傳感器諧振式傳感器ppt課件

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院傳感器構(gòu)造原理與設(shè)計(jì)傳感器構(gòu)造原理與設(shè)計(jì)機(jī)械工程學(xué)院儀器系機(jī)械工程學(xué)院儀器系李云雷李云雷:2786982 :2786982 辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓辦公室：新實(shí)驗(yàn)樓427427山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第十章第十章 諧振式傳感器諧振式傳感器l定義：諧振式傳感器是直接將被丈量變化轉(zhuǎn)換為物體諧定義：諧振式傳感器是直接將被丈量變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的安裝，故也稱(chēng)為頻率式傳感器。振頻率變化的安裝，故也稱(chēng)為頻率式傳感器。 l特點(diǎn)：特點(diǎn)：l優(yōu)點(diǎn)：高精度優(yōu)點(diǎn)：高精度(0.01%)(0.01%)、高分辨率、高抗干擾才干、適于、高分辨率、高抗干擾才干、適于長(zhǎng)間隔傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相銜接長(zhǎng)間隔傳輸、

2、能直接與數(shù)字設(shè)備相銜接 、高穩(wěn)定性和高、高穩(wěn)定性和高可靠性可靠性 。l缺陷：要求資料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以消費(fèi)周缺陷：要求資料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以消費(fèi)周期長(zhǎng)，本錢(qián)較高期長(zhǎng)，本錢(qián)較高 ；輸出頻率與被丈量往往是非線(xiàn)性關(guān)系，；輸出頻率與被丈量往往是非線(xiàn)性關(guān)系，需進(jìn)展線(xiàn)性化處置需進(jìn)展線(xiàn)性化處置 。l種類(lèi)：電式、機(jī)械式、原子式。種類(lèi)：電式、機(jī)械式、原子式。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 外形外形 振筒振筒 外殼振動(dòng)筒支承骨架基座拾振線(xiàn)圈諧振線(xiàn)圈鉑電阻諧振筒壓力傳感器諧振筒壓力傳感器 0.0150.015 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 原理與類(lèi)型原理與類(lèi)型n 機(jī)械式諧振傳感器將被丈量轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)

3、械諧振頻率，機(jī)械式諧振傳感器將被丈量轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)械諧振頻率，其中振動(dòng)部分被稱(chēng)為振子。其中振動(dòng)部分被稱(chēng)為振子。 n 一、根本原理一、根本原理n 振子諧振頻率振子諧振頻率f f：n 振子諧振頻率振子諧振頻率f f與其剛度與其剛度k k和等效振動(dòng)質(zhì)量和等效振動(dòng)質(zhì)量meme有關(guān)，設(shè)其初有關(guān)，設(shè)其初始諧振頻率為始諧振頻率為f0f0。 kk振子資料的剛度；振子資料的剛度；meme振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l假設(shè)振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，那么導(dǎo)致假設(shè)振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，那么導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振子的等效剛度或等效振

4、動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。振頻率發(fā)生變化。 l諧振式傳感器的組成諧振式傳感器的組成l振子；振子；l激振元件：對(duì)振子施加激振力；激振元件：對(duì)振子施加激振力；l拾振元件：丈量振子的振動(dòng)頻率。拾振元件：丈量振子的振動(dòng)頻率。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丈量被丈量頻率輸出頻率輸出山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、類(lèi)型二、類(lèi)型機(jī)械振子的構(gòu)造：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。機(jī)械振子的構(gòu)造：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。資料：鐵鎳恒彈合金；石英晶體振膜或振梁，分扁平形、資料：鐵鎳恒彈合金；石英晶體振膜或振梁，分扁平形、平凸形、雙凸形等。平凸形、雙凸形等。諧振式傳感器類(lèi)型：振弦式、振

5、膜式、振筒式、振梁式等。諧振式傳感器類(lèi)型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、振弦式諧振傳感器一、振弦式諧振傳感器振弦受張力振弦受張力T T作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率f f為為l振弦的線(xiàn)密度；振弦的線(xiàn)密度；l振弦的有效振動(dòng)長(zhǎng)度。振弦的有效振動(dòng)長(zhǎng)度。第二節(jié)第二節(jié) 特性特性山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 張力添加張力添加T，振弦的振動(dòng)頻率變?yōu)椋裣业恼駝?dòng)頻率變?yōu)閘 由于由于T/T 1，所以可將上式中括弧里的項(xiàng)展開(kāi)為冪級(jí)，所以可將上式中括弧里的項(xiàng)展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)，那么上式為數(shù)，那么上式為 l 單根振弦測(cè)壓力時(shí)的非線(xiàn)性誤差單根振弦測(cè)壓力時(shí)的非線(xiàn)性誤差

6、為為 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 為了得到良好的線(xiàn)性，常采用差動(dòng)式構(gòu)造。上下兩弦對(duì)稱(chēng)，初始張力相為了得到良好的線(xiàn)性，常采用差動(dòng)式構(gòu)造。上下兩弦對(duì)稱(chēng)，初始張力相等，當(dāng)被丈量作用在膜片上時(shí)，兩個(gè)弦張力變化大小相等、方向相反。等，當(dāng)被丈量作用在膜片上時(shí)，兩個(gè)弦張力變化大小相等、方向相反。經(jīng)過(guò)差頻電路測(cè)得兩弦的頻率差，那么式經(jīng)過(guò)差頻電路測(cè)得兩弦的頻率差，那么式(9-3)(9-3)中的偶次冪項(xiàng)相抵消，使中的偶次冪項(xiàng)相抵消，使非線(xiàn)性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。非線(xiàn)性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、振膜式諧振傳感器二、振膜式諧振傳感器山東理工大學(xué)

7、機(jī)械學(xué)院三、振筒式諧振傳感器三、振筒式諧振傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院四、振梁式諧振傳感器四、振梁式諧振傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院五、壓電式式諧振傳感器五、壓電式式諧振傳感器特點(diǎn)：振子和圓筒由一整塊石特點(diǎn)：振子和圓筒由一整塊石英加工；空腔為真空；振子英加工；空腔為真空；振子兩邊一對(duì)電極銜接外電路組兩邊一對(duì)電極銜接外電路組成振蕩電路。成振蕩電路。原理：靜態(tài)壓力原理：靜態(tài)壓力pp靜應(yīng)力靜應(yīng)力切切變模量變模量E66E66固有頻率固有頻率f0f0公式：公式：山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、開(kāi)環(huán)電路間歇鼓勵(lì)式電路一、開(kāi)環(huán)電路間歇鼓勵(lì)式電路第三節(jié)第三節(jié) 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院義務(wù)原理：義務(wù)原理：當(dāng)張馳

8、振蕩器給出鼓勵(lì)脈沖時(shí)，繼電器吸合，電流經(jīng)過(guò)磁鐵當(dāng)張馳振蕩器給出鼓勵(lì)脈沖時(shí)，繼電器吸合，電流經(jīng)過(guò)磁鐵線(xiàn)圈，使磁鐵吸住振弦。線(xiàn)圈，使磁鐵吸住振弦。脈沖停頓后松開(kāi)振弦，振弦便自在振動(dòng)、與線(xiàn)圈磁鐵的間隙脈沖停頓后松開(kāi)振弦，振弦便自在振動(dòng)、與線(xiàn)圈磁鐵的間隙就周期性地變化，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并經(jīng)繼電器常就周期性地變化，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并經(jīng)繼電器常閉接點(diǎn)輸出。閉接點(diǎn)輸出。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率即為振弦的固有頻率。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率即為振弦的固有頻率。線(xiàn)圈兼有鼓勵(lì)和拾振兩種作用。線(xiàn)圈兼有鼓勵(lì)和拾振兩種作用。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 為提高線(xiàn)性度，采用圖為提高線(xiàn)性度，采用圖10-810-8，以，以f2f2為電路

9、輸出。為電路輸出。lfffffffTlffTUTTUTTUUTTUU21220122010200102山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、振弦式傳感器一、振弦式傳感器振弦式壓力傳感器振弦式壓力傳感器可測(cè)對(duì)象：地層壓力；可測(cè)對(duì)象：地層壓力；義務(wù)原理：丈量時(shí)，底座義務(wù)原理：丈量時(shí)，底座1111上的膜片上的膜片2 2和所要丈量的地層面和所要丈量的地層面直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，帶直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，帶動(dòng)兩個(gè)支架動(dòng)兩個(gè)支架1010向兩側(cè)拉開(kāi)，振弦向兩側(cè)拉開(kāi)，振弦3 3被拉緊，改動(dòng)了振弦被拉緊，改動(dòng)了振弦的頻率，根據(jù)頻率變化測(cè)定膜片所受壓力的大小。的頻率，根據(jù)頻率變化測(cè)

10、定膜片所受壓力的大小。 第四節(jié)第四節(jié) 運(yùn)用實(shí)例運(yùn)用實(shí)例山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n振弦式錨索傳感器振弦式錨索傳感器n丈量錨索丈量錨索/ /錨桿加載或長(zhǎng)期義務(wù)時(shí)的應(yīng)力變化；錨桿加載或長(zhǎng)期義務(wù)時(shí)的應(yīng)力變化；n義務(wù)原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。義務(wù)原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、振膜式壓力傳感器二、振膜式壓力傳感器性能優(yōu)良：性能優(yōu)良：高的穩(wěn)定性、反復(fù)性和較高靈敏度高的穩(wěn)定性、反復(fù)性和較高靈敏度0.30.5kPa/Hz0.30.5kPa/Hz；丈量精度可達(dá)丈量精度可達(dá)0.01%0.01%，反復(fù)性達(dá)十萬(wàn)分之幾，穩(wěn)定性每年，

11、反復(fù)性達(dá)十萬(wàn)分之幾，穩(wěn)定性每年0.01% 0.02% 0.01% 0.02% 。運(yùn)用：運(yùn)用：航空航天領(lǐng)域測(cè)大氣參數(shù)靜壓及動(dòng)壓、飛行高度、飛行航空航天領(lǐng)域測(cè)大氣參數(shù)靜壓及動(dòng)壓、飛行高度、飛行速度等；速度等；規(guī)范計(jì)量?jī)x器對(duì)其他壓力傳感器標(biāo)定。規(guī)范計(jì)量?jī)x器對(duì)其他壓力傳感器標(biāo)定。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院1 1、微型應(yīng)變片、微型應(yīng)變片 2 2、平膜片、平膜片( (振子振子) )3 3、電磁線(xiàn)圈、電磁線(xiàn)圈4 4、環(huán)狀殼體、環(huán)狀殼體5 5、壓力室、壓力室6 6、參考?jí)毫η弧⒖級(jí)毫η? 7、基座、基座8 8、導(dǎo)管、導(dǎo)管振膜式壓力傳感器原理構(gòu)造振膜式壓力傳感器原理構(gòu)造山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院三、振筒式傳感器三、振筒式

12、傳感器丈量對(duì)象：氣體的壓力和密度。丈量對(duì)象：氣體的壓力和密度。外殼振動(dòng)筒支承骨架基座拾振線(xiàn)圈諧振線(xiàn)圈鉑電阻振筒式壓力傳感器振筒式壓力傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院諧振敏感元件諧振敏感元件山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院振管式密度傳感器單管式振管式密度傳感器單管式雙管式密度傳感器雙管式密度傳感器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 單管式的義務(wù)原理：激磁線(xiàn)圈單管式的義務(wù)原理：激磁線(xiàn)圈3 3使振筒振動(dòng)時(shí)，管中的被使振筒振動(dòng)時(shí)，管中的被測(cè)介質(zhì)隨之振動(dòng)，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結(jié)果測(cè)介質(zhì)隨之振動(dòng)，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結(jié)果系統(tǒng)諧振頻率被改動(dòng)并由拾振線(xiàn)圈系統(tǒng)諧振頻率被改動(dòng)并由拾振線(xiàn)圈4 4檢測(cè)。介質(zhì)密度不同檢測(cè)。介質(zhì)密

13、度不同使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度值，這就是它使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度值，這就是它的義務(wù)原理。的義務(wù)原理。l 單管式的缺陷：管子被固定的兩端對(duì)固定塊有一反作用力，單管式的缺陷：管子被固定的兩端對(duì)固定塊有一反作用力，將引起基座的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果改動(dòng)了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致丈將引起基座的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果改動(dòng)了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致丈量誤差。量誤差。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l雙管式的特點(diǎn)：雙管式的特點(diǎn)：l兩根管子的振動(dòng)頻率一樣但方向相反，因此它們對(duì)固定兩根管子的振動(dòng)頻率一樣但方向相反，因此它們對(duì)固定基座的作用相互抵消，不會(huì)引起基座的運(yùn)動(dòng)，從而提高基座的作用相互抵消，不會(huì)引起基座的運(yùn)動(dòng)，從而提高了振動(dòng)管振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性。了振動(dòng)管振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性。l被測(cè)介質(zhì)流過(guò)傳感器的兩根平行的振動(dòng)管，管子的端部被測(cè)介質(zhì)流過(guò)傳感器的兩根平行的振動(dòng)管，管子的端部固定在一同