第九章谐振式传感器

1、第九章谐振式传感器第一节第一节 原理与类型原理与类型一、基本原理一、基本原理振子即机械振动系统的谐振频率振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下式表示：可近似用下式表示：emkf21式中：式中：kem振子材料的刚度振子材料的刚度振子的等效振动质量振子的等效振动质量上式表示振子的谐振频率上式表示振子的谐振频率 与其刚度与其刚度 和等效振动质量和等效振动质量 有关，有关，设其初始谐振频率为设其初始谐振频率为 。那么，如果振子受力或其中的介质质。那么，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。这即为机械谐

2、振传感器的基本工作原理。化。这即为机械谐振传感器的基本工作原理。fkem0f二、组成与类型二、组成与类型谐振式传感器的组成谐振式传感器的组成机械振子的类型机械振子的类型a a）张丝式张丝式 b b）膜片式膜片式 c c）筒式筒式 d d）梁式梁式 e e）扁平型扁平型 f f）平凸型平凸型 g g）双凸型双凸型（e e、f f、g g为压电式谐振传感器）为压电式谐振传感器）第二节第二节 特性和设计要点特性和设计要点一、振弦式谐振传感器特性一、振弦式谐振传感器特性121Tlf 式中：式中：1l振弦的线密度振弦的线密度振弦的有效振动长度振弦的有效振动长度当弦的张力增加当弦的张力增加 时，则时，则T

3、)(81211 .)(161)(81211 )1(12112120320TTTTfTTTTTTfTTTlTTlf幂级数展开幂级数展开)(41)(21)(81020TTTTfTTf非线性误差非线性误差fldTdfk2181灵敏度灵敏度改进：差动方式改进：差动方式二、振膜式谐振传感器特性二、振膜式谐振传感器特性pEhrcff4421032)1 (3)(210ff4421032)1 (3Ehrcfdpdfk压力频率关系曲线压力频率关系曲线非线性误差非线性误差灵敏度灵敏度三、振筒式谐振传感器特性三、振筒式谐振传感器特性Bpff10p32)(4)1 (3hrEB式中：式中：压差灵敏度系数压差灵敏度系数被

4、测压力被测压力Bpffff200)(2压力频率压力频率关系曲线关系曲线近近似似pBff20)(210ff20Bfdpdfk非线性误差非线性误差灵敏度灵敏度四、振梁式谐振传感器特性四、振梁式谐振传感器特性200)(ffbffap近近似似paff0)(0ffab afdpdfk0压力频率关系曲线压力频率关系曲线非线性误差非线性误差灵敏度灵敏度五、压电式谐振传感器特性五、压电式谐振传感器特性66021Ehf 66E式中：式中：石英振子的密度石英振子的密度石英振子的切变模量石英振子的切变模量其中，其中， 对频率的影响起主导作用。当石英振子受静态压力对频率的影响起主导作用。当石英振子受静态压力 作用时，

5、则引起振子上应力发生变化而使振子的谐振频率作用时，则引起振子上应力发生变化而使振子的谐振频率 变化，而频率的变化与所加压力变化，而频率的变化与所加压力 成线性关系，这一静压力成线性关系，这一静压力频移效应主要是频移效应主要是 随压力随压力 变化而产生的。变化而产生的。 工作原理：工作原理：p66E66Eppf六、设计要点六、设计要点1 1、减小非线性、减小非线性2 2、提高灵敏度、提高灵敏度3 3、提高稳定性、提高稳定性4 4、减小温度误差、减小温度误差第三节第三节 转换电路转换电路即将与被测量有确定关系的振子谐振频率转换成电信号。即将与被测量有确定关系的振子谐振频率转换成电信号。转换电路中的

6、主要部件：激振环节转换电路中的主要部件：激振环节按激励信号产生的方式分类：按激励信号产生的方式分类：开环式：由一单独信号发生器产生激励信号开环式：由一单独信号发生器产生激励信号闭环式：由测量信号通过反馈环节产生激励信号闭环式：由测量信号通过反馈环节产生激励信号一、开环式转换电路亦称间歇式电路一、开环式转换电路亦称间歇式电路 主要用于振弦式传感器主要用于振弦式传感器间歇激励式电间歇激励式电路原理图路原理图振弦振弦式谐式谐振传振传感器感器转换转换电路电路a a）电路原理框图电路原理框图 b b）单稳态触发器单稳态触发器 c c）f fV V 转换电路转换电路22 1fTUUfoo即输出电压与振弦谐

7、振频率的平方成正比即输出电压与振弦谐振频率的平方成正比二、闭环式转换电路亦称连续激励方式二、闭环式转换电路亦称连续激励方式要求振子作等幅振动，继而要求要求振子作等幅振动，继而要求放大环节为要求的非线性，即输放大环节为要求的非线性，即输入输出特性为下图：入输出特性为下图：激励方式：激励方式：3种种1 1、电流法、电流法2 2、电磁法、电磁法3 3、电荷法、电荷法第四节第四节 应用举例应用举例一、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振弦式扭矩传感器振弦式扭矩传感器振弦式加速度传感器振弦式加速度传感器三、振筒式传感器三、振筒式传感器振筒式压力传感器振筒式压力传感器 振管式密度