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谐振式传感器
一概述
二谐振式传感器的理论基础
三振弦式谐振传感器
四振膜式谐振传感器
五振筒式谐振传感器
六振梁式谐振传感器
七压电式谐振传感器
八应用举例
一概述
基于谐振技术的谐振式传感器,自身为周期
信号输出(准数字信号),只用简单的数字
电路即可转换为微处理器容易接受的数字信
号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定
性等非常优良,又便于和微处理器直接结合
组成数字控制系统,自然成为当今人们研究
的重点。
谐振式传感器大体分为两类:一类是基于机械谐振
结构谐振式传感器;另一类是MOS环振式谐振传感
器。本章主要介绍基于机械谐振结构的谐振式传感
器。它们可利用振动频率、相位和幅值作为敏感信
息的参数。由于谐振式传感器有许多优点,也适于
多种参数测量,如压力、力、转角、流量、温度、
湿度、液位、粘度、密度和气体成分等,所以这类
传感器已迅速发展成为一个新的传感器家族。
二谐振式传感器的理论基础
1 基本结构
2 闭环自激
3 敏感机理
4 谐振子的Q值
5 设计要点
6 特征与优势
1 基本结构
谐振式传感器的基本结构
由ERD组成的电— 机— 电谐振子环节,是谐
振式传感器的核心。适当地选择激励和拾振
手段,构成一个理想的ERD,对设计谐振式
传感器至关重要。
由ERDA组成的闭环自激环节,是构成谐振
式传感器的条件。
由RDO(C)组成的信号检测、输出环节,是实
现检测被测量的手段。
2 闭环自激
实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨
论其振动特性时,可以用一个等效的单自由度有阻
尼的系统来描述(如下图)。图中k,m,c分别为
等效刚度、等效质量和等效阻尼。其自由振动的运
动方程为:
式中 , , kx分别为系统的惯性力、阻尼力和
弹性力,它们分别表征维持系统运动状态的能力、
消耗系统能量的程度和改变系统运动状态的能力。
单自由度振动系统
自由振动的解为
代入,有
由于谐振式传感器使用的振动系统总是有振
荡的,故解应写为
式中i为虚数单位;ωn为系统的固有频率,
取决于谐振敏感元件的固有特征;ε为系统
的等效阻尼比;ωd为系统的振荡频率。
于是解为
式中A0 ,φ0 由系统的初始条件确定。
由式可知: 增大时,系统的衰减加快,消耗能
量快;ε增大时,系统的振荡周期增长;当ε→0
时,(当ε=0时, )。这时系统处于简谐振动状
态;振动频率只ωd与系统的固有状态有关。
当系统受到周期激励力作用时,由于周期函
数可以展开为Fourier级数,若考虑为时,系
统的振动方程为:
该方程的解包括两部分:一部分是系统初始
条件引起的,其运动形式同上式;另一部分
由外界激励引起的稳态解,可写为
式中C0是幅值为B的恒静力对系统产生的位移;
A( ω) ,φ( ω) 分别称为系统的幅频特性和相频特
性。下图给出了他们的示意图。
当 时,A( ω)达到最大值,有
这时系统的相角偏移为
由上面分析可知:谐振式传感器闭环自激的
频率点必然接近于谐振敏感元件的固有频
率。下面讨论闭环自激的条件。
幅相特性
首先从时域进行分析,见下图。从信号激励器来考
虑,某一瞬时作用于谐振子上的信号为,于是信号
检测器的输入信号满足
当 时,u2可写为:
当u2经检测器、放大器、激励器后,输出为可写为
于是满足下式时,系统以频率ω产生闭环自
激。
称此为系统可自激的时域幅值、相位条件。
简言之,只要放大器能不断给系统补充由于
阻尼所消耗的能量,同时通过调节移相器又
能保证在每个周期同相位迭加,那么该系统
就能进行等幅自激振荡。再从复频域分析,
见图5-5 。其中R(s),E(s)
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