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1、第十章 数字式传感器ppt第1页，本讲稿共64页 谐振式传感器谐振式传感器10.1 10.1 原理与类型原理与类型 10.2 10.2 特性和设计要点特性和设计要点10.3 10.3 转换电路转换电路 10.4 10.4 应用举例应用举例 第2页，本讲稿共64页310.1 10.1 原理与类型原理与类型n谐振式传感器是直接将谐振式传感器是直接将被测量变化被测量变化转换为转换为物物体谐振频率体谐振频率变化的装置，故也称为变化的装置，故也称为频率式传频率式传感器。感器。n输出信号为数字信号。输出信号为数字信号。第3页，本讲稿共64页410.110.1原理与类型原理与类型n特点：特点：1.1.谐振式
2、传感器因输出为频率信号而具有谐振式传感器因输出为频率信号而具有高精度高精度、高分高分辨率辨率、高抗干扰能力高抗干扰能力、适于长距离传输适于长距离传输、能直接与数字能直接与数字设备相连接设备相连接的优点；的优点；2.2.因无活动部件而具有高稳定性和高可靠性，并可能制因无活动部件而具有高稳定性和高可靠性，并可能制造出造出精度极高的传感器精度极高的传感器(目前可以做到精度超过目前可以做到精度超过万分之万分之一一)。n缺点：缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，成本较高成本较高,价格贵价格贵。另外，其输出频率与被测量往往是。另外，其输出频
3、率与被测量往往是非线性关系，需非线性关系，需进行线性化处理进行线性化处理才能保证良好的精度。才能保证良好的精度。第4页，本讲稿共64页510.110.1原理与类型原理与类型n种类：种类：按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原子的三类。子的三类。n这里分析这里分析机械式谐振传感器。机械式谐振传感器。第5页，本讲稿共64页610.1 10.1 原理与类型原理与类型n工作核心：工作核心：将被测量转换为物体的机械谐振将被测量转换为物体的机械谐振频率频率，其，其中中振动部分被称为振子振动部分被称为振子。n应用：应用：测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密测量力、压力、
4、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。度、液位等。它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。石油等行业中。第6页，本讲稿共64页机械振子的基本类型机械振子的基本类型7第7页，本讲稿共64页8振弦式第8页，本讲稿共64页振筒式9第9页，本讲稿共64页10振梁式第10页，本讲稿共64页11第11页，本讲稿共64页12第12页，本讲稿共64页13n n 差动式振弦传感器原理差动式振弦传感器原理第13页，本讲稿共64页14 电流法电路第14页，本讲稿共64页15第15页，本讲稿共64页161.1.基本原理基本原理 振子即机械振动系统的振子即机械振动系统的
5、谐振频率谐振频率f f可近似用可近似用下式表示下式表示 (式中：式中：k k 振子材料的刚度；振子材料的刚度；meme振子振子的等效振动质量。的等效振动质量。第16页，本讲稿共64页17 基本工作原理：基本工作原理：振子的谐振频率振子的谐振频率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meme有关，设其有关，设其初始谐振频率为初始谐振频率为f f0 0。那么，如果振子受力或其中的介质质。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。生变化，从而使其谐振频率发生变
6、化。变化之间的关系一般是非线性的。变化之间的关系一般是非线性的。第17页，本讲稿共64页18n工作过程：工作过程：要使振子产生振动，就要外加激振力要使振子产生振动，就要外加激振力(激振元激振元件件)，要测量振子的振动频率则需要拾振元，要测量振子的振动频率则需要拾振元件，它们之间的关系件，它们之间的关系如图所示如图所示。由激振元件。由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动激发振子振动，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。件中形成闭环系统，以维持振子持续振动。第18页，本讲稿共64页19n
7、2.2.类型类型 1)1)结构形式：结构形式：图所示为常见的图所示为常见的a a张丝状、张丝状、b b膜片状、膜片状、c c筒状、筒状、d d梁状等。因此相应的有振动弦式、振动膜梁状等。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。式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。第19页，本讲稿共64页20n材料材料:1.1.通常振子的材料采用诸如通常振子的材料采用诸如铁镍铁镍恒弹合金等具有恒弹合金等具有恒恒弹性模量的所谓弹性模量的所谓恒恒模材料模材料。但这种材料较易受外界磁场但这种材料较易受外界磁场和周围环境温度的影响。和周围环境温度的影响。2.2.石英晶体石英晶体第20页，本
8、讲稿共64页21谐振式传感器的几种类型谐振式传感器的几种类型 机械振子的基本类型第21页，本讲稿共64页2210.210.2 特性和设计要点特性和设计要点 n1.振弦式谐振传感器特性振弦式谐振传感器特性n对于振弦式传感器，当振弦受张力对于振弦式传感器，当振弦受张力T T作用时，其等效刚度发生作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率变化，振弦的谐振频率f f为为 n (n n 式中式中 l l-振弦的线密度；振弦的线密度；n l-l-振弦的有效振动长度。振弦的有效振动长度。n当弦的张力增加当弦的张力增加T T时，由上式可得弦的振动频率时，由上式可得弦的振动频率f f为为n n 第22页，本讲稿
9、共64页23n因为因为 T T/T T 1 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n n (nn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d d 为为 n (nn为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两弦为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。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，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为减小，同
10、差，则式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。时提高了灵敏度、减小了温度的影响。第23页，本讲稿共64页24n n 差动式振弦传感器原理差动式振弦传感器原理第24页，本讲稿共64页25n2.2.振膜式谐振传感器特性振膜式谐振传感器特性n 当膜片受压力当膜片受压力p p作用而产生变形时，其等效刚度发生变化，膜作用而产生变形时，其等效刚度发生变化，膜片的谐振频率片的谐振频率f f变化。变化。n膜片受力而产生静挠度，其谐振频率膜片受力而产生静挠度，其谐振频率f f与膜片的中心静挠度与膜片的中心静挠度WpWp的关系可表示为的关系可表示为n nn 膜片的中心静挠度
11、膜片的中心静挠度WpWp与均布压力与均布压力p p的关系可表示为的关系可表示为n n nnn 式中式中 c c1 1、c c为与膜片尺寸、材料有关的常数；为与膜片尺寸、材料有关的常数；nr r、h h、m m 膜片的半径、厚度、泊松比。膜片的半径、厚度、泊松比。第25页，本讲稿共64页26输入输出特性是近似抛物线的非线性关系。振膜压力传感器输入输出特性压力频率关系曲线第26页，本讲稿共64页27n令令 f f=f f-f f0 0，将公式两边平方之后整理得，将公式两边平方之后整理得n nn 通常通常 f f/f f0 10 1，所以上式中的偶次项可以忽略。实际中，所以上式中的偶次项可以忽略。实
12、际中(WpWp/h h)1)1，而，而c c的值又不大，所以公式中的的值又不大，所以公式中的c c(WPWP/h h)3)3项可以忽项可以忽略，然后将略，然后将WpWp/h h代入上式，可得忽略高次项后的线性输入输出关系如代入上式，可得忽略高次项后的线性输入输出关系如下下n n这时，它的非线性误差这时，它的非线性误差d d 为为n n n灵敏度灵敏度k k为为n n 第27页，本讲稿共64页283.3.振筒式谐振传感器特性振筒式谐振传感器特性n当筒受压力差当筒受压力差p p作用而引起筒上的应力发生变化时，作用而引起筒上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率其等效刚度发生变化，振筒
13、的谐振频率f f变化。根据材变化。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料力学可知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式下式n n n式中式中 a a、b b、c c与振子材料物理性质和结构参数有关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，一般系数的常数，可由实验求得，一般系数c c很小，故很小，故 项可忽略。项可忽略。n 第28页，本讲稿共64页29 n当系数当系数a a和和b b满足条件满足条件a a=2/(=2/(BfBf0 0)和和b b=1/(=1/(BfBf0 02 2)时，由上式时，由上式可得可得n n式中式中:压差灵敏度系数，与振筒的压差灵敏度系数，
14、与振筒的n材料性质及尺寸有关；材料性质及尺寸有关；nr r、h h、E E 振筒的内半径、厚度、泊松比、振筒的内半径、厚度、泊松比、弹性模量。弹性模量。n 可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频率之间可见，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。近似成抛物线关系。第29页，本讲稿共64页30n由上式得到由上式得到n n因为因为 f f/f f0 0 1 1，相比之下，相比之下(f f/f f0 0)2 2可可忽略，所以该传感器的输入输出特性可近似忽略，所以该传感器的输入输出特性可近似成如下线性关系成如下线性关系n n这时，它的非线性误差这时，它的非线性误差d d 为为n n
15、灵敏度灵敏度k k为为n 第30页，本讲稿共64页31n四、振梁式谐振传感器特性四、振梁式谐振传感器特性n对石英振梁式传感器，当梁受压力对石英振梁式传感器，当梁受压力p p作用而引起梁上的应力发生变化时，其等作用而引起梁上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，使振梁的谐振频率效刚度发生变化，使振梁的谐振频率f f变化。谐振频率变化。谐振频率f f与压力与压力p p的关系可表示为的关系可表示为n (8-17)(8-17)n式中式中 a a、b b由振子材料物理特性和结构尺寸决定的常数。由振子材料物理特性和结构尺寸决定的常数。n 可见，振梁式谐振传感器的输入输出特性与图可见，振梁式谐振传感器的输入
16、输出特性与图8-58-5所示的抛物线相同。所示的抛物线相同。n 忽略了高次项忽略了高次项(f f/f f0 0)之后，近似得到线性输入输出特性如下之后，近似得到线性输入输出特性如下n n这时，它的非线性误差这时，它的非线性误差 为为n (8-19)(8-19)n灵敏度灵敏度k k为为n (8-20)第31页，本讲稿共64页32n五、压电式谐振传感器五、压电式谐振传感器特性特性n图示出压力传感器所用的石英振子的结构原理图。它是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，空腔被抽成真空，振子两边有一对电极与外电路连接组成振荡电路。由端盖密封的石英圆筒有效地传递振子周围的
17、压力。压敏石英振子结构原理图第32页，本讲稿共64页33n石英振子固有谐振频率f0为n (8-21)n式中、E66石英振子的密度、切变模量。n其中，E66对频率的影响起主导作用。当石英振子受静态压力p作用时，则引起振子上应力发生变化而使振子的谐振频率f变化，而频率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。第33页，本讲稿共64页34n六、设计要点六、设计要点n谐振式传感器的振子是把被测量的变化转换为频率变谐振式传感器的振子是把被测量的变化转换为频率变化的关键元件，它对传感器的精度、灵敏度和稳定性等有化的关键元件，它对传感器的精度、灵敏度和稳定性等有很大
18、影响，因此对它的设计要求较高，主要可从下述几个很大影响，因此对它的设计要求较高，主要可从下述几个方面进行考虑。方面进行考虑。n(一一)减小非线性减小非线性n 由上面特性分析可知，谐振式传感器的特性曲线几乎由上面特性分析可知，谐振式传感器的特性曲线几乎都是非线性的。选择合适的工作点和最佳工作频段对减小都是非线性的。选择合适的工作点和最佳工作频段对减小非线性非常重要。为获得较高的测量精度，必须在转换电非线性非常重要。为获得较高的测量精度，必须在转换电路中进行非线性校正。对振弦式传感器可采用差动式结构路中进行非线性校正。对振弦式传感器可采用差动式结构来减小非线性，同时也减小了温度等外界环境的影响，并
19、来减小非线性，同时也减小了温度等外界环境的影响，并提高了灵敏度。提高了灵敏度。第34页，本讲稿共64页35n六、设计要点六、设计要点n(二二)提高灵敏度提高灵敏度n根据上面传感器特性分析，可通过适当根据上面传感器特性分析，可通过适当选择下面振子有关参数来提高灵敏度：密度、选择下面振子有关参数来提高灵敏度：密度、弹性模量、泊松比等材料物理特性参数；厚弹性模量、泊松比等材料物理特性参数；厚度、半径、长度等结构参数；初始谐振频率，度、半径、长度等结构参数；初始谐振频率，预加载荷等。预加载荷等。第35页，本讲稿共64页36n(三三)提高稳定性提高稳定性n首先应选择强度高、参数稳定的振子材料，如首先应选
20、择强度高、参数稳定的振子材料，如振弦材料可选择振弦材料可选择钨丝、镀银的石英丝、琴钢丝钨丝、镀银的石英丝、琴钢丝等，又如振筒等材料可选择具有等，又如振筒等材料可选择具有横横弹性模量的铁镍横弹合金弹性模量的铁镍横弹合金等。等。n振子振子Q(=Q(=f f0/D 0/D f f)值代表了振子的值代表了振子的频率选择性频率选择性，它越大，谐振频率，它越大，谐振频率的稳定性越高，传感器的工作也越稳定，抗外界干扰的能力越强，其的稳定性越高，传感器的工作也越稳定，抗外界干扰的能力越强，其重复性也就越好。要求重复性也就越好。要求Q Q值高，必须提高振子的固有频率值高，必须提高振子的固有频率f f0 0，也就
21、，也就必须采用高弹性模量、大刚度、小质量的振子材料。必须采用高弹性模量、大刚度、小质量的振子材料。n尽量尽量提高材料的弹性极限提高材料的弹性极限，保证在最大载荷下，材料弹性变，保证在最大载荷下，材料弹性变形为材料弹性极限的形为材料弹性极限的1/3 1/21/3 1/2以下；要求振子抗蠕变能力好、以下；要求振子抗蠕变能力好、残余应力小，为此必须进行下面两种处理：残余应力小，为此必须进行下面两种处理：低温时效低温时效后，加载后，加载超过弹性极限，然后中温回火，则完成了形变处理；超过弹性极限，然后中温回火，则完成了形变处理；形变处理形变处理后，再在后，再在-70-80 C-70-80 C的冰箱内冷冻
22、的冰箱内冷冻4 4小时，则完成了冰冷小时，则完成了冰冷处理。处理。n 结构上结构上最好作成一体的最好作成一体的，否则振子与其它部分的连接必须具，否则振子与其它部分的连接必须具有很强的抗滑能力。有很强的抗滑能力。n第36页，本讲稿共64页37n(四四)减小温度误差减小温度误差n由于构成传感器的材料受温度影响，均将产生温度变由于构成传感器的材料受温度影响，均将产生温度变形，造成输出信号的不稳定。为减小温度的影响，可采取形，造成输出信号的不稳定。为减小温度的影响，可采取下面措施：下面措施：n采用零温度系数的材料，或温度系数恒定的材料，而采用零温度系数的材料，或温度系数恒定的材料，而且其弹性模量受温度
23、影响小；采用线路补偿；采取恒温措且其弹性模量受温度影响小；采用线路补偿；采取恒温措施；传感器设计成封闭系统，使传感器机械结构自身达到施；传感器设计成封闭系统，使传感器机械结构自身达到热补偿；对因温度变化而影响振子谐振频率变化的传感器热补偿；对因温度变化而影响振子谐振频率变化的传感器部分，通过选取适当的尺寸和温度系数，保持胀缩平衡。部分，通过选取适当的尺寸和温度系数，保持胀缩平衡。n另外，振子材料应具有良好的导磁性和导电性，因另外，振子材料应具有良好的导磁性和导电性，因为振子是激振磁路的一部分，有时还是电路的一部分。为振子是激振磁路的一部分，有时还是电路的一部分。线圈磁铁一般用线圈磁铁一般用Al
24、NiCo-5AlNiCo-5硬磁合金，激振线圈和拾振线硬磁合金，激振线圈和拾振线圈应垂直放置，以防它们之间直接耦合。圈应垂直放置，以防它们之间直接耦合。第37页，本讲稿共64页3810.310.3转换电路转换电路 n谐振式传感器转换电路就是将与被测量有确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定关系的振子谐振频率转换成电信号电信号的电路。的电路。n激振环节：振子起振需要足够的激励力；空激振环节：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，转要一定的激励力来维持振子振动。因此，
25、转换电路中首先应有激振环节。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。过反馈环节产生激励信号。n第38页，本讲稿共64页39n1.1.开环式转换电路开环式转换电路n 这种电路也称为间歇激励式电路，这种电路也称为间歇激励式电路，用于振弦式传感用于振弦式传感器器，其原理如图所示。当张驰振荡器给出激励脉冲时，继，其原理如图所示。当张驰振荡器给出激励脉冲时，继电器吸合，
26、电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停电器吸合，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
27、积增大。使传感器体积增大。第39页，本讲稿共64页40 间歇激励式电路原理图第40页，本讲稿共64页41 振弦式谐振传感器转换电路 a)电路原理框图 b)单稳态触发器 c)f-V转换电路第41页，本讲稿共64页42n二、闭环式转换电路二、闭环式转换电路n这种电路也称作连续激励方式，它是如图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。n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
28、数的幅频与相频特性应满足：幅频特性A()1；相频特性y()=2np(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2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。n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。第42页，本讲稿共64页43放大环节的输入输出特性 电流法电路第43页，本讲稿共64页44 谐振式传感器的电磁法电路压电式谐振传感器电路框图第44页，本讲稿共64页45第45页，本讲稿共64页4610.4应用举例 n1.1.振弦式传感器振弦式传感器n振弦式传感
29、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、力和加速度等。它的缺点是对传感器的材料和加工工艺要求很高，精度较低。n（一)振弦式压力传感器n图8-13示出测量地层压力用的振弦式压力传感器。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。n该传感器的外径为124mm，高29mm，膜片厚2.5mm，弦长78mm。压力变化0.1MPa时，频率变化170Hz。量程为10MP，精度约为 1.5%。第46
30、页，本讲稿共64页47 振弦式压力传感器第47页，本讲稿共64页48n(二二)振弦式扭矩传感器振弦式扭矩传感器n图图8-148-14为振弦式扭矩传感器原理图。在为振弦式扭矩传感器原理图。在被测轴两个相邻截面上装有两个套筒体被测轴两个相邻截面上装有两个套筒体1 1和和2 2，在套筒的凸台，在套筒的凸台1 1A A、2 2A A和和1 1B B、2 2B B之间夹有两之间夹有两根振弦根振弦A A和和B B。当轴转动传递扭矩时，轴产生。当轴转动传递扭矩时，轴产生扭转变形，两相邻的截面间产生一扭转角度，扭转变形，两相邻的截面间产生一扭转角度，两个套筒体也随着转过同一角度，振弦两个套筒体也随着转过同一角
31、度，振弦A A和和B B中一根受拉而另一根受压，引起振弦振动频中一根受拉而另一根受压，引起振弦振动频率的变化。在弹性变形范围内，轴的扭转角率的变化。在弹性变形范围内，轴的扭转角与外加扭矩成正比，而振弦振动频率的平方与外加扭矩成正比，而振弦振动频率的平方差与两端所受应力成正比，因此可通过测量差与两端所受应力成正比，因此可通过测量传感器输出的差频信号的频率来测量轴所承传感器输出的差频信号的频率来测量轴所承受的扭矩。受的扭矩。第48页，本讲稿共64页49n(三三)振弦式加速度传感器振弦式加速度传感器n振弦式加速度传感器结构原理图示于图振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-158-15中，中，1 1是
32、固定弦，是固定弦，3 3是激振磁铁。是激振磁铁。n通过壳体通过壳体7 7上引线孔上引线孔8 8给振弦通以交流电，使质量块给振弦通以交流电，使质量块2 2两边两边振弦振弦6 6A A、6 6B B产生振动。交流电可通过控制电源调节，使交流电压频产生振动。交流电可通过控制电源调节，使交流电压频率与两边振弦的谐振频率一致。当无加速度作用时，两边振弦的谐率与两边振弦的谐振频率一致。当无加速度作用时，两边振弦的谐振频率相同。当有加速度作用时，质量块受到加速度作用，由惯性振频率相同。当有加速度作用时，质量块受到加速度作用，由惯性力引起振弦的强迫振动，两边振弦的频差与加速度成正比。力引起振弦的强迫振动，两边
33、振弦的频差与加速度成正比。n为了保证这种加速度计的正常工作，需要调节振弦为了保证这种加速度计的正常工作，需要调节振弦6 6A A、6 6B B的初的初始张力，使振丝振荡初始频率保持不变，这可通过调整两边端盖始张力，使振丝振荡初始频率保持不变，这可通过调整两边端盖4 4与螺钉与螺钉5 5来达到。来达到。n振弦式加速度传感器具有灵敏度高、测量范围大、耐冲击等振弦式加速度传感器具有灵敏度高、测量范围大、耐冲击等特点，不仅可用于火箭、导弹的惯性导航系统中，也可用于航空与特点，不仅可用于火箭、导弹的惯性导航系统中，也可用于航空与地面重力测量、地震测量、爆破振动与地基振动测量，它比通常的地面重力测量、地震
34、测量、爆破振动与地基振动测量，它比通常的摆式加速度计更优越摆式加速度计更优越。第49页，本讲稿共64页50振弦式扭矩传感器原理图 振弦式加速度计原理图第50页，本讲稿共64页51n2.振膜式压力传感器振膜式压力传感器n振膜式压力传感器具有很好的稳定性、重复性和较高的分辨率(一般可达0.3 0.5kPa/Hz)。精度可达0.01%，重复性可达十万分之几的数量级，长期稳定性可达每年0.01 0.02%，这些优异性能是一般模拟输出的压力传感器所不能比拟的。因此振膜式压力传感器用于航空航天技术中来测量大气参数(静压及动压)，并通过计算机可测出飞行速度、飞行高度等飞行参数；它还常用来做标准计量仪器标定其
35、它压力传感器或压力仪表。此外，它也可以测液体密度、液位等参数。n图8-16所示为振膜式压力传感器原理结构。平膜片(振子)2与环状壳体4做成整体结构，它与基座7焊接形成密封压力室。被测压力p通过导管8进入压力室5内。6为参考压力腔(可以抽成真空以测绝对压力或通大气以测表压力)。装于基座7顶部的电磁线圈3给膜片以激振力。微型应变片1粘贴在膜片2上，它随膜片一起振动并输出一个与膜片谐振频率相同的信号，则该频率即代表了被测压力p。n另一种振膜式压力传感器的结构示于图8-17。空腔1的一侧的压力膜片2的支架上固定着振动膜片4。被测压力p进入空腔后，膜片2发生变形，支架角度改变，使振动膜片4张紧、刚度变化
36、，其固有频率发生改变。在4的上、下分别装有激振线圈5和拾振线圈3。6为放大振荡电路。第51页，本讲稿共64页52 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52页，本讲稿共64页53n3.振筒式传感器振筒式传感器n振筒式传感器的优点是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。它主要用于测量气体的压力和密度等。n(一)振筒式压力传感器n其结构原理如图8-18所示。振筒7是一个薄壁金属圆筒，圆筒壁厚通常为0.070.12mm，其一端与底座2相固定，另一端密封可以自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料。外保护筒6用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。振筒和外保护
37、筒之间为真空室，作为参考标准。n振筒按电磁系统振动模式工作，激振线圈5和拾振线圈8分别通过振筒形成闭合磁路。为防止它们之间直接耦合，两线圈相隔一定距离垂直地放置在支柱3上。1是线圈的引线孔，4是激磁线圈的磁芯。n当被测压力p通过压力入口10进入筒内壁时，筒在p的作用下产生变形，结果导致其谐振频率发生变化。振筒在激振线圈5作用下振动时，筒壁与永磁棒9之间的间隙随之变化，则在拾振线圈8中形成感生电势，其频率即为振筒振动频率。振筒式压力传感器原理结构第53页，本讲稿共64页54n三、振筒式传感器三、振筒式传感器n振筒式传感器的优点是迟滞误差和漂移误差小，稳定性振筒式传感器的优点是迟滞误差和漂移误差小
38、，稳定性好，分辨率高以及轻便、成本低。它主要用于测量气体的压力好，分辨率高以及轻便、成本低。它主要用于测量气体的压力和密度等。和密度等。n(一一)振筒式压力传感器振筒式压力传感器n其结构原理如图其结构原理如图8-18所示。振筒所示。振筒7是一个薄壁金属圆筒，圆筒壁是一个薄壁金属圆筒，圆筒壁厚通常为厚通常为0.070.12mm，其一端与底座，其一端与底座2相固定，另一端密封可以相固定，另一端密封可以自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料。外自由运动。圆筒材料必须是能够构成闭合磁回路的磁性材料。外保护筒保护筒6用来防止外磁场的干扰并起机械保护作用。振筒和外保护用来防止外磁场的干扰并起
39、机械保护作用。振筒和外保护筒之间为真空室，作为参考标准。筒之间为真空室，作为参考标准。n振筒按电磁系统振动模式工作，激振线圈振筒按电磁系统振动模式工作，激振线圈5和拾振线圈和拾振线圈8分别通分别通过振筒形成闭合磁路。为防止它们之间直接耦合，两线圈相隔一定距离过振筒形成闭合磁路。为防止它们之间直接耦合，两线圈相隔一定距离垂直地放置在支柱垂直地放置在支柱3上。上。1是线圈的引线孔，是线圈的引线孔，4是激磁线圈的磁芯。是激磁线圈的磁芯。n当被测压力当被测压力p通过压力入口通过压力入口10进入筒内壁时，筒在进入筒内壁时，筒在p的作用下产的作用下产生变形，结果导致其谐振频率发生变化。振筒在激振线圈生变形
40、，结果导致其谐振频率发生变化。振筒在激振线圈5作用下作用下振动时，筒壁与永磁棒振动时，筒壁与永磁棒9之间的间隙随之变化，则在拾振线圈之间的间隙随之变化，则在拾振线圈8中形成中形成感生电势，其频率即为振筒振动频率。感生电势，其频率即为振筒振动频率。第54页，本讲稿共64页55振筒式压力传感器原理结构第55页，本讲稿共64页56n（二)振管式密度传感器 振筒式传感器的一种典型应用就是振动管式密度传感器。图8-19所示是单管式密度传感器结构。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
41、定介质密度值，这就是它的工作原理。但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。采用图8-20所示的双管式结构可以改变这种状况。它工作时，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。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。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。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。图819 振管式密度传感器图8
42、20 双管式密度传感器第56页，本讲稿共64页57第57页，本讲稿共64页58第58页，本讲稿共64页59n四、振梁式传感器四、振梁式传感器n一种用弹性圆环作敏感元件的振梁式力传感器的结构示于图8-21中。它的测力范围为107N，频率范围为0_50Hz，故可测静态力和准静态力。这种传感器有两个振动系统：一个是由振梁3、激振器2、拾振器4和放大振荡电路5组成，用来测量力F。当力F使弹性圆环受压时，振梁被拉伸使张力增加，固有振荡频率增高。另一个振动系统是由振杆8、激振器9、拾振器7和放大振荡电路6组成。圆环1受压时振杆的张力没有变化，故其振动频率也没有变化。它的作用只是起温度补偿作用。由于这种传感
43、器只有单根振梁，因此非线性误差较大，当频率变化10%时，就有3 5%的非线性误差。第59页，本讲稿共64页60第60页，本讲稿共64页61n五、压电谐振式压力传感器五、压电谐振式压力传感器n压电式谐振传感器具有很多优点：体积小，重量轻；稳定性好；Q值可达40000；动态响应好；抗干扰能力强(不受外界磁场干扰，灵敏度稳漂为4 10-5%/C)。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。其中厚度切变是石英晶体谐振式压力传感器应用的主要振动模式。第61页，本讲稿共64页62第62页，本讲稿共64页63振梁式力传感器压电谐振式压力传感器第63页，本讲稿共64页64压电谐振式压差传感器 振梁式石英谐振器 逆压电效应激振示意图第64页，本讲稿共64页