第十章-谐振式传感器-《传感器(第5版)》课件ppt.pptx

篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材传传 感感 器器（第第5版）版）篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 第一节第一节 原理与类型原理与类型 第二节第二节 应用举例应用举例第十章第十章 谐振式传感器谐振式传感器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材返回主目录返回主目录篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统l定定义义：谐谐振振式式传传感感器器是是直直接接将将被被测测量量变变化化转转换换为为物物体体谐谐振振频频率率变变化化的的装置，故也称为装置，故也称为频率式传感器频率式传感器。l特点：特点：优优点点：高高精精度度(0.01%)、高高分分辨辨率率、高高抗抗干干扰扰能能力力、适适于于长长距距离离传传输输、能能直接与数字设备相连接直接与数字设备相连接、高稳定性和高可靠性、高稳定性和高可靠性。缺缺点点：要要求求材材料料质质量量较较高高，加加工工工工艺艺复复杂杂，所所以以生生产产周周期期长长，成成本本较较高高；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理 。l种类：种类：电式、电式、机械式机械式、原子式。、原子式。第第十十章章 谐振式传感器谐振式传感器篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、类型二、类型n机械振子的结构：张丝状、膜片状、筒状、梁状。机械振子的结构：张丝状、膜片状、筒状、梁状。n材料：铁镍恒弹合金；石英晶体（振膜或振梁，分扁平形、平凸形、材料：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。双凸形）等。n谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式、压电式等式、压电式等。第一节第一节 原理与类型原理与类型图图10-2 机械振子的基本类型机械振子的基本类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（一）振（一）振弦式谐振传感器弦式谐振传感器l振弦受张力振弦受张力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为为l张力增加张力增加T，振弦的振动频率变为，振弦的振动频率变为l振振弦的线密度；弦的线密度；l振振弦的有效振动长度。弦的有效振动长度。第一节第一节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统l因因为为T/T 1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为 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为为 第一节第一节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统l为为了了得得到到良良好好的的线线性性，常常采采用用差差动动式式结结构构。上上下下两两弦弦对对称称，初初始始张张力力相相等等，当当被被测测量量作作用用在在膜膜片片上上时时，两两个个弦弦张张力力变变化化大大小小相相等等、方方向向相相反反。通通过过差差频频电电路路测测得得两两弦弦的的频频率率差差，则则式式(10-3)中中的的偶偶次次幂幂项项相相抵抵消消，使使非非线线性性误误差差大大为为减减小小，同同时时提提高高了了灵灵敏敏度、减小了温度的影响。度、减小了温度的影响。第一节第一节 原理与类型原理与类型图图10-3 差动式振弦传感器原理差动式振弦传感器原理 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（二）振（二）振膜式谐振传感器膜式谐振传感器第一节第一节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（三）振（三）振筒式谐振传感器筒式谐振传感器第一节第一节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（四）振（四）振梁式谐振传感器梁式谐振传感器第一节第一节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（五）压（五）压电式式谐振传感器电式式谐振传感器特特点点：振振子子和和圆圆筒筒由由一一整整块块石石英英加加工工；空空腔腔为为真真空空；振振子子两两边边一一对对电电极极连连接接外电路组成振荡电路。外电路组成振荡电路。原原理理：静静态态压压力力p静静应应力力切切变变模模量量E66固有频率固有频率f0公式：公式：第一节第一节 原理与类型原理与类型图图10-6 压敏石英振子结构原理图压敏石英振子结构原理图篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统一、典型的谐振式传感器一、典型的谐振式传感器（一）振（一）振弦弦式力传式力传感器感器测量锚索测量锚索/锚杆加载或长期工作时的应力变化；锚杆加载或长期工作时的应力变化；工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。第二节第二节 应用举例应用举例第第十十章章 谐振式传感器谐振式传感器篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（二）振（二）振膜式压力传感器膜式压力传感器n性能优异：性能优异：高高的的稳稳定定性性、重重复复性性和和较较高高灵灵敏度（敏度（0.30.5kPa/Hz）；）；测测量量精精度度可可达达0.01%，重重复复性性达达十十万万分分之之几几，稳稳定定性性每每年年0.01%0.02%。n应用：应用：航航空空航航天天领领域域测测大大气气参参数数（静静压压及及动动压压）、飞飞行行高高度度、飞飞行行速度等；速度等；标标准准计计量量仪仪器器对对其其他他压压力力传传感感器标定。器标定。1、微型应变片、微型应变片 2、平膜片、平膜片(振子振子)3、电磁线圈、电磁线圈4、环状壳体、环状壳体5、压力室、压力室6、参考压力腔、参考压力腔7、基座、基座8、导管、导管图图10-8 振振膜式压力传感器原理结构膜式压力传感器原理结构第二节第二节 应用举例应用举例篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（三）振（三）振筒式传感筒式传感器器n优点：优点：迟滞误差和漂移误差小，稳定性好，分辨率高以及轻便、成本低。迟滞误差和漂移误差小，稳定性好，分辨率高以及轻便、成本低。n测量对象：测量对象：气体的压力和密度。气体的压力和密度。图图10-9 振振管式密度传感器管式密度传感器（单管式）（单管式）图图10-10 双双管式密度传感器管式密度传感器第二节第二节 应用举例应用举例篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统l单单管管式式的的工工作作原原理理：激激磁磁线线圈圈3使使振振筒筒振振动动时时，管管中中的的被被测测介介质质随随之之振振动动，介介质质质质量量必必然然附附加加在在筒筒的的质质量量上上，结结果果系系统统谐谐振振频频率率被被改改变变并并由由拾拾振振线线圈圈4检检测测。介介质质密密度度不不同同使使系系统统谐谐振振频频率率不不同同，由此可确定介质密度值，这就是它的工作原理。由此可确定介质密度值，这就是它的工作原理。l单单管管式式的的缺缺点点：管管子子被被固固定定的的两两端端对对固固定定块块有有一一反反作作用用力力，将将引引起基座的运动，结果改变了系统的谐振频率，导致测量误差。起基座的运动，结果改变了系统的谐振频率，导致测量误差。第二节第二节 应用举例应用举例篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统l双管式的特点：双管式的特点：两两根根管管子子的的振振动动频频率率相相同同但但方方向向相相反反，因因此此它它们们对对固固定定基基座座的的作作用用相相互互抵消，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。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。被被测测介介质质流流过过传传感感器器的的两两根根平平行行的的振振动动管管，管管子子的的端端部部固固定定在在一一起起，形形成一个振动单元。成一个振动单元。振振动动管管与与外外部部管管道道采采用用软软性性联联结结(如如波波纹纹管管)，以以防防止止外外部部管管道道的的应应力力和和热膨胀对管子振动频率的影响。热膨胀对管子振动频率的影响。激激振振线线圈圈和和拾拾振振线线圈圈放放在在两两根根管管子子中中间间，管管子子以以横横向向模模式式振振动动，通通常常是是一次振型，如图中虚线所示。一次振型，如图中虚线所示。第二节第二节 应用举例应用举例篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（四）振梁式（四）振梁式压力传感压力传感器器测测力力范范围围10e7N，固固有有频频率率动动态态范范围围为为50Hz,故故可可测测静静态态力力和和准准静静态态力；力；包含两个振动系统；包含两个振动系统；由由于于这这种种传传感感器器只只有有单单根根振振梁梁，因因此此，非非线线性性误误差差较较大大，当当频频率率变变化化10%，就有，就有3%5%的非线性误差。的非线性误差。第二节第二节 应用举例应用举例篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（五）压电谐振式（五）压电谐振式压力传感压力传感器器石英晶体的振动模式有：长度伸缩、弯曲、面切变和厚度切变等；石英晶体的振动模式有：长度伸缩、弯曲、面切变和厚度切变等；第二节第二节 应用举例应用举例图图10-12 压电谐振式压差传感器压电谐振式压差传感器图图10-13 振梁式石英谐振器振梁式石英谐振器图图10-14 逆压电效应激励示意图逆压电效应激励示意图篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统二、典型的激振方式二、典型的激振方式（一）开（一）开环电路（间歇激励式电路）环电路（间歇激励式电路）第二节第二节 原理与类型原理与类型图图10-15 间歇激励式电路原理图间歇激励式电路原理图篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统工作原理：工作原理：当当张张驰驰振振荡荡器器给给出出激激励励脉脉冲冲时时，继继电电器器吸吸合合，电电流流通通过过磁磁铁铁线线圈圈，使使磁铁吸住振弦。磁铁吸住振弦。脉脉冲冲停停止止后后松松开开振振弦弦，振振弦弦便便自自由由振振动动、与与线线圈圈磁磁铁铁的的间间隙隙就就周周期期性性地变化，在线圈中产生感应电动势并经继电器常闭接点输出。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感应电动势的频率即为振弦的固有频率。线圈兼有线圈兼有激励激励和和拾振拾振两种作用。两种作用。第二节第二节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统为提高线性度为提高线性度，以，以f2为电路输出。为电路输出。第二节第二节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统（二）闭环激振（二）闭环激振这这种种电电路路也也称称作作连连续续激激励励方方式式，它它是是如如图图10-16所所示示的的自自激激振振荡荡闭闭环环正正反反馈馈系系统统。为为使使传传感感器器稳稳定定工工作作，在在设设计计和和选选择择各各环环节节的的传传递递函函数数和和参参数数时时，应应保保证证振振子子在在激激振振力力作作用用下下能能由由起起振振到到做做等等幅幅振振荡荡，其其频频率率即即为振子谐振频率。为振子谐振频率。第二节第二节 原理与类型原理与类型图图10-16 振弦式谐振传感器原理框图振弦式谐振传感器原理框图篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统连续激励方式又可分为电流法、电磁法、电荷法三种。连续激励方式又可分为电流法、电磁法、电荷法三种。1.电流法电流法第二节第二节 原理与类型原理与类型该方法是由流过振弦的电流产生激振力该方法是由流过振弦的电流产生激振力在磁场中以速度在磁场中以速度v v运动的导线便产生感生运动的导线便产生感生电动势电动势篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统当当横横向向刚刚度度系系数数为为ct的的振振弦弦偏偏离离初初始始平平衡衡位位置置，有有一一个个横横向向位位移移x时时，其弹性力其弹性力F2=-ct x。由于。由于v=dx/dt，e2=vBlB，则由此产生感生电动势，则由此产生感生电动势第二节第二节 原理与类型原理与类型显然，磁场中的通电振弦可等效成电路中的一个显然，磁场中的通电振弦可等效成电路中的一个LC回路，其谐振频回路，其谐振频率为率为篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统2.电磁法电磁法该该方方法法是是由由带带有有磁磁钢钢的的电电磁磁线线圈圈产产生生激激励励力力，可可用用于于振振弦弦式式、振振膜膜式式、振振筒筒式式和和振振梁梁式式传传感感器器。电电磁磁式式激激振振器器将将周周期期变变化化的的电电流流输输入入电电磁磁铁铁线线圈圈，在在被被激激件件与与电电磁磁铁铁之之间间便便产产生生周周期期变变化化的的激激励励力力。当当向向线线圈圈输输入入交交流流电电，或或交交流流电电加加直直流流电电，或或半半波波整整流流后后的的脉脉动动电电流流时时，便便可可产产生生周期变化的激励力，这种激振器通常是直接作用于振子上。周期变化的激励力，这种激振器通常是直接作用于振子上。第二节第二节 原理与类型原理与类型篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统3.电荷法电荷法该该方方法法利利用用晶晶体体逆逆压压电电效效应应产产生生激激振振力力，石石英英振振子子上上下下表表面面各各覆覆盖盖金金属属层层作作为为电电极极引引入入系系统统反反馈馈环环节节的的输输出出信信号号，则则振振子子既既是是振振动动体体又又是是激励环节。激励环节。第二节第二节 原理与类型原理与类型