辑于2022年，星期四一、振弦式谐振传感器一、振弦式谐振传感器l振弦受张力振弦受张力T T作用，其等效刚度发生变化，谐振频率作用，其等效刚度发生变化，谐振频率f f为为l振弦的线密度；振弦的线密度；l振弦的有效振动长度。振弦的有效振动长度。第二节第二节 特性特性第7页，共28页，编辑于2022年，星期四l张力增加张力增加T，振弦的振动频率变为，振弦的振动频率变为l因为因为T/T 1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为式为 l单根振弦测压力时的非线性误差单根振弦测压力时的非线性误差为为 第8页，共28页，编辑于2022年，星期四l为了
6、得到良好的线性，常采用为了得到良好的线性，常采用差动式结构差动式结构。上下两弦对称，初始张力相等，。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。通过差频差频电路测得两弦的频率差电路测得两弦的频率差，则式，则式(9-3)(9-3)中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为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。减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。第9页，共28页，编辑于2022年，星期四二、振膜式谐振传感器二、振膜式谐振传感器第10页，共28页，编辑于20
7、22年，星期四三、振筒式谐振传感器三、振筒式谐振传感器第11页，共28页，编辑于2022年，星期四四、振梁式谐振传感器四、振梁式谐振传感器第12页，共28页，编辑于2022年，星期四五、压电式式谐振传感器五、压电式式谐振传感器特点：特点：振子和圆筒由一整块石英加振子和圆筒由一整块石英加工；空腔为真空；振子两边一对工；空腔为真空；振子两边一对电极连接外电路组成振荡电路。电极连接外电路组成振荡电路。原理：原理：静态压力静态压力p p静应力静应力切变切变模量模量E66固有频率固有频率f0公式：公式：第13页，共28页，编辑于2022年，星期四一、开环电路（一、开环电路（间歇激励式电路）间歇激励式电路
8、）第三节第三节 转换电路转换电路第14页，共28页，编辑于2022年，星期四工作原理：工作原理：当张驰振荡器给出当张驰振荡器给出激励脉冲激励脉冲时，继电器吸合，电流通过磁时，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。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。常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率感应电动势的频率即为振弦的固有频率。线圈兼有线圈兼有激励激励和和拾振拾振两种作用。两种作用。第
9、15页，共28页，编辑于2022年，星期四为提高线性度，采用图为提高线性度，采用图10-810-8，以，以f f2 2为电路输出。为电路输出。第16页，共28页，编辑于2022年，星期四一、振弦式传感器一、振弦式传感器振弦式压力传感器振弦式压力传感器可测对象：地层压力；可测对象：地层压力；工作原理：工作原理：测量时，底座测量时，底座1111上的膜片上的膜片2 2和所要测量的地层面直接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，带动两个支架接触，地层压力变化，膜片便受压力发生挠曲，带动两个支架1010向两侧拉开，振弦向两侧拉开，振弦3 3被拉紧，改变了振弦的频率，根据频率变被
10、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。化测定膜片所受压力的大小。第四节第四节 应用实例应用实例第17页，共28页，编辑于2022年，星期四第18页，共28页，编辑于2022年，星期四n振弦式锚索传感器振弦式锚索传感器测量锚索测量锚索/锚杆加载或长期工作时的应力变化；锚杆加载或长期工作时的应力变化；工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。第19页，共28页，编辑于2022年，星期四第20页，共28页，编辑于2022年，星期四第21页，共28页，编辑于2022年，星期四二、振膜式压力传感器二、振膜式压力传感器性能优异：性能优异：高的稳定性、重复
11、性和较高灵敏度（高的稳定性、重复性和较高灵敏度（0.30.5kPa/Hz）；）；测量精度可达测量精度可达0.01%，重复性达十万分之几，稳定性每年，重复性达十万分之几，稳定性每年0.01%0.02%。n应用：应用：航空航天领域测大气参数（静压及动压）、飞行高度、飞行速度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；等；标准计量仪器对其他压力传感器标定。标准计量仪器对其他压力传感器标定。第22页，共28页，编辑于2022年，星期四1 1、微型应变片、微型应变片 2 2、平膜片、平膜片(振子振子)3 3、电磁线圈、电磁线圈4 4、环状壳体、环状壳体5 5、压力室、压力室6 6、参考压
12、力腔、参考压力腔7 7、基座、基座8 8、导管、导管振膜式压力传感器原理结构振膜式压力传感器原理结构第23页，共28页，编辑于2022年，星期四三、振筒式传感器三、振筒式传感器测量对象：测量对象：气体的压力和密度。气体的压力和密度。振筒式压力传感器振筒式压力传感器第24页，共28页，编辑于2022年，星期四拾振器拾振器谐振敏感元件谐振敏感元件激励器激励器第25页，共28页，编辑于2022年，星期四振管式密度传感器振管式密度传感器（单管式）（单管式）双管式密度传感器双管式密度传感器第26页，共28页，编辑于2022年，星期四l单管式的工作原理：单管式的工作原理：激磁线圈激磁线圈3 3使振筒振动时
13、，管中的被测介使振筒振动时，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振频率被改变并由拾振线圈4 4检测。介质密度不同使系统谐检测。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。振频率不同，由此可确定介质密度值，这就是它的工作原理。l单管式的缺点：单管式的缺点：管子被固定的两端对固定块有一反作用力，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。误差。第27页，共28页，
14、编辑于2022年，星期四l双管式的特点：双管式的特点：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，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。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。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，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。形成一个振动单元。振动管与外部管道采用软性联结振动管与外部管道采用软性联结(如波纹管如波纹管)，以防止外部管道的应力，以防止外部管道的应力和热膨胀对管子振动频率的影响。和热膨胀对管子振动频率的影响。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。型，如图中虚线所示。第28页，共28页，编辑于2022年，星期四