传感器谐振式传感器ppt课件

1、山东理工大学机械学院传感器构造原理与设计传感器构造原理与设计机械工程学院仪器系机械工程学院仪器系李云雷李云雷:2786982 :2786982 办公室：新实验楼办公室：新实验楼427427山东理工大学机械学院第十章第十章 谐振式传感器谐振式传感器l定义：谐振式传感器是直接将被丈量变化转换为物体谐定义：谐振式传感器是直接将被丈量变化转换为物体谐振频率变化的安装，故也称为频率式传感器。振频率变化的安装，故也称为频率式传感器。 l特点：特点：l优点：高精度优点：高精度(0.01%)(0.01%)、高分辨率、高抗干扰才干、适于、高分辨率、高抗干扰才干、适于长间隔传输、能直接与数字设备相衔接长间隔传输、

2、能直接与数字设备相衔接 、高稳定性和高、高稳定性和高可靠性可靠性 。l缺陷：要求资料质量较高，加工工艺复杂，所以消费周缺陷：要求资料质量较高，加工工艺复杂，所以消费周期长，本钱较高期长，本钱较高 ；输出频率与被丈量往往是非线性关系，；输出频率与被丈量往往是非线性关系，需进展线性化处置需进展线性化处置 。l种类：电式、机械式、原子式。种类：电式、机械式、原子式。山东理工大学机械学院 外形外形 振筒振筒 外壳振动筒支承骨架基座拾振线圈谐振线圈铂电阻谐振筒压力传感器谐振筒压力传感器 0.0150.015 山东理工大学机械学院第一节第一节 原理与类型原理与类型n 机械式谐振传感器将被丈量转换为物体的机

3、械谐振频率，机械式谐振传感器将被丈量转换为物体的机械谐振频率，其中振动部分被称为振子。其中振动部分被称为振子。 n 一、根本原理一、根本原理n 振子谐振频率振子谐振频率f f：n 振子谐振频率振子谐振频率f f与其刚度与其刚度k k和等效振动质量和等效振动质量meme有关，设其初有关，设其初始谐振频率为始谐振频率为f0f0。 kk振子资料的刚度；振子资料的刚度；meme振子的等效振动质量。振子的等效振动质量。山东理工大学机械学院l假设振子受力或其中的介质质量等发生变化，那么导致假设振子受力或其中的介质质量等发生变化，那么导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，从而使其谐振子的等效刚度或等效振

4、动质量发生变化，从而使其谐振频率发生变化。振频率发生变化。 l谐振式传感器的组成谐振式传感器的组成l振子；振子；l激振元件：对振子施加激振力；激振元件：对振子施加激振力；l拾振元件：丈量振子的振动频率。拾振元件：丈量振子的振动频率。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频率输出频率输出山东理工大学机械学院二、类型二、类型机械振子的构造：张丝状、膜片状、筒状、梁状。机械振子的构造：张丝状、膜片状、筒状、梁状。资料：铁镍恒弹合金；石英晶体振膜或振梁，分扁平形、资料：铁镍恒弹合金；石英晶体振膜或振梁，分扁平形、平凸形、双凸形等。平凸形、双凸形等。谐振式传感器类型：振弦式、振

5、膜式、振筒式、振梁式等。谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。山东理工大学机械学院一、振弦式谐振传感器一、振弦式谐振传感器振弦受张力振弦受张力T T作用，其等效刚度发生变化，谐振频率作用，其等效刚度发生变化，谐振频率f f为为l振弦的线密度；振弦的线密度；l振弦的有效振动长度。振弦的有效振动长度。第二节第二节 特性特性山东理工大学机械学院l 张力添加张力添加T，振弦的振动频率变为，振弦的振动频率变为l 由于由于T/T 1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，那么上式为数，那么上式为 l 单根振弦测压力时的非线性误差单根振弦测压力时的非线性误差

6、为为 山东理工大学机械学院l 为了得到良好的线性，常采用差动式构造。上下两弦对称，初始张力相为了得到良好的线性，常采用差动式构造。上下两弦对称，初始张力相等，当被丈量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方向相反。等，当被丈量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方向相反。经过差频电路测得两弦的频率差，那么式经过差频电路测得两弦的频率差，那么式(9-3)(9-3)中的偶次幂项相抵消，使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。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。 山东理工大学机械学院二、振膜式谐振传感器二、振膜式谐振传感器山东理工大学

7、机械学院三、振筒式谐振传感器三、振筒式谐振传感器山东理工大学机械学院四、振梁式谐振传感器四、振梁式谐振传感器山东理工大学机械学院五、压电式式谐振传感器五、压电式式谐振传感器特点：振子和圆筒由一整块石特点：振子和圆筒由一整块石英加工；空腔为真空；振子英加工；空腔为真空；振子两边一对电极衔接外电路组两边一对电极衔接外电路组成振荡电路。成振荡电路。原理：静态压力原理：静态压力pp静应力静应力切切变模量变模量E66E66固有频率固有频率f0f0公式：公式：山东理工大学机械学院一、开环电路间歇鼓励式电路一、开环电路间歇鼓励式电路第三节第三节 转换电路转换电路山东理工大学机械学院义务原理：义务原理：当张驰

8、振荡器给出鼓励脉冲时，继电器吸合，电流经过磁铁当张驰振荡器给出鼓励脉冲时，继电器吸合，电流经过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停顿后松开振弦，振弦便自在振动、与线圈磁铁的间隙脉冲停顿后松开振弦，振弦便自在振动、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。闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率。感应电动势的频率即为振弦的固有频率。线圈兼有鼓励和拾振两种作用。线圈兼有鼓励和拾振两种作用。 山东理工大学机械学院 为提高线性度，采用图为提高线性度，采用图10-810-8，以，以f2f2为电路

9、输出。为电路输出。lfffffffTlffTUTTUTTUUTTUU21220122010200102山东理工大学机械学院一、振弦式传感器一、振弦式传感器振弦式压力传感器振弦式压力传感器可测对象：地层压力；可测对象：地层压力；义务原理：丈量时，底座义务原理：丈量时，底座1111上的膜片上的膜片2 2和所要丈量的地层面和所要丈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，带动两个支架动两个支架1010向两侧拉开，振弦向两侧拉开，振弦3 3被拉紧，改动了振弦被拉紧，改动了振弦的频率，根据频率变化测定膜片所受压力的大小。的频率，根据频率变化测

10、定膜片所受压力的大小。 第四节第四节 运用实例运用实例山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院n振弦式锚索传感器振弦式锚索传感器n丈量锚索丈量锚索/ /锚杆加载或长期义务时的应力变化；锚杆加载或长期义务时的应力变化；n义务原理：承压筒载荷转换为筒体应变。义务原理：承压筒载荷转换为筒体应变。 山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院二、振膜式压力传感器二、振膜式压力传感器性能优良：性能优良：高的稳定性、反复性和较高灵敏度高的稳定性、反复性和较高灵敏度0.30.5kPa/Hz0.30.5kPa/Hz；丈量精度可达丈量精度可达0.01%0.01%，反复性达十万分之几，稳定性每年，

11、反复性达十万分之几，稳定性每年0.01% 0.02% 0.01% 0.02% 。运用：运用：航空航天领域测大气参数静压及动压、飞行高度、飞行航空航天领域测大气参数静压及动压、飞行高度、飞行速度等；速度等；规范计量仪器对其他压力传感器标定。规范计量仪器对其他压力传感器标定。山东理工大学机械学院1 1、微型应变片、微型应变片 2 2、平膜片、平膜片( (振子振子) )3 3、电磁线圈、电磁线圈4 4、环状壳体、环状壳体5 5、压力室、压力室6 6、参考压力腔、参考压力腔7 7、基座、基座8 8、导管、导管振膜式压力传感器原理构造振膜式压力传感器原理构造山东理工大学机械学院三、振筒式传感器三、振筒式

12、传感器丈量对象：气体的压力和密度。丈量对象：气体的压力和密度。外壳振动筒支承骨架基座拾振线圈谐振线圈铂电阻振筒式压力传感器振筒式压力传感器山东理工大学机械学院谐振敏感元件谐振敏感元件山东理工大学机械学院振管式密度传感器单管式振管式密度传感器单管式双管式密度传感器双管式密度传感器山东理工大学机械学院l 单管式的义务原理：激磁线圈单管式的义务原理：激磁线圈3 3使振筒振动时，管中的被使振筒振动时，管中的被测介质随之振动，介质质量必然附加在筒的质量上，结果测介质随之振动，介质质量必然附加在筒的质量上，结果系统谐振频率被改动并由拾振线圈系统谐振频率被改动并由拾振线圈4 4检测。介质密度不同检测。介质密

13、度不同使系统谐振频率不同，由此可确定介质密度值，这就是它使系统谐振频率不同，由此可确定介质密度值，这就是它的义务原理。的义务原理。l 单管式的缺陷：管子被固定的两端对固定块有一反作用力，单管式的缺陷：管子被固定的两端对固定块有一反作用力，将引起基座的运动，结果改动了系统的谐振频率，导致丈将引起基座的运动，结果改动了系统的谐振频率，导致丈量误差。量误差。山东理工大学机械学院l双管式的特点：双管式的特点：l两根管子的振动频率一样但方向相反，因此它们对固定两根管子的振动频率一样但方向相反，因此它们对固定基座的作用相互抵消，不会引起基座的运动，从而提高基座的作用相互抵消，不会引起基座的运动，从而提高了振动管振动频率的稳定性。了振动管振动频率的稳定性。l被测介质流过传感器的两根平行的振动管，管子的端部被测介质流过传感器的两根平行的振动管，管子的端部固定在一同