振弦式頻率傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1振弦式頻率振弦式頻率(pnl)傳感器傳感器第一頁(yè)，共13頁(yè)。 頻率式及數(shù)字式傳感器是近年來(lái)在電子技術(shù)頻率式及數(shù)字式傳感器是近年來(lái)在電子技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路(jchng-dinl)技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的一技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的一種較新的傳感器類型。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕種較新的傳感器類型。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高，精度高，以及便于數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高，精度高，以及便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)。隨著數(shù)字處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)傳輸、處理和存儲(chǔ)。隨著數(shù)字處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，頻率式及數(shù)字式傳感器將是一種很有前的發(fā)

2、展，頻率式及數(shù)字式傳感器將是一種很有前途的傳感器品種。途的傳感器品種。第2頁(yè)/共13頁(yè)第二頁(yè)，共13頁(yè)。振弦式傳感器是以被拉緊了的細(xì)弦作為(zuwi)敏感元件， 其結(jié)構(gòu)如圖5-1-1所示。一、振弦式頻率傳感器的結(jié)構(gòu)一、振弦式頻率傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)原理原理圖圖5-1-1 5-1-1 振弦式傳感器原理及間歇激勵(lì)方式圖振弦式傳感器原理及間歇激勵(lì)方式圖（a a） 自激式；自激式； （b b） 他激式；他激式； （c c） 激勵(lì)與輸出波形激勵(lì)與輸出波形 1振弦振弦 2絕緣絕緣夾具夾具 3夾具夾具 4永久磁鐵線圈永久磁鐵線圈5膜片膜片 6永久永久磁鐵磁鐵 7激勵(lì)電激勵(lì)電磁鐵磁鐵 8軟鐵塊軟鐵塊第3頁(yè)

3、/共13頁(yè)第三頁(yè)，共13頁(yè)。 當(dāng)一根工作長(zhǎng)度為當(dāng)一根工作長(zhǎng)度為l l， 工作段質(zhì)量為工作段質(zhì)量為m m的細(xì)弦，一端的細(xì)弦，一端固定，另一端施加一個(gè)初始張力固定，另一端施加一個(gè)初始張力F F時(shí)，時(shí)， 弦的橫向振動(dòng)的弦的橫向振動(dòng)的固有頻率固有頻率( ( yu pn l)f yu pn l)f可由下式計(jì)算：可由下式計(jì)算： mlFf21式（式（5-1-1） 式（式（5-1-15-1-1）說(shuō)明，當(dāng)）說(shuō)明，當(dāng)m m、l l不變，張力不變，張力F F變化變化(binhu)F(binhu)F時(shí)，弦的自振頻率也有一個(gè)變化時(shí)，弦的自振頻率也有一個(gè)變化(binhu)f(binhu)f。這里的。這里的FF是由壓力是由

4、壓力p p經(jīng)膜盒產(chǎn)生的，測(cè)出經(jīng)膜盒產(chǎn)生的，測(cè)出這個(gè)頻率變化這個(gè)頻率變化(binhu)(binhu)，便可得壓力，便可得壓力p p。根據(jù)力與應(yīng)力、。根據(jù)力與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，應(yīng)變的關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量弦的自振頻率也可以測(cè)量應(yīng)力與應(yīng)變通過(guò)測(cè)量弦的自振頻率也可以測(cè)量應(yīng)力與應(yīng)變。 第4頁(yè)/共13頁(yè)第四頁(yè)，共13頁(yè)。 （1） 圖圖5-1-1（a）為自激式：）為自激式： 在弦的兩側(cè)在弦的兩側(cè)(lin c)放一永久磁鐵，放一永久磁鐵， 工作時(shí)，工作時(shí)， 弦中通以脈沖電流，弦中通以脈沖電流， 脈沖電流受磁場(chǎng)作用使弦起振。脈沖電流受磁場(chǎng)作用使弦起振。 起振后，起振后， 弦作為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，弦作為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)

5、， 感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)， 通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率， 即為振弦的自由振動(dòng)頻率。即為振弦的自由振動(dòng)頻率。 二、頻率二、頻率(pnl)測(cè)量方案測(cè)量方案1 1、激勵(lì)、激勵(lì)(jl)(jl)方式方式1 1） 間歇激勵(lì)方式間歇激勵(lì)方式振弦的間歇激勵(lì)有自激式和他激式兩種方式。振弦的間歇激勵(lì)有自激式和他激式兩種方式。第5頁(yè)/共13頁(yè)第五頁(yè)，共13頁(yè)。（2） 圖5-1-1（b）為他激式： 在弦的兩側(cè)分別放一個(gè)激勵(lì)線圈(xinqun)和測(cè)量線圈(xinqun)。激勵(lì)線圈(xinqun)繞在軟磁鐵上，測(cè)量線圈(xinqun)繞在永久磁鐵上， 弦上固定一個(gè)軟鐵塊。 給激勵(lì)線圈

6、(xinqun)通以脈沖電流， 振弦便被吸放一次，開(kāi)始起振。 振弦在振動(dòng)中引起測(cè)量線圈(xinqun)磁路的交替變化，線圈(xinqun)中便感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率就等于振弦的自由振動(dòng)頻率。若振弦為鐵磁材料，則可省去軟鐵塊。 第6頁(yè)/共13頁(yè)第六頁(yè)，共13頁(yè)。對(duì)于深井井下壓力的測(cè)量， 一般采用間歇振蕩電路， 可使連線最少。如圖5-1-1（c）所示， 其輸出波形是一個(gè)衰減振蕩， 但頻率不變，因此可通過(guò)頻率測(cè)量得到被測(cè)非電量(dinling)的數(shù)值。 第7頁(yè)/共13頁(yè)第七頁(yè)，共13頁(yè)。2 2） 連續(xù)激勵(lì)連續(xù)激勵(lì)(jl)(jl)方式方式圖圖5-1-2 連續(xù)激勵(lì)方式電路連續(xù)激勵(lì)方式電路 振

7、弦接在放大器的正反饋振弦接在放大器的正反饋回路中，回路中， 起著選頻元件的作用起著選頻元件的作用(zuyng)(zuyng)。 因振弦在其固因振弦在其固有頻率下具有尖銳的阻抗特性有頻率下具有尖銳的阻抗特性， 所以電路只能在振弦的固有所以電路只能在振弦的固有頻率上才能滿足振蕩條件。頻率上才能滿足振蕩條件。 電阻電阻R1R1、R2R2和場(chǎng)效應(yīng)管和場(chǎng)效應(yīng)管VD1VD1組成組成負(fù)反饋電路，負(fù)反饋電路， 自動(dòng)控制起振條件和自動(dòng)控制起振條件和振幅，振幅， 而由而由R4R4、R5R5及及VD2VD2和和C C組成的組成的電路控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，電路控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓， 自自動(dòng)穩(wěn)定輸出信號(hào)動(dòng)穩(wěn)定輸出信

8、號(hào)(xnho)(xnho)幅度，幅度， 并為起振創(chuàng)造條件。并為起振創(chuàng)造條件。第8頁(yè)/共13頁(yè)第八頁(yè)，共13頁(yè)。 當(dāng)電路不振蕩時(shí)，輸出信號(hào)為零，當(dāng)電路不振蕩時(shí)，輸出信號(hào)為零， 場(chǎng)效應(yīng)管處于偏壓狀態(tài)場(chǎng)效應(yīng)管處于偏壓狀態(tài)，漏源間電阻較小，負(fù)反饋較弱，有利于起振。，漏源間電阻較小，負(fù)反饋較弱，有利于起振。 振蕩時(shí)，輸出振蕩時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)經(jīng)VD2VD2整流，電容整流，電容C C濾波，濾波，R4R4、R5R5分壓，得到一個(gè)與輸出信分壓，得到一個(gè)與輸出信號(hào)幅度成正比的負(fù)電壓，使場(chǎng)效應(yīng)管漏源間電阻增大號(hào)幅度成正比的負(fù)電壓，使場(chǎng)效應(yīng)管漏源間電阻增大(zn(zn d)d)， 負(fù)反饋加強(qiáng)。負(fù)反饋加強(qiáng)。 輸出信號(hào)

9、越大，負(fù)反饋越強(qiáng)，輸出信號(hào)越大，負(fù)反饋越強(qiáng)， 更能達(dá)到更能達(dá)到穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度的作用。穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度的作用。 第9頁(yè)/共13頁(yè)第九頁(yè)，共13頁(yè)。 頻率的測(cè)量常用兩種方法，一是直讀法，即將傳感器的輸出電頻率的測(cè)量常用兩種方法，一是直讀法，即將傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、整形后送計(jì)數(shù)器顯示其頻率值，或者用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、整形后送計(jì)數(shù)器顯示其頻率值，或者用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量；二是比較量；二是比較(bjio)(bjio)法，即將傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)的頻率與標(biāo)準(zhǔn)振法，即將傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)的頻率與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器發(fā)出的頻率相比較蕩器發(fā)出的頻率相比較(bjio)(bjio)， 當(dāng)兩者頻率相等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)振蕩器當(dāng)兩者頻

10、率相等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)振蕩器所指頻率值就為被測(cè)頻率值。所指頻率值就為被測(cè)頻率值。 常用的比較常用的比較(bjio)(bjio)方法有用示波器方法有用示波器顯示的李沙育圖形法、顯示的李沙育圖形法、 用單機(jī)指示的諧振法及用檢零指示器測(cè)量的用單機(jī)指示的諧振法及用檢零指示器測(cè)量的差頻法等。差頻法等。 2 2、測(cè)量、測(cè)量(cling)(cling)電路電路第10頁(yè)/共13頁(yè)第十頁(yè)，共13頁(yè)。三、振弦式傳感器的應(yīng)用三、振弦式傳感器的應(yīng)用(yngyng)圖圖5-1-35-1-3 振弦式壓力傳感器振弦式壓力傳感器1 1壓力膜壓力膜 2 2支座支座 3 3、4 4振弦振弦 5 5、6 6拾振器拾振器 7 7、8 8激振

11、器激振器 9 9柱體柱體 1010、1111放大、振蕩電路放大、振蕩電路 1212混頻器混頻器 1313濾波整形電路濾波整形電路 圖圖5-1-35-1-3是振弦式壓力是振弦式壓力(yl)(yl)傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖，在圓形壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖，在圓形壓力(yl)(yl)膜片膜片 l l的上、下兩側(cè)安裝了的上、下兩側(cè)安裝了兩根長(zhǎng)度相同的振弦兩根長(zhǎng)度相同的振弦3 3、4 4，它們被固，它們被固緊在支座緊在支座2 2上，并加上一定的預(yù)應(yīng)力上，并加上一定的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)它們受到激勵(lì)而振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的。當(dāng)它們受到激勵(lì)而振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)頻率信號(hào)分別經(jīng)放大、振蕩電路振動(dòng)頻率信號(hào)分別經(jīng)放大、振蕩電路1010、11

12、11后到混頻器后到混頻器1212進(jìn)行混頻，所得進(jìn)行混頻，所得差頻信號(hào)經(jīng)濾波、整形電路輸出。如差頻信號(hào)經(jīng)濾波、整形電路輸出。如無(wú)外力作用時(shí)，壓力無(wú)外力作用時(shí)，壓力(yl)(yl)膜片上膜片上、下兩根振弦所受張力相同，受激勵(lì)、下兩根振弦所受張力相同，受激勵(lì)后產(chǎn)生相同的振動(dòng)頻率，由混頻器所后產(chǎn)生相同的振動(dòng)頻率，由混頻器所得差頻信號(hào)的頻率為零。如有外力得差頻信號(hào)的頻率為零。如有外力F F垂直作用于柱體垂直作用于柱體9 9上時(shí)，壓力上時(shí)，壓力(yl)(yl)膜片受壓彎曲，使上側(cè)振弦膜片受壓彎曲，使上側(cè)振弦3 3的張力減小，振動(dòng)頻率減低，而下的張力減小，振動(dòng)頻率減低，而下側(cè)振弦側(cè)振弦4 4的張力增大，振動(dòng)

13、頻率增高的張力增大，振動(dòng)頻率增高。由混頻器輸出兩者振動(dòng)頻率的差頻。由混頻器輸出兩者振動(dòng)頻率的差頻信號(hào)，其頻率隨外力增大而升高。信號(hào)，其頻率隨外力增大而升高。第11頁(yè)/共13頁(yè)第十一頁(yè)，共13頁(yè)。圖圖5-1-4 5-1-4 振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器1 1、2 2套筒套筒 3 3、4 4、3 3、4 4支架支架 5 5、6 6振弦振弦 振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)如振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)如圖圖5-1-4所示，將套筒所示，將套筒1、2分別卡分別卡在被測(cè)軸的兩個(gè)相鄰面上，然后在被測(cè)軸的兩個(gè)相鄰面上，然后(rnhu)將振弦將振弦5與與6分別安裝在分別安裝在套筒上的支架套筒上的支架3、4和和3、4上上，安裝時(shí)必須使振弦具有一定的，安裝時(shí)必須使振弦具有一定的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩預(yù)應(yīng)力。當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩T時(shí)，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，致使其時(shí)，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，致使其兩相鄰截面扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，造成兩相鄰截面扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，造成振弦振弦5受到拉力，振弦受到拉力，振弦6受到壓力受到壓力。在被測(cè)軸的彈性變形范圍內(nèi)，