傳感器 第十章 諧振式傳感器

傳感器第十章諧振式傳感器第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日第十章諧振式傳感器定義：諧振式傳感器是直接將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的裝置，故也稱為頻率式傳感器。

特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高精度(0.01%)、高分辨率、高抗干擾能力、適于長距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連接、高穩(wěn)定性和高可靠性。缺點(diǎn)：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以生產(chǎn)周期長，成本較高；輸出頻率與被測(cè)量往往是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理。種類：電式、機(jī)械式、原子式。第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

外形振筒諧振筒壓力傳感器[～0.015％]

第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)原理與類型機(jī)械式諧振傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)械諧振頻率，其中振動(dòng)部分被稱為振子。一、基本原理振子諧振頻率f：振子諧振頻率f與其剛度k和等效振動(dòng)質(zhì)量me有關(guān)，設(shè)其初始諧振頻率為f0。k——振子材料的剛度；me——振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日如果振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，則導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。諧振式傳感器的組成振子；激振元件：對(duì)振子施加激振力；拾振元件：測(cè)量振子的振動(dòng)頻率。激振元件振子拾振元件放大器被測(cè)量頻率輸出第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、類型機(jī)械振子的結(jié)構(gòu)：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。材料：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。諧振式傳感器類型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、振弦式諧振傳感器振弦受張力T作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率f為ρl——振弦的線密度；l——振弦的有效振動(dòng)長度。第二節(jié)特性第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日張力增加ΔT，振弦的振動(dòng)頻率變?yōu)橐驗(yàn)棣/T<<1，所以可將上式中括弧里的項(xiàng)展開為冪級(jí)數(shù)，則上式為單根振弦測(cè)壓力時(shí)的非線性誤差δ為

第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日為了得到良好的線性，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。上下兩弦對(duì)稱，初始張力相等，當(dāng)被測(cè)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。通過差頻電路測(cè)得兩弦的頻率差，則式(9-3)中的偶次冪項(xiàng)相抵消，使非線性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。

第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、振膜式諧振傳感器第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日三、振筒式諧振傳感器第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日四、振梁式諧振傳感器第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日五、壓電式式諧振傳感器特點(diǎn)：振子和圓筒由一整塊石英加工；空腔為真空；振子兩邊一對(duì)電極連接外電路組成振蕩電路。原理：靜態(tài)壓力p→靜應(yīng)力→切變模量E66→固有頻率f0公式：第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、開環(huán)電路（間歇激勵(lì)式電路）第三節(jié)轉(zhuǎn)換電路第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日工作原理：當(dāng)張馳振蕩器給出激勵(lì)脈沖時(shí)，繼電器吸合，電流通過磁鐵線圈，使磁鐵吸住振弦。脈沖停止后松開振弦，振弦便自由振動(dòng)、與線圈磁鐵的間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并經(jīng)繼電器常閉接點(diǎn)輸出。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率即為振弦的固有頻率。線圈兼有激勵(lì)和拾振兩種作用。

第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日為提高線性度，采用圖10-8，以f2為電路輸出。第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、振弦式傳感器振弦式壓力傳感器可測(cè)對(duì)象：地層壓力；工作原理：測(cè)量時(shí)，底座11上的膜片2和所要測(cè)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，帶動(dòng)兩個(gè)支架10向兩側(cè)拉開，振弦3被拉緊，改變了振弦的頻率，根據(jù)頻率變化測(cè)定膜片所受壓力的大小。

第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日振弦式錨索傳感器測(cè)量錨索/錨桿加載或長期工作時(shí)的應(yīng)力變化；工作原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。

第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、振膜式壓力傳感器性能優(yōu)異：高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和較高靈敏度（0.3~0.5kPa/Hz）；測(cè)量精度可達(dá)0.01%，重復(fù)性達(dá)十萬分之幾，穩(wěn)定性每年0.01%~0.02%。應(yīng)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、飛行速度等；標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量儀器對(duì)其他壓力傳感器標(biāo)定。第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日1、微型應(yīng)變片2、平膜片(振子)3、電磁線圈4、環(huán)狀殼體5、壓力室6、參考?jí)毫η?、基座8、導(dǎo)管振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日三、振筒式傳感器測(cè)量對(duì)象：氣體的壓力和密度。振筒式壓力傳感器第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日拾振器諧振敏感元件激勵(lì)器第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日振管式密度傳感器（單管式）雙管式密度傳感器第二十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日單管式的工作原理：激磁線圈3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)果系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈4檢測(cè)。介質(zhì)密度不同使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度值，這就是它的工作原理。單管式的缺點(diǎn)：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)果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致測(cè)量誤差。第二十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日雙管式的特點(diǎn)：兩根管子的振動(dòng)頻率相同但方向相反，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)，從而提高了振動(dòng)管振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性。被測(cè)介質(zhì)流過傳感器的兩根平行的振動(dòng)管，