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1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 谐谐振振式式传传感感器器是是直直接接将将被被测测量量的的变变化化转转换换为为物体谐振频率变化物体谐振频率变化的装置，也称的装置，也称频率式传感器频率式传感器。优优点点：精精度度高高、分分辨辨力力高高；稳稳定定性性高高、可可靠靠性性高高、抗抗干干扰扰能能力力强强；适适于于长长距距离离传传输输且且功功耗耗低低；能能直直接接与与数数字字设设备备相相连连接接；无无活活动动部件，机械结构牢固等。部件，机械结构牢固等。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 缺缺点点：要要求求材材料料质质量量较较高高；加
2、加工工工工艺艺复复杂杂、生生产产周周期期长长、成成本本较较高高；其其输输出出频频率率与与被被测测量量的的关关系系往往往往是是非非线线性性的的，须须进进行行线线性性化化处处理理才能保证良好的精度。才能保证良好的精度。谐谐振振式式传传感感器器种种类类很很多多，按按它它们们谐谐振振的的原原理理可可分分为为：机机械械的的、电电的的和和原原子子的的三三类类。常常用用电电子子振荡器有振荡器有RC振振荡电路和石英晶体振荡电路等。荡电路和石英晶体振荡电路等。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 1.RC振荡器式温度振荡器式温度频率传感器频率传感器 如如图图所所示示，它它利利用用热热敏敏电电阻阻RT测测量量温温
3、度度。RT作作为为RC振振荡荡器器的的一一部部分分，振振荡荡频频率率与与RT有有关关。该该电电路路是是由由运运算算放放大大器器和和反反馈馈网网络络构构成成的的一一种种RC文文氏电桥氏电桥正弦波发生器。正弦波发生器。2.MOS环振式数字加速度传感器环振式数字加速度传感器 环环形形振振荡荡器器最最基基本本的的形形式式是是由由奇奇数数个个首首尾尾相相连连成成闭闭环环的的反反相相器器组组成成，如如图图所所示示。输输出出频频率率与与每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 MOS环环振振式式数数字
4、字加加速速度度传传感感器器利利用用了了MOS管管的的力力敏敏效效应应。如如图图所所示示，在在应应力力作作用用下下，由由于于硅硅的的压压阻阻效效应应，MOS管管源源、漏漏极极之之间间的的沟沟道道电电阻将发生变化，从而改变反相器的延迟时间。阻将发生变化，从而改变反相器的延迟时间。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 如如图图所所示示，当当质质量量块块在在加加速速度度作作用用下下使使硅硅梁梁发发生生弯弯曲曲变变形形时时，在在硅硅梁梁的的根根部部产产生生应应力力S，从而使从而使MOS管的特性发生改变。管的特性发生改变。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 为为了了减减小小环环境境温温度度的的影影响响，
5、可可以以采采用用如如图图所所示结构。示结构。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器 本本章章主主要要讨讨论论机机械械式式谐谐振振传传感感器器。它它是是一一种种频频率率式式数数字字传传感感器器。所所谓谓频频率率式式数数字字传传感感器器是是指指，它它能能直直接接将将被被测测非非电电量量转转换换成成与与之之相相对对应的、便于处理的准数字信号应的、便于处理的准数字信号频率信号。频率信号。第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器9.1 谐振式传感器的类型与原理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谐振式传感器的转换电路9.4 谐振
6、式传感器应用举例谐振式传感器应用举例9.1 谐振式传感器的类型与原理谐振式传感器的类型与原理 机机械械式式谐谐振振传传感感器器的的基基本本组组成成如如图图所所示示。振振动动元元件件是是核核心心部部件件，称称为为振振子子或或谐谐振振子子。可可采采用用闭闭环环结结构构，也也可可采采用用开开环环结结构构。补补偿偿装装置置主主要要对对温温度度误误差差进进行行补补偿偿。频频率率检检测测实实现现对对周周期期信信号号频频率率即即谐谐振振频率的检测，从而可确定被测量的大小。频率的检测，从而可确定被测量的大小。9.1 谐振式传感器的类型与原理谐振式传感器的类型与原理9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类
7、型9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型 按按谐谐振振子子的的结结构构，常常见见的的谐谐振振式式传传感感器器可可分分为为振振弦弦式式、振振梁梁式式、振振膜膜式式和和振振筒筒式式，对对应应的的振振子子形形状分别为张丝状、梁状、膜片状和筒状。状分别为张丝状、梁状、膜片状和筒状。(a)张丝状张丝状 (b)梁状梁状 (c)膜片状膜片状 (d)筒状筒状9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型 振子材料有振子材料有 恒恒弹弹性性模模量量的的恒恒模模材材料料，如如铁铁镍镍恒恒弹弹合合金金等等。但但这这种种材材料料易易受受外外界界磁磁场
8、场和和周周围围环环境境温温度度的的影响。影响。石石英英晶晶体体，在在一一般般应应力力下下具具有有很很好好的的重重复复性性和和极极小小的的迟迟滞滞，特特别别是是其其品品质质因因数数Q值值极极高高，且且不受环境温度影响，性能长期稳定。不受环境温度影响，性能长期稳定。硅。硅。用用石石英英晶晶体体振振子子可可制制成成性性能能优优良良的的压压电电式式谐谐振振传传感感器器。振振子子常常为为膜膜片片状状或或梁梁状状，按按振振子子上上下下表表面面形形状状又又分分为为扁扁平平形形、平平凸凸形形和和双双凸凸形形三三种种。其其中中双双凸凸形形振振子子Q值值最最高高可可达达106107，因因而而较较多多采采用用。石石
9、英英晶晶体体的的振振动动模模式式有有长长度度伸伸缩缩、弯弯曲曲、面面切切变变和和厚度切变厚度切变等，其中厚度切变是主要的应用模式。等，其中厚度切变是主要的应用模式。(a)扁平形扁平形 (b)平凸形平凸形 (c)双凸形双凸形9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型 根根据据能能陷陷理理论论，选选择择谐谐振振子子外外形形的的主主要要依依据据是是径径向向尺尺寸寸f f和和晶晶片片厚厚度度h之之比比值值的的大大小小。一一般般，在在f f/h15时时，采采用用双双凸凸形形。当当15f f/h45时时，采采用平凸形用平凸形f f/h45时，采用扁平形。时，采用扁平形。9.1.1 谐振式传感器的类型
10、谐振式传感器的类型9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型 石英晶体振荡器的基本原理石英晶体振荡器的基本原理 在在石石英英晶晶体体的的电电极极上上施施加加交交变变激激励励电电压压时时，由由于于逆逆压压电电效效应应，石石英英晶晶体体会会产产生生机机械械振振动动。石石英英晶晶体体是是弹弹性性体体，它它存存在在固固有有振振动动频频率率。当当强强迫迫振动频率等于其固有振动频率时会产生谐振。振动频率等于其固有振动频率时会产生谐振。思思考考题题：固固有有频频率率与与谐谐振振频频率率是是否否相相同同？为为什么？什么？9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型 随随着着微微电电子子技技术术和和微
11、微机机械械加加工工技技术术的的兴兴起起，以以硅硅为为振振子子材材料料的的硅硅微微机机械械谐谐振振传传感感器器越越来来越越受受到到了了重重视视。这这种种传传感感器器利利用用成成熟熟的的硅硅集集成成制制造造工工艺艺，能能得得到到大大批批量量的的可可靠靠性性高高、灵灵敏敏度度高高、价价格格低低廉廉、体体积积小小、功功耗耗低低的的产产品品，特特别别是是便便于于构构成成集集成成化化测测量量系系统统。其其振振子子常常为为微微悬悬臂臂梁梁、两两端端固固支支微微梁梁(桥桥)、方膜或圆膜等形状，尺寸在方膜或圆膜等形状，尺寸在微米微米量级。量级。9.1 谐振式传感器的类型与原理谐振式传感器的类型与原理9.1.1
12、谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 设振子设振子等效刚度等效刚度为为ke，等效振动质量等效振动质量为为me，则，则振子谐振频率振子谐振频率f可近似表示为可近似表示为 若若振振子子受受到到力力的的作作用用或或其其中中的的介介质质质质量量发发生生变变化化，导导致致振振子子的的等等效效刚刚度度或或等等效效振振动动质质量量发发生生变变化化，其其谐谐振振频频率率也也会会发发生生变变化化。此此即即机机械械式式谐谐振传感器的基本工作原理。振传感器的基本工作原理。9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 1.谐振频率谐振频率 如如图图所
13、所示示，一一根根两两端端固固定定，长长度度为为l，线线密密度度(单单位位长长度度质质量量)为为r r的的弦弦，受受到到张张力力T作作用用。其其谐谐振振频频率率(一次振型一次振型)为为9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理当当振振弦弦一一定定时时，谐谐振振频频率率f与与张张力力T及及长长度度l有有关关。将将被被测测物物理理量量转转换换为为T或或l的的改改变变量量，即即可可通通过过测测量量f而确定被测量的大小。而确定被测量的大小。9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 2.振动激励方式振动激励方式 为为测测出出谐谐振振频频率率，须须设设法法激激励励振振子子振振动
14、动。起起振振后后，还还需需要要及及时时补补充充能能量量。给给振振子子补补充充能能量量的的方式一般有两种：方式一般有两种：连续激励法连续激励法和和间歇激励法间歇激励法。(1)连连续续激激励励法法 是是指指按按振振子子的的振振动动周周期期补补充充能能量量，使使其其振振幅幅维维持持不不变变。又又可可分分为为电电流流法法、电磁法电磁法、电荷法电荷法和和电热法电热法等。等。9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 电电流流法法。接接通通电电源源时时，振振弦弦内内的的冲冲击击电电流流使使振振弦弦开开始始振振动动。若若不不考考虑虑阻阻尼尼，外外接接线线路路无无需需再再给给振振弦弦提提供供电电
15、流流，即即可可依依靠靠弹弹性性力力维维持持等等幅幅振振动动，振振动频率即谐振频率。动频率即谐振频率。9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 然然而而阻阻尼尼总总是是存存在在的的，除除电电磁磁阻阻尼尼外外还还有有空空气气阻阻尼尼等等。振振弦弦在在运运动动过过程程中中切切割割磁磁力力线线产产生生感感应应电电势势，该该电电势势通通过过外外接接闭闭合合回回路路形形成成电电流流，使使振振弦弦受受到到大大小小正正比比于于运运动动速速度度、方方向向和和运运动动速速度度相反的磁场力的作用，此即电磁阻尼。相反的磁场力的作用，此即电磁阻尼。设设想想将将上上述述感感应应电电势势测测出出来来，然然后
16、后通通过过正正反反馈馈在在振振弦弦两两端端加加幅幅度度相相同同、相相位位也也相相同同的的外外接接电电势势，则则不不会会产产生生电电磁磁阻阻尼尼。若若外外接接电电势势略略大大于于上上述感应电势，还可消除其他阻尼的影响。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谐振式传感器的基本原理 电电流流法法的的缺缺点点是是：振振弦弦连连续续激激励励容容易易疲疲劳劳，又又因因振振弦弦通通电电，所所以以须须考考虑虑它它与与外外壳壳绝绝缘缘问问题题。若若绝绝缘缘材材料料的的热热膨膨胀胀系系数数与与振振弦弦的的热热膨膨胀胀系系数数差差别大，则易产生温度误差。别大，则易产生温度误差。9.1
17、.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理 电电磁磁法法，也也称称线线圈圈法法。这这种种方方法法在在振振弦弦中中无无电电流流通通过过。用用两两组组电电磁磁线线圈圈，激激振振线线圈圈用用来来连连续续激激励励振振弦弦，感感应应线线圈圈用用来来接接收收信信号号。通通过过外外接接电电路路形形成成正正反反馈馈，使使振振弦弦维维持持连连续振动。续振动。1铁铁片片；2感感应应线线圈圈；3放大器；放大器；4激振线圈激振线圈 9.1.2 谐振式传感器的基本原理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谐振式传感器的基本原理 电电荷荷法法。对对振振子子材材料料为为石石英英晶晶体体的的谐谐振振
18、式式传传感感器器，用用金金属属蒸蒸发发沉沉积积法法在在石石英英振振梁梁上上下下表表面面对对称称地地设设置置四四个个电电极极。左左边边两两个个为为一一组组，右右边边两两个个为为一一组组。当当一一组组电电极极加加上上某某方方向向的的电电场场时时，因因逆逆压压电电效效应应产产生生厚厚度度切切变变，矩矩形形梁梁段段变变成成平平行行四四边边形形；电电场场反向，平行四边形的倾斜也反向。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谐振式传感器的基本原理 两两组组电电极极所所加加电电场场的的极极性性相相反反时时，梁梁就就呈呈一一阶阶弯弯曲曲状状态态；变变换换这这两两组组电电极极上上
19、电电场场的的极极性性，梁梁向向相相反反方方向向弯弯曲曲。这这样样就就可可组组成成自自激激振振荡荡电电路路，使使梁梁在在一一阶阶弯弯曲曲状状态态下下起起振振，通通过过正正反反馈馈维维持持等等幅振荡。幅振荡。+-+-+-电电热热法法。用用半半导导体体扩扩散散工工艺艺，在在硅硅微微桥桥上上表表面面中中部部制制作作激激振振电电阻阻，在在一一端端制制作作压压敏敏拾拾振振电电阻阻。激激振振电电阻阻中中通通以以交交变变的的激激励励电电流流，产产生生横横向向振振动动。拾拾振振电电阻阻受受到到交交变变的的应应力力作作用用，阻阻值值周周期期性性变变化化，通过正反馈电路使硅微桥按谐振频率振动。通过正反馈电路使硅微桥
20、按谐振频率振动。1硅硅微微桥桥；2激激振振电电阻阻；3拾拾振振电电阻阻；4支柱；支柱；5膜片膜片9.1.2 谐振式传感器的基本原理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谐振式传感器的基本原理 (2)间间歇歇激激励励法法 不不是是按按振振动动周周期期，而而是是按按一一定定的的时时间间间间隔隔(多多个个振振动动周周期期)给给振振子子补补充充能能量量。振振子子在在激激励励脉脉冲冲作作用用下下起起振振后后做做振振幅幅逐逐渐渐衰衰减减的的振振动动，衰衰减减到到一一定定程程度度后后再再次次激激励励，使使振振幅幅再再次次达达到到最最大大值值，重新开始下一轮衰减振动。重新开始下一轮衰减振动。
21、1铁铁片片；2感感应应线线圈圈；3永永久久磁磁铁；铁；4电磁铁电磁铁 9.1 谐振式传感器的类型与原理谐振式传感器的类型与原理9.1.1 谐振式传感器的类型谐振式传感器的类型9.1.2 谐振式传感器的基本原理谐振式传感器的基本原理第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器9.1 谐振式传感器的类型与原理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谐振式传感器的转换电路9.4 谐振式传感器应用举例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的特性与设计要点 谐谐振振式式传传感感器器通通过过测测量量谐谐振振
22、频频率率来来确确定定被被测测量量的的大大小小，而而谐谐振振频频率率与与被被测测量量之之间间通通常常是是非非线线性性关关系系。因因此此，分分析析其其特特性性时时不不仅仅要要分分析析其其输输出出输输入入关关系系、灵灵敏敏度度等等，还还要要分分析析其其非非线线性性误误差差。谐谐振振式式传传感感器器的的设设计计则则主主要要是是振振子子的的设设计计，因因为为它它是是实实现现将将被测量的变化转换为输出频率变化的关键元件。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谐振式传感器的特性9.2.2 谐振式传感器的设计要点
23、谐振式传感器的设计要点 9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 1.振弦式谐振传感器特性振弦式谐振传感器特性 对对图图示示振振弦弦式式传传感感器器，其其谐谐振振频频率率如如式式(9.13)所示。为了方便，写成所示。为了方便，写成 弦的张力增加弦的张力增加D DT后后 将式将式(9.15)两边平方，并令两边平方，并令D Dfff0，得，得 9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性通通常常，通通过过选选择择合合适适的的工工作作点点可可使使D Df/f01，从从而而可可忽忽略略上上式式中中的的平平方方项项，得得到到近近似似的的线线性性输输出出输输入入关系为关系为9.2.1 谐振式传
24、感器的特性谐振式传感器的特性 忽忽略略非非线线性性项项后后，非非线线性性误误差差d d和和灵灵敏敏度度Sn分分别为别为9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 为为了了得得到到良良好好的的线线性性关关系系，常常常常采采用用差差动动结结构构。通通过过差差频频电电路路测测得得两两弦弦的的频频率率差差，则则不不仅仅能能提提高高灵灵敏敏度度，还可减小非线性。还可减小非线性。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 2.其他谐振传感器特性简介其他谐振传感器特性简介 (1)振振梁梁式式谐谐振振传传感感器器 振振梁梁受受到到压压力力p作作用用时，其谐振频率时，其谐振频率f和压力和压力p的关系
25、为的关系为式中，式中，a、b为常数。为常数。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 (2)振振膜膜式式谐谐振振传传感感器器 膜膜片片受受到到压压力力p作作用用时时，谐谐振振频频率率f与与膜膜片片中中心心静静挠挠度度Wp的的关关系系及及Wp与与p的关系分别为的关系分别为式中，式中，c1、c为常数。为常数。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 (3)振振筒筒式式谐谐振振传传感感器器 振振筒筒受受到到压压力力p作作用用时时，谐谐振振频频率率f与与压压力力p的关系近似为的关系近似为式中，式中，B 3(1m m2)/()/(4E)()(r/h)3。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振
26、式传感器的特性 (4)压压电电式式谐谐振振传传感感器器 石石英英振振子子压压力力传传感感器器采采用用厚厚度度切切变变振振动动模模式式AT切切型型石石英英晶晶体体制制成成，用用一一整整块块石石英英加加工工出出振振子子和和圆圆筒筒，端端盖盖是是密密封封的的，空空腔腔被抽成真空。被抽成真空。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 设设石石英英振振子子的的密密度度为为r r，中中心心厚厚度度为为h，则则石石英振子的谐振频率为英振子的谐振频率为式式中中，E66为为石石英英振振子子的的切切变变模模量量，它它对对频频率率的的影影响响起起主主导导作作用用。腔腔壁壁受受静静态态压压力力p作作用用时时，
27、引引起起振振子子应应力力发发生生变变化化，导导致致振振子子谐谐振振频频率率变变化化，而而谐谐振振频频率率f的的变变化化与与所所加加压压力力p呈呈线线性性关关系系，这这种种静静应应力力频移效应主要是频移效应主要是E66随压力随压力p变化而产生的。变化而产生的。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性 (5)硅硅微微机机械械谐谐振振传传感感器器 其其谐谐振振频频率率f与与轴轴向应力向应力s s的关系为的关系为式式中中，s ser为为临临界界欧欧拉拉应应力力；f0为为轴轴向向应应力力s s0时时的谐振频率。的谐振频率。9.2.1 谐振式传感器的特性谐振式传感器的特性9.2 谐振式传感器的特性
28、与设计要点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谐振式传感器的特性9.2.2 谐振式传感器的设计要点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谐振式传感器的设计要点 1.振振 子子 振子设计主要从以下几方面考虑。振子设计主要从以下几方面考虑。(1)减减小小非非线线性性。选选择择合合适适的的工工作作点点和和最最佳佳工工作作频频段段，也也可可在在转转换换电电路路中中进进行行非非线线性性校校正正；采采用用差差动动结结构构来来减减小小非非线线性性、提提高高灵灵敏敏度度，同同时时还还可可减减小小温温度度等等外外界界因因素素的的影影响响；采采用用厚厚度度切切变变振振动动
29、模模式式AT切切型型石石英英晶晶体体制制作作石石英英振振子子，能能得到线性的输出输入特性。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谐振式传感器的设计要点 (2)提提高高灵灵敏敏度度。通通过过适适当当选选择择振振子子的的参参数数来来提提高高灵灵敏敏度度。物物理理特特性性参参数数，包包括括材材料料的的密密度度r r、泊泊松松比比m m、弹弹性性模模量量E等等；结结构构参参数数，包包括括厚厚度度h、半半径径r、长长度度l等等；初初始始谐谐振振频频率率f0、预预加加载载荷荷T0等等；压压电电式式谐谐振振传传感感器器采采取取围围压压加加载载方式时，其灵敏度最高。方式时，其灵敏度最高。9
30、.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 (3)提提高高稳稳定定性性。在在谐谐振振式式传传感感器器中中，谐谐振振子子的的品质因数品质因数Q是一个极其重要的指标。是一个极其重要的指标。Q的定义为的定义为9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 对对阻阻尼尼系系数数x x1的的弱弱阻阻尼尼系系统统，利利用用谐谐振振子子的的幅频特性可得幅频特性可得9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 式式中中，w w1、w w2对对应应的的幅幅值值增增益益为为 ，称称为为半半功功率率点点。因因此此，可可根根据据幅幅频频特特性性曲曲线线求求振振子子的的品品质质因因数及
31、阻尼比。数及阻尼比。9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 显显然然，Q值值反反映映了了谐谐振振子子阻阻尼尼比比的的大大小小及及振振动动中中消消耗耗能能量量快快慢慢的的程程度度，同同时时也也反反映映了了幅幅频频特特性性曲曲线线谐谐振振峰峰陡陡峭峭的的程程度度，即即振振子子选选频频能能力力的的强强弱弱。它它越越大大，自自激激振振荡荡回回路路越越易易于于起起振振，谐谐振振频频率率的的稳稳定定性性越越高高，传传感感器器的的工工作作越越稳稳定定，抗抗外外界界干扰的能力越强，重复性也就越好。干扰的能力越强，重复性也就越好。9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 要要提
32、提高高Q，必必须须提提高高振振子子的的固固有有频频率率f0，也也就就必必须须采采用用弹弹性性模模量量高高、刚刚度度大大、质质量量小小且且参参数稳定的振子材料。数稳定的振子材料。振振弦弦材材料料可可选选钨钨丝丝、镀镀银银的的石石英英丝丝、琴琴钢钢丝丝等等；振振筒筒材材料料可可选选具具有有恒恒弹弹性性模模量量的的铁铁镍镍恒恒弹合金等；振膜和振梁材料可选石英晶体等。弹合金等；振膜和振梁材料可选石英晶体等。9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 (4)减减小小温温度度误误差差。可可采采取取的的措措施施有有：采采用用零零温温度度系系数数的的材材料料，或或温温度度系系数数恒恒定定的的材材
33、料料，且且其其弹弹性性模模量量受受温温度度影影响响小小；采采用用电电路路补补偿偿；采采取取恒恒温温措措施施；传传感感器器设设计计成成封封闭闭系系统统，使使传传感感器器机机械械结结构构自自身身达达到到热热补补偿偿；对对因因温温度度变变化化而而影影响响振振子子谐谐振振频频率率的的部部分分，通通过过选选取取适适当当的的尺尺寸寸和和温温度度系系数，保持胀缩平衡。数，保持胀缩平衡。2.磁磁 铁铁 对对需需要要采采用用磁磁铁铁激激励励振振荡荡或或进进行行信信号号测测量量的的谐谐振振式式传传感感器器，磁磁场场可可由由永永久久磁磁铁铁产产生生，也也可用可用直流电磁铁直流电磁铁。9.2.2 谐振式传感器的设计要
34、点谐振式传感器的设计要点 在在电电流流法法激激励励振振弦弦的的方方式式中中，为为提提高高气气隙隙中中心心磁磁通通密密度度，并并照照顾顾加加工工方方便便，通通常常用用电电工工纯纯铁铁制制成成尖尖形形的的磁磁极极，然然后后与与永永久久磁磁铁铁连连在在一一起起。图图中中P为为永永久久磁磁铁铁，材材料料为为AlNiCo-硬硬磁磁合合金金，F1、F2为为磁磁极极。P和和F1、F2的的接接触触面面及及F1、F2的的端端部部都都应应研研磨磨光光洁洁，以减小磁阻并使磁力线分布均匀。以减小磁阻并使磁力线分布均匀。9.2.2 谐振式传感器的设计要点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谐振式传
35、感器的设计要点 在在电电磁磁法法激激励励振振弦弦的的方方式式中中，磁磁铁铁一一般般用用AlNiCo-硬硬磁磁合合金金，激激励励线线圈圈和和感感应应线线圈圈应应垂垂直直放放置置，以以防防它它们们之之间间直直接接耦耦合合。为为方方便便线线圈圈的的安安装装，磁磁铁铁常常制制成成U形形，而而把把电电磁磁线线圈圈安安装装在在U形磁铁的一臂。形磁铁的一臂。3.振弦夹紧装置振弦夹紧装置 振振弦弦式式传传感感器器工工作作时时，振振弦弦处处于于张张紧紧状状态态。因因此此，振振弦弦的的两两端端必必须须与与支支架架及及运运动动部部分分固固接接。固接方法有两种固接方法有两种 将振弦两端与支架及运动部分焊接；将振弦两端
36、与支架及运动部分焊接；用夹紧装置将振弦夹紧。用夹紧装置将振弦夹紧。一一般般采采用用第第二二种种方方法法，为为此此需需设设计计专专门门的的夹夹紧装置。紧装置。9.2.2 谐振式传感器的设计要点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谐振式传感器的设计要点 一一个个良良好好的的振振弦弦夹夹紧紧装装置置应应满满足足：抗抗滑滑能能力力强强，弦弦在在长长期期受受拉拉或或反反复复激激发发振振动动的的情情况况下下，夹夹头头不不松松动动；加加工工简简单单，安安装装方方便便，发发生生故故障障后后易易于于拆拆卸卸，并并能能重重复复使使用用；易易于于调调整整弦弦的的初初始始频频率率，安装和调频时能
37、保证振弦不发生转动。安装和调频时能保证振弦不发生转动。目目前前，振振弦弦式式传传感感器器中中常常用用的的夹夹紧紧装装置置有有销销钉钉式式、锥锥形形栓栓式式和和剪剪式式等等几几种种。它它们们各各有有优优缺缺点点，可可根根据据加加工工条条件件、精精度度要要求求、调调频频及及装装拆拆情情况况等等方方面面来选择，也可设计成其他形式的结构。来选择，也可设计成其他形式的结构。9.2 谐振式传感器的特性与设计要点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谐振式传感器的特性9.2.2 谐振式传感器的设计要点谐振式传感器的设计要点 第第9章章 谐振式传感器谐振式传感器9.1 谐振式传感器的类型与
38、原理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谐振式传感器的转换电路9.4 谐振式传感器应用举例谐振式传感器应用举例9.3 谐振式传感器的转换电路谐振式传感器的转换电路 按按激激励励信信号号产产生生的的方方式式可可将将转转换换电电路路分分为为开开环环式式和和闭闭环环式式两两种种。前前者者是是由由单单独独的的信信号号发发生生器器产产生生激激励励信信号号，后后者者是是由由拾拾振振环环节节的的信信号号通通过过正正反馈作为激励信号。反馈作为激励信号。为为提提高高输输出出输输入入关关系系的的线线性性度度，对对非非线线性性严严重重
39、的的谐谐振振式式传传感感器器，还还可可将将谐谐振振频频率率平平方方后后再再进进行输出。行输出。9.3 谐振式传感器的转换电路谐振式传感器的转换电路9.3.1 开环式转换电路开环式转换电路9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路9.3.1 开环式转换电路开环式转换电路 这这是是采采用用间间歇歇激激励励方方式式的的振振弦弦式式谐谐振振传传感感器器的的转转换换电电路路。如如图图所所示示，是是一一种种比比图图9.9所所示示更更为为简简单单的的转转换换电电路路形形式式。线线圈圈兼兼有有激激振振和和拾拾振振两两种种作用，有利于减小传感器体
40、积。作用，有利于减小传感器体积。9.3 谐振式传感器的转换电路谐振式传感器的转换电路9.3.1 开环式转换电路开环式转换电路9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 这这是是采采用用连连续续激激励励方方式式的的谐谐振振传传感感器器的的转转换换电电路路。连连续续激激励励方方式式不不同同，转换电路也不同。转换电路也不同。1.电流法转换电路电流法转换电路 转转换换电电路路如如图图所所示示，适用于振弦式传感器。适用于振弦式传感器。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 9.1.2中中曾曾指指出
41、出，在在振振弦弦起起振振后后的的振振荡荡过过程程中中，外外加加电电流流只只是是克克服服阻阻尼尼作作用用，不不使使能能量量损损失失。动动能能和和弹弹性性能能在在弹弹性性力力作作用用下下周期性地相互转化。周期性地相互转化。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 从从另另一一角角度度，可可认认为为外外接接电电路路提提供供的的电电流流由由iC、iL两两部部分分组组成成，iL受受到到的的磁磁场场力力FL始始终终和和弹弹性性力力大大小小相相等等方方向向相相反反，抵抵消消了了弹弹性性力力的的作作用用，iC受受到到的的磁磁场场力力FC则则始始终终和和弹弹性性力力大大小小相相等等方方向向相相同同，即即认认为为
42、振振弦弦动动能能和和弹弹性性能能的的相相互互转转化化是是由由磁磁场场力力FC促成的促成的。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 此此时时置置于于磁磁场场中中的的振振弦弦相相当当于于一一个个LC并并联联回回路路，当当外外接接电电路路满满足足正正反反馈馈条条件件时时，即即可可产产生生振振荡荡。至至于于其其他他阻阻尼尼(如如空空气气阻阻尼尼)，就就像像LC并并联联回回路路存存在在阻阻尼尼(如如线线圈圈电电阻阻)一一样样，由由外外接接电电路路补充一定的能量即可克服。补充一定的能量即可克服。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 因因此此，位位于于磁磁场场中中的的通通电电振振弦弦，可可等等效效为为
43、并并联的联的LC回路回路，其谐振频率为，其谐振频率为9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 若若将将横横向向刚刚度度kp p2T/l代代入入上上式式，即即可可得得到到式式(9.13)。即。即9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 图图示示电电路路中中，振振弦弦等等效效谐谐振振回回路路作作为为整整个个振振荡荡电电路路的的正正反反馈馈网网络络。R1、R2和和场场效效应应管管V组组成成负负反反馈馈网网络络，R4、R5、二二极极管管VD和和电电容容C支支路路控控制制场场效效应应管管的栅极电压。的栅极电压。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 电电路路停停振振时时，输输出出信信号号等等于于零零，
44、场场效效应应管管零零偏偏，其其漏漏源源极极对对R2的的并并联联作作用用使使负负反反馈馈电电压压近近似似等等于于零零，从从而而大大大大削削弱弱了了负负反反馈馈回回路路的的作作用用，使使回回路路增增益益大大大大提提高高，有有利利于于起起振振。起起振振后后，V截截止止，负负反反馈馈网网络络起起稳稳定定输输出出信号幅度的作用信号幅度的作用。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 2.电磁法转换电路电磁法转换电路 如如图图所所示示，由由带带有有磁磁钢钢的的电电磁磁线线圈圈L产产生生激激励励力力，可可用用于于振振弦弦式式、振振膜膜式式、振振筒筒式式和和振振梁梁式式传感器。传感器。A为振子，为振子，RE为
45、贴在振子上的应变片。为贴在振子上的应变片。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 应应变变片片检检测测振振子子的的振振动动信信号号。IC1的的输输出出信信号号经经C2、R5及及C3、R6两两级级相相移移，以以满满足足电电路路自自激激振振荡荡的的要要求求。高高增增益益放放大大器器IC2使使输输出出信信号号大大到到一一定定值值后饱和，以达到限幅目的。三极管后饱和，以达到限幅目的。三极管V是功放。是功放。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 3.电荷法转换电路电荷法转换电路 压压电电式式谐谐振振传传感感器器常常用用差差频频检检测测电电路路。如如图图所所示示，传传感感器器工工作作在在5 MHz的
46、的初初始始频频率率上上，经经倍倍频频器器乘乘以以40，由由差差频频检检测测电电路路得得到到它它与与5 MHz基基准振荡器准振荡器(也乘以也乘以40)的频率差，再送入计数器。的频率差，再送入计数器。9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 4.电热法转换电路电热法转换电路 为为提提高高拾拾振振灵灵敏敏度度并并补补偿偿温温度度的的影影响响，在在微微桥桥一一端端制制作作四四个个压压敏敏电电阻阻，排排列列方方式式如如图图(a)所所示示，置于微桥一端是因为端部应变最大。，置于微桥一端是因为端部应变最大。(a)电阻布置电阻布置 9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 由由于于微微桥桥的的长长度度远远大大
47、于于其其宽宽度度，应应变变主主要要沿沿长长度度方方向向。因因此此，只只有有R1和和R3受受压压阻阻效效应应的的影影响响。按按图图(b)所所示示连连接接成成拾拾振振桥桥路路，灵灵敏敏度度可可比比单单个个压压敏敏电阻大电阻大1倍。倍。R2和和R4起温度补偿起温度补偿的作用。的作用。(b)拾振桥路拾振桥路(a)电阻布置电阻布置 9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 图图(c)为为自自激激测测量量系系统统。设设激激振振电电阻阻阻阻值值为为R，所加激励电压为，所加激励电压为Ucosw wt，则热激励功率为，则热激励功率为(c)闭环自激测量系统闭环自激测量系统9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路
48、Ps为为恒恒定定分分量量，不不是是激激发发及及维维持持振振荡荡的的因因素素；Pd为为交变分量，交变分量，起着激发并维持振荡的作用起着激发并维持振荡的作用。(c)闭环自激测量系统闭环自激测量系统其中其中9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路 当当满满足足正正反反馈馈条条件件，且且w w等等于于谐谐振振频频率率的的1/2时时，即即可可按按谐谐振振频频率率振振荡荡。放放大大器器要要有有足足够够的的放放大大倍倍数数，以以满满足足自自激激振振荡荡的的幅幅值值条条件件，而而移移相相器器的的作作用用是是对对闭闭环环内内各各环环节节的的总总相相移移进进行行调调整整(主主要要是是激激振振器器拾振器的拾振器的9
49、0 左右相移左右相移)，以满足相位条件。，以满足相位条件。(c)闭环自激测量系统闭环自激测量系统9.3 谐振式传感器的转换电路谐振式传感器的转换电路9.3.1 开环式转换电路开环式转换电路9.3.2 闭环式转换电路闭环式转换电路9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路 谐谐振振式式传传感感器器输输出出信信号号的的频频率率一一般般与与被被测测量量的的开开方方成成正正比比。即即使使取取特特性性曲曲线线较较直直的的一一段段作作为为工工作作范范围围，其其非非线线性性误误差差也也会会高高达达56%左左右右。为
50、为提提高高测测量量精精度度，采采用用以以f 2为为输输出出的的转转换电路，则线性度可达换电路，则线性度可达0.52.5%。9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路 如如图图所所示示，谐谐振振式式传传感感器器输输出出信信号号u1的的频频率率为为f、周周期期T1/f。u1经经放放大大整整形形后后得得到到频频率率为为f的的方波方波u2。9.3.3 以频率的平方为输出的转换电路以频率的平方为输出的转换电路 u2触触发发如如图图所所示示的的CMOS单单稳稳态态触触发发器器，得得到到频频率率仍仍为为f，周周期期仍仍为为T，但但脉脉冲冲宽宽度度为为t t的的方方波波u3。t t与