传感器结构原理与设计---第九章 谐振式传感器.pptVIP

第九章 谐振式传感器 定义：谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率变化的装置，故也称为频率式传感器。 特点： 优点：高精度、高分辨率、高抗干扰能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接 、高稳定性和高可靠性 。 缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，成本较高 ；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理 。 种类：电式、机械式、原子式。 第一节 原理与类型 机械式谐振传感器将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中振动部分被称为振子。 一、基本原理 振子谐振频率f： 振子谐振频率f与其刚度k和等效振动质量me有关，设其初始谐振频率为f0。 如果振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，从而使其谐振频率发生变化。 ?谐振式传感器的组成 振子； 激振元件：对振子施加激振力； 拾振元件：测量振子的振动频率。 二、类型 振子的结构形式：张丝状、膜片状、筒状、梁状。 谐振式传感器类型：振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式。 三、振弦式谐振传感器 1、振弦式谐振传感器的特性 振弦受张力T作用，其等效刚度发生变化，谐振频率f为 张力增加ΔT，振弦的振动频率变为 因为ΔT/T 1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为 单根振弦测压力时的非线性误差δ为 为了得到良好的线性，常采用差动式结构。上下两弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦的频率差，则式(9-3)中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。 2、振弦式谐振传感器的转换电路（开环式） 开环电路也称为间歇激励式电路。 工作原理： 当张驰振荡器给出激励脉冲时，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。 脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动、与线圈磁铁的间隙就周期性地变化，在线圈中产生感应电动势并经继电器常闭接点输出。 感应电动势的频率即为振弦的固有频率。 线圈兼有激励和拾振两种作用。 3、振弦式谐振传感器的应用 振弦式压力传感器 可测对象：地层压力； 工作原理：测量时，底座11上的膜片2和所要测量的地层面直接接触，地层压力变化，膜片便受压力发生挠曲，带动两个支架10向两侧拉开，振弦3被拉紧，改变了振弦的频率，根据频率变化测定膜片所受压力的大小。 * 山东理工大学机械学院 第九章 谐振式传感器` k——振子材料的刚度； me——振子的等效振动质量。 激振元件 振子 拾振元件 放大器 被测量 频率输出 ρl——振弦的线密度； l——振弦的有效振动长度。 图9－3 间歇激励式电路原理图 图9－13 * 山东理工大学机械学院 第九章 谐振式传感器` * * * *