振弦式频率传感器学习教案

1、会计学1振弦式频率振弦式频率(pnl)传感器传感器第一页，共13页。 频率式及数字式传感器是近年来在电子技术频率式及数字式传感器是近年来在电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路、测试技术、计算机技术和半导体集成电路(jchng-dinl)技术的基础上迅速发展起来的一技术的基础上迅速发展起来的一种较新的传感器类型。其优点是体积小，重量轻种较新的传感器类型。其优点是体积小，重量轻，结构紧凑，分辨率高，精度高，以及便于数据，结构紧凑，分辨率高，精度高，以及便于数据传输、处理和存储。随着数字处理及计算机技术传输、处理和存储。随着数字处理及计算机技术的发展，频率式及数字式传感器将是一种很有前的发

2、展，频率式及数字式传感器将是一种很有前途的传感器品种。途的传感器品种。第2页/共13页第二页，共13页。振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为(zuwi)敏感元件， 其结构如图5-1-1所示。一、振弦式频率传感器的结构一、振弦式频率传感器的结构(jigu)原理原理图图5-1-1 5-1-1 振弦式传感器原理及间歇激励方式图振弦式传感器原理及间歇激励方式图（a a） 自激式；自激式； （b b） 他激式；他激式； （c c） 激励与输出波形激励与输出波形 1振弦振弦 2绝缘绝缘夹具夹具 3夹具夹具 4永久磁铁线圈永久磁铁线圈5膜片膜片 6永久永久磁铁磁铁 7激励电激励电磁铁磁铁 8软铁块软铁块第3页

3、/共13页第三页，共13页。 当一根工作长度为当一根工作长度为l l， 工作段质量为工作段质量为m m的细弦，一端的细弦，一端固定，另一端施加一个初始张力固定，另一端施加一个初始张力F F时，时， 弦的横向振动的弦的横向振动的固有频率固有频率( ( yu pn l)f yu pn l)f可由下式计算：可由下式计算： mlFf21式（式（5-1-1） 式（式（5-1-15-1-1）说明，当）说明，当m m、l l不变，张力不变，张力F F变化变化(binhu)F(binhu)F时，弦的自振频率也有一个变化时，弦的自振频率也有一个变化(binhu)f(binhu)f。这里的。这里的FF是由压力是由

4、压力p p经膜盒产生的，测出经膜盒产生的，测出这个频率变化这个频率变化(binhu)(binhu)，便可得压力，便可得压力p p。根据力与应力、。根据力与应力、应变的关系，应变的关系， 通过测量弦的自振频率也可以测量应力与应变通过测量弦的自振频率也可以测量应力与应变。 第4页/共13页第四页，共13页。 （1） 图图5-1-1（a）为自激式：）为自激式： 在弦的两侧在弦的两侧(lin c)放一永久磁铁，放一永久磁铁， 工作时，工作时， 弦中通以脉冲电流，弦中通以脉冲电流， 脉冲电流受磁场作用使弦起振。脉冲电流受磁场作用使弦起振。 起振后，起振后， 弦作为导体在磁场中运动，弦作为导体在磁场中运动

5、， 感应出交变电动势，感应出交变电动势， 通过测量感应电动势的频率，通过测量感应电动势的频率， 即为振弦的自由振动频率。即为振弦的自由振动频率。 二、频率二、频率(pnl)测量方案测量方案1 1、激励、激励(jl)(jl)方式方式1 1） 间歇激励方式间歇激励方式振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。第5页/共13页第五页，共13页。（2） 图5-1-1（b）为他激式： 在弦的两侧分别放一个激励线圈(xinqun)和测量线圈(xinqun)。激励线圈(xinqun)绕在软磁铁上，测量线圈(xinqun)绕在永久磁铁上， 弦上固定一个软铁块。 给激励线圈

6、(xinqun)通以脉冲电流， 振弦便被吸放一次，开始起振。 振弦在振动中引起测量线圈(xinqun)磁路的交替变化，线圈(xinqun)中便感应出交变电动势，感应电动势的频率就等于振弦的自由振动频率。若振弦为铁磁材料，则可省去软铁块。 第6页/共13页第六页，共13页。对于深井井下压力的测量， 一般采用间歇振荡电路， 可使连线最少。如图5-1-1（c）所示， 其输出波形是一个衰减振荡， 但频率不变，因此可通过频率测量得到被测非电量(dinling)的数值。 第7页/共13页第七页，共13页。2 2） 连续激励连续激励(jl)(jl)方式方式图图5-1-2 连续激励方式电路连续激励方式电路 振

7、弦接在放大器的正反馈振弦接在放大器的正反馈回路中，回路中， 起着选频元件的作用起着选频元件的作用(zuyng)(zuyng)。 因振弦在其固因振弦在其固有频率下具有尖锐的阻抗特性有频率下具有尖锐的阻抗特性， 所以电路只能在振弦的固有所以电路只能在振弦的固有频率上才能满足振荡条件。频率上才能满足振荡条件。 电阻电阻R1R1、R2R2和场效应管和场效应管VD1VD1组成组成负反馈电路，负反馈电路， 自动控制起振条件和自动控制起振条件和振幅，振幅， 而由而由R4R4、R5R5及及VD2VD2和和C C组成的组成的电路控制场效应管的栅极电压，电路控制场效应管的栅极电压， 自自动稳定输出信号动稳定输出信

8、号(xnho)(xnho)幅度，幅度， 并为起振创造条件。并为起振创造条件。第8页/共13页第八页，共13页。 当电路不振荡时，输出信号为零，当电路不振荡时，输出信号为零， 场效应管处于偏压状态场效应管处于偏压状态，漏源间电阻较小，负反馈较弱，有利于起振。，漏源间电阻较小，负反馈较弱，有利于起振。 振荡时，输出振荡时，输出信号经信号经VD2VD2整流，电容整流，电容C C滤波，滤波，R4R4、R5R5分压，得到一个与输出信分压，得到一个与输出信号幅度成正比的负电压，使场效应管漏源间电阻增大号幅度成正比的负电压，使场效应管漏源间电阻增大(zn(zn d)d)， 负反馈加强。负反馈加强。 输出信号

9、越大，负反馈越强，输出信号越大，负反馈越强， 更能达到更能达到稳定输出信号幅度的作用。稳定输出信号幅度的作用。 第9页/共13页第九页，共13页。 频率的测量常用两种方法，一是直读法，即将传感器的输出电频率的测量常用两种方法，一是直读法，即将传感器的输出电动势经放大、整形后送计数器显示其频率值，或者用数字频率计测动势经放大、整形后送计数器显示其频率值，或者用数字频率计测量；二是比较量；二是比较(bjio)(bjio)法，即将传感器输出电动势的频率与标准振法，即将传感器输出电动势的频率与标准振荡器发出的频率相比较荡器发出的频率相比较(bjio)(bjio)， 当两者频率相等时，标准振荡器当两者频

10、率相等时，标准振荡器所指频率值就为被测频率值。所指频率值就为被测频率值。 常用的比较常用的比较(bjio)(bjio)方法有用示波器方法有用示波器显示的李沙育图形法、显示的李沙育图形法、 用单机指示的谐振法及用检零指示器测量的用单机指示的谐振法及用检零指示器测量的差频法等。差频法等。 2 2、测量、测量(cling)(cling)电路电路第10页/共13页第十页，共13页。三、振弦式传感器的应用三、振弦式传感器的应用(yngyng)图图5-1-35-1-3 振弦式压力传感器振弦式压力传感器1 1压力膜压力膜 2 2支座支座 3 3、4 4振弦振弦 5 5、6 6拾振器拾振器 7 7、8 8激振

11、器激振器 9 9柱体柱体 1010、1111放大、振荡电路放大、振荡电路 1212混频器混频器 1313滤波整形电路滤波整形电路 图图5-1-35-1-3是振弦式压力是振弦式压力(yl)(yl)传感器的原理结构图，在圆形压力传感器的原理结构图，在圆形压力(yl)(yl)膜片膜片 l l的上、下两侧安装了的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦两根长度相同的振弦3 3、4 4，它们被固，它们被固紧在支座紧在支座2 2上，并加上一定的预应力上，并加上一定的预应力。当它们受到激励而振动时，产生的。当它们受到激励而振动时，产生的振动频率信号分别经放大、振荡电路振动频率信号分别经放大、振荡电路1010、11

12、11后到混频器后到混频器1212进行混频，所得进行混频，所得差频信号经滤波、整形电路输出。如差频信号经滤波、整形电路输出。如无外力作用时，压力无外力作用时，压力(yl)(yl)膜片上膜片上、下两根振弦所受张力相同，受激励、下两根振弦所受张力相同，受激励后产生相同的振动频率，由混频器所后产生相同的振动频率，由混频器所得差频信号的频率为零。如有外力得差频信号的频率为零。如有外力F F垂直作用于柱体垂直作用于柱体9 9上时，压力上时，压力(yl)(yl)膜片受压弯曲，使上侧振弦膜片受压弯曲，使上侧振弦3 3的张力减小，振动频率减低，而下的张力减小，振动频率减低，而下侧振弦侧振弦4 4的张力增大，振动

13、频率增高的张力增大，振动频率增高。由混频器输出两者振动频率的差频。由混频器输出两者振动频率的差频信号，其频率随外力增大而升高。信号，其频率随外力增大而升高。第11页/共13页第十一页，共13页。图图5-1-4 5-1-4 振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器1 1、2 2套筒套筒 3 3、4 4、3 3、4 4支架支架 5 5、6 6振弦振弦 振弦式转矩传感器的结构如振弦式转矩传感器的结构如图图5-1-4所示，将套筒所示，将套筒1、2分别卡分别卡在被测轴的两个相邻面上，然后在被测轴的两个相邻面上，然后(rnhu)将振弦将振弦5与与6分别安装在分别安装在套筒上的支架套筒上的支架3、4和和3、4上上，安装时必须使振弦具有一定的，安装时必须使振弦具有一定的预应力。当被测轴转动传递转矩预应力。当被测轴转动传递转矩T时，轴产生扭转变形，致使其时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角度，造成两相邻截面扭转一个角度，造成振弦振弦5受到拉力，振弦受到拉力，振弦6受到压力受到压力。在被测轴的弹性变形范围内，