第谐振式传感器.pptx

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1、会计学1第第 谐振谐振(xizhn)式传感器式传感器第一页，共65页。一一 概述概述(i sh)n n基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自然成为(chngwi)当今人们研究的重点。第1页/共64页第二页，共65页。n n谐振式传感器大体分为两类：一类是基于谐振式传感器大体分为两类：一类是基于(jy)(jy)机械谐振结构谐振式传机械谐振结构谐振式传感器；另一类是感器；另一类是MOSMOS环振式谐振传感器。本章主要介绍基于环振

2、式谐振传感器。本章主要介绍基于(jy)(jy)机械机械谐振结构的谐振式传感器。它们可利用振动频率、相位和幅值作为敏感谐振结构的谐振式传感器。它们可利用振动频率、相位和幅值作为敏感信息的参数。由于谐振式传感器有许多优点，也适于多种参数测量，如信息的参数。由于谐振式传感器有许多优点，也适于多种参数测量，如压力、力、转角、流量、温度、湿度、液位、粘度、密度和气体成分等，压力、力、转角、流量、温度、湿度、液位、粘度、密度和气体成分等，所以这类传感器已迅速发展成为一个新的传感器家族。所以这类传感器已迅速发展成为一个新的传感器家族。第2页/共64页第三页，共65页。二二 谐振式传感器的理论谐振式传感器的理

3、论(lln)基础基础 1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征(tzhng)与优势第3页/共64页第四页，共65页。谐振式传感器的基本谐振式传感器的基本谐振式传感器的基本谐振式传感器的基本(jbn)(jbn)结构结构结构结构1 基本(jbn)结构第4页/共64页第五页，共65页。n n由ERD组成的电 机 电谐振子环节，是谐振式传感器的核心。适当地选择激励和拾振手段，构成一个理想(lxing)的ERD，对设计谐振式传感器至关重要。n n由ERDA组成的闭环自激环节，是构成谐振式传感器的条件。n n由RDO(C)组成的信号检测、输出环节，是实现检测被测量

4、的手段。第5页/共64页第六页，共65页。n n实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动特性时，可实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动特性时，可以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下图）。图中以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下图）。图中k k，mm，c c分别为等效刚度、等效质量和等效阻尼。其自由振动的运动方程为：分别为等效刚度、等效质量和等效阻尼。其自由振动的运动方程为：n n 式中式中 ，kx kx分别为系统的惯性力、阻尼力和弹性力，它们分别表分别为系统的惯性力、阻尼力和弹性力，它们分别表征维持系统运动状态的能力征维持系统运动状态的能力(nn

5、gl)(nngl)、消耗系统能量的程度和改变系统、消耗系统能量的程度和改变系统运动状态的能力运动状态的能力(nngl)(nngl)。2 闭环自激第6页/共64页第七页，共65页。单自由度振动单自由度振动单自由度振动单自由度振动(zhndng)(zhndng)系系系系统统统统第7页/共64页第八页，共65页。自由振动(zhndng)的解为 代入，有 由于谐振式传感器使用的振动(zhndng)系统总是有振荡的，故解应写为第8页/共64页第九页，共65页。n n式中i为虚数单位；n为系统的固有频率，取决于谐振敏感元件的固有特征；为系统的等效阻尼比；d为系统的振荡(zhndng)频率。第9页/共64页

6、第十页，共65页。n n于是解为于是解为n n 式中式中A0A0，0 0由系统的初始条件确定。由系统的初始条件确定。n n 由式可知：由式可知：增大时，系统的衰减加快，消耗能量快；增大时，系统的衰减加快，消耗能量快；增大时，系增大时，系统的振荡周期增长统的振荡周期增长(zngzh(zngzh ng)ng)；当；当00时，时，(当当=0=0时，时，)。这时系。这时系统处于简谐振动状态；振动频率只统处于简谐振动状态；振动频率只dd与系统的固有状态有关。与系统的固有状态有关。第10页/共64页第十一页，共65页。n n当系统(xtng)受到周期激励力作用时，由于周期函数可以展开为Fourier级数，

7、若考虑为时，系统(xtng)的振动方程为：n n 该方程的解包括两部分：一部分是系统(xtng)初始条件引起的，其运动形式同上式；另一部分由外界激励引起的稳态解，可写为第11页/共64页第十二页，共65页。n n式中式中C0C0是幅值为是幅值为B B的恒静力对系统产生的位移；的恒静力对系统产生的位移；A()A()，()()分别称为分别称为(chn(chn wi)wi)系统的幅频特性和相频特性。下图给出了他们的示意图。系统的幅频特性和相频特性。下图给出了他们的示意图。第12页/共64页第十三页，共65页。n n当 时，A()达到最大值，有n n 这时系统(xtng)的相角偏移为第13页/共64页

8、第十四页，共65页。n n由上面分析可知：谐振(xizhn)式传感器闭环自激的频率点必然接近于谐振(xizhn)敏感元件的固有频率。下面讨论闭环自激的条件。幅相特性(txng)第14页/共64页第十五页，共65页。n n首先从时域进行分析，见下图。从信号首先从时域进行分析，见下图。从信号(xnho)(xnho)激励器来考虑，激励器来考虑，某一瞬时作用于谐振子上的信号某一瞬时作用于谐振子上的信号(xnho)(xnho)为，于是信号为，于是信号(xnho)(xnho)检测器的输入信号检测器的输入信号(xnho)(xnho)满足满足n n 当当 时，时，u2u2可写为：可写为：n n 当当u2u2经

9、检测器、放大器、激励器后，输出为可写为经检测器、放大器、激励器后，输出为可写为第15页/共64页第十六页，共65页。n n于是(ysh)满足下式时，系统以频率产生闭环自激。n n n n 称此为系统可自激的时域幅值、相位条件。第16页/共64页第十七页，共65页。n n简言之，只要放大器能不断给系统补充由于阻尼所消耗的能量，同时通过调节移相器又能保证在每个周期同相位迭加，那么(n me)该系统就能进行等幅自激振荡。再从复频域分析，见图5-5。其中R(s)，E(s)，A(s)，D(s)分别为谐振子、激励器、放大器和拾振器的传递函数，s为拉氏算子。满足下式时，系统将以频率产生闭环自激。第17页/共

10、64页第十八页，共65页。n n 时域分析(fnx)频域分析(fnx)第18页/共64页第十九页，共65页。n n称此为系统可自激的复频域幅值、相位条件。以上考虑的是在一点处的闭环自激条件，称此为系统可自激的复频域幅值、相位条件。以上考虑的是在一点处的闭环自激条件，对于谐振式传感器，应在其整个对于谐振式传感器，应在其整个(zhngg)(zhngg)工作频率范围工作频率范围(L(L，H)H)内均满足闭环自激条内均满足闭环自激条件。这就给设计传感器的放大器提出了特殊要求。件。这就给设计传感器的放大器提出了特殊要求。第19页/共64页第二十页，共65页。n n由上述分析可知：对于谐振式传感器，从检测

11、信号由上述分析可知：对于谐振式传感器，从检测信号(xnho)(xnho)的角度，它的角度，它的输出可以写为的输出可以写为n n 为归一化周期函数，满足：当为归一化周期函数，满足：当 时，时，n n 。这里。这里T T为周期，为周期，A A、分别为检测信号分别为检测信号(xnho)(xnho)的幅值、振频的幅值、振频和相位，称为传感器检测信号和相位，称为传感器检测信号(xnho)x(t)(xnho)x(t)的特征参数。的特征参数。，具有具有360()360()。3 敏感(mngn)机理第20页/共64页第二十一页，共65页。n n显然，只要被测量能较显著地改变检测信号x(t)的某一特征参数，谐振

12、式传感器就能通过检测上述特征参数来实现对被测量的检测。在谐振式传感器中，目前(mqin)国内外使用最多是检测频率，如谐振筒压力传感器、谐振式膜压力传感器等。第21页/共64页第二十二页，共65页。n n在谐振式传感器中，谐振子的品质因素在谐振式传感器中，谐振子的品质因素(yn s)Q(yn s)Q值是一个极其重要的指标，针对能量的定值是一个极其重要的指标，针对能量的定义式为义式为n n n n 对于弱阻尼系统，对于弱阻尼系统，利用下图所示的谐振子的幅频特性可给出，利用下图所示的谐振子的幅频特性可给出n n n n n n 1 1，2(P1,P2)2(P1,P2)对应的幅值增益为对应的幅值增益为

13、 ，称为半功率点。，称为半功率点。4 谐振子的Q值第22页/共64页第二十三页，共65页。n n显然显然QQ值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢(kuimn)(kuimn)的程的程度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐振敏感元件选频度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐振敏感元件选频能力的强弱。能力的强弱。n n 求取求取QQ值值第23页/共64页第二十四页，共65页。n n由此可知，当Q增大时，幅值条件(tiojin)易于满足。由此：第24页/共64页第二十五页，共65页。n n当P=1时，考虑以 为中心的相

14、角(xin jio)范围 ，当 时，随Q单调增加。这表明：相同的频率变化所引起的相角(xin jio)变化值随Q值的增大而增加。即在相同的幅值增益下，Q值大的谐振子所提供的相角(xin jio)范围大，从而便于构成闭环自激系统。第25页/共64页第二十六页，共65页。n n再讨论再讨论QQ值对传感器精度的影响。设系统工作的频率范围为值对传感器精度的影响。设系统工作的频率范围为 ，谐振子所提供的相移为，谐振子所提供的相移为 。由式可得在任意相角。由式可得在任意相角 下对应的振下对应的振频为频为n n 显然，对于给定的显然，对于给定的，QQ值增大值增大(zn(zn d)d)时，时，减小，即减小，即

15、 越接越接近于这时谐振子所对应的固有频率近于这时谐振子所对应的固有频率nn；传感器自激频率的随机漂；传感器自激频率的随机漂移就越小，系统的振动状态就越稳定，精度就越高。移就越小，系统的振动状态就越稳定，精度就越高。第26页/共64页第二十七页，共65页。n n可见高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设计谐振式传感器的核心问题。影响(yngxing)谐振子Q值的因素主要有：材料自身的特性，加工工艺，谐振子的结构(边界状况及封装情况)和使用环境等。第27页/共64页第二十八页，共65页。n n 谐振子的选择及其振动特性（即振动模态，包括谐

16、振频率和振型）的分析、计算，谐振子的选择及其振动特性（即振动模态，包括谐振频率和振型）的分析、计算，确定谐振子的实际结构、参数确定谐振子的实际结构、参数(cnsh)(cnsh)及所敏感的振动特征参数及所敏感的振动特征参数(cnsh)(cnsh)。这部分工作的。这部分工作的核心是建立谐振式传感器的模型，优化出一个高核心是建立谐振式传感器的模型，优化出一个高QQ值、高灵敏度的谐振子；值、高灵敏度的谐振子；n n 检测源、激励源的选择以及谐振子的配合问题。主要包括它们与谐振子的相对位检测源、激励源的选择以及谐振子的配合问题。主要包括它们与谐振子的相对位置的选择与激励能量大小的确定；置的选择与激励能量

17、大小的确定；n n 检测信号的接收、处理、转换及按幅相条件设计的放大电路。对于灵敏频率的谐检测信号的接收、处理、转换及按幅相条件设计的放大电路。对于灵敏频率的谐振式传感器要在满量程内综合考虑，而敏感幅值比、相位差的谐振式传感器要合理设振式传感器要在满量程内综合考虑，而敏感幅值比、相位差的谐振式传感器要合理设计出计出“双闭环双闭环”系统，并选择好参考位置。系统，并选择好参考位置。n n 引入恰当的补偿机制，解算检测信号，给出被测量。引入恰当的补偿机制，解算检测信号，给出被测量。5 设计(shj)要点第28页/共64页第二十九页，共65页。n n综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特

18、征与独特优势是：综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特征与独特优势是：n n 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定(judng)(judng)了谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输；了谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输；n n 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征决定传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征决定(judng)(judng)了传感器系统的了传感器系统的输出自动跟踪输入；输出自动跟踪输入；n n 谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的

19、谐振特性，决定谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定(judng)(judng)其具有高的灵敏度其具有高的灵敏度和分辨率；和分辨率；n n 相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定(judng)(judng)了传感器系了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。统的抗干扰性强，稳定性好。6 特征(tzhng)与优势第29页/共64页第三十页，共65页。三三 振弦式谐振振弦式谐振(xizhn)传感器传感器n n（一）结构特点与工作原理n n 顾名思义，传感器的谐振元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有

20、频率振动。改变(gibin)振弦的张紧力T，可以得到不同的振动频率f，即张紧力与谐振频率成单值函数关系。第30页/共64页第三十一页，共65页。n n1.1.结构特点结构特点结构特点结构特点n n 振弦式压力传感器的主要结构如图所示振弦式压力传感器的主要结构如图所示振弦式压力传感器的主要结构如图所示振弦式压力传感器的主要结构如图所示n n（1 1）振弦）振弦）振弦）振弦n n 振弦是把待测压力值的变化转变为频率变化的敏感元件，对传感器的精度、灵振弦是把待测压力值的变化转变为频率变化的敏感元件，对传感器的精度、灵振弦是把待测压力值的变化转变为频率变化的敏感元件，对传感器的精度、灵振弦是把待测压力

21、值的变化转变为频率变化的敏感元件，对传感器的精度、灵敏度、稳定性起决定敏度、稳定性起决定敏度、稳定性起决定敏度、稳定性起决定(judng)(judng)的作用。对振弦材料的要求是：的作用。对振弦材料的要求是：的作用。对振弦材料的要求是：的作用。对振弦材料的要求是：n n 抗拉强度高。抗拉强度高。抗拉强度高。抗拉强度高。n n 弹性模量大。弹性模量大。弹性模量大。弹性模量大。n n 磁性和导电性能好。磁性和导电性能好。磁性和导电性能好。磁性和导电性能好。n n 线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。线膨胀系数小，尺寸随时间的稳

22、定性好。第31页/共64页第三十二页，共65页。第32页/共64页第三十三页，共65页。n n（2 2）磁铁）磁铁n n 根据振弦振动的激发方式不同，可以只用一块磁铁，或者用两块性能相同根据振弦振动的激发方式不同，可以只用一块磁铁，或者用两块性能相同的磁铁，见下图。磁场可以由永久磁铁或直流电磁铁产生，永久磁铁一般用的磁铁，见下图。磁场可以由永久磁铁或直流电磁铁产生，永久磁铁一般用AlNiCo-5AlNiCo-5硬磁合金制造。在采用电磁铁的场合，常把磁铁做成硬磁合金制造。在采用电磁铁的场合，常把磁铁做成U U形，电磁线形，电磁线圈圈(xinqun)(xinqun)安置在安置在U U形磁铁的一臂，

23、这时，磁力线的通路是磁铁形磁铁的一臂，这时，磁力线的通路是磁铁-纯铁片纯铁片-振弦振弦-磁铁，形成一个封闭的磁回路。磁铁，形成一个封闭的磁回路。第33页/共64页第三十四页，共65页。n n（3 3）振弦夹紧装置）振弦夹紧装置n n 传感器工作时振弦处于拉紧的状态，振弦两端必须与支架和运传感器工作时振弦处于拉紧的状态，振弦两端必须与支架和运动部分固接，一般采用专门的夹紧装置。对它的要求是：动部分固接，一般采用专门的夹紧装置。对它的要求是：n n 抗滑能力好，振弦在长期受拉或反复振动的情况下，夹头不抗滑能力好，振弦在长期受拉或反复振动的情况下，夹头不松动；松动；n n 加工简单加工简单(ji(j

24、i ndn)ndn)，安装振弦方便，易拆卸，能反复使用，安装振弦方便，易拆卸，能反复使用，能任意调整弦的初始频率。能任意调整弦的初始频率。第34页/共64页第三十五页，共65页。n n2工作原理n n 要测量振弦固有频率f0的变化，必须先激发(jf)振弦起振，其激发(jf)方法有两种：n n（1）间歇激发(jf)法下图所示为间歇激发(jf)的振弦压力传感器的示意图。n n（2）连续激发(jf)法第35页/共64页第三十六页，共65页。第36页/共64页第三十七页，共65页。n n连续激发时，振弦也是置于电磁铁的磁场中，同时，振弦通以交变电流，由于电磁感应，振弦受到一个垂直于磁力线的作用力，从而

25、激发振弦作频率等于其自振频率的周期运动。然而，同间歇激发一样，由于阻力作用，振弦的自振也将逐渐(zhjin)衰减，因此必须补给能量以维持振弦稳定的等幅振荡。第37页/共64页第三十八页，共65页。n n当振弦受张力当振弦受张力T T作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率f f为为n n 式中式中 ll振弦的线密度（振弦的线密度（tex=g/kmtex=g/km）；）；n n l l振弦的有效振动长度振弦的有效振动长度(chngd)(chngd)（mm）。）。n n 当弦的张力增加当弦的张力增加 T T时，可得弦的振动频率时，可得弦的振动频率f f为

26、为第38页/共64页第三十九页，共65页。n n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(wch)(wch)为为n n为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如下图所示。上下两弦对称，初为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如下图所示。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，则非线性误差反。通过差频电路测得两弦的频率差，则非线性误差(wch)(wch)大为减小，同大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。可得单根振弦测压力时的灵敏度时提

27、高了灵敏度、减小了温度的影响。可得单根振弦测压力时的灵敏度k k为为第39页/共64页第四十页，共65页。第40页/共64页第四十一页，共65页。n n根据振弦传感器的结构不同，可以有单电磁铁或双电磁铁两种，相应的测量线路根据振弦传感器的结构不同，可以有单电磁铁或双电磁铁两种，相应的测量线路也有区别。也有区别。n n 1 1、连续激发测量电路、连续激发测量电路n n 连续激发测量电路如图所示，这是一个由运算放大器和振弦等元件组成的自激连续激发测量电路如图所示，这是一个由运算放大器和振弦等元件组成的自激振荡器，振弦在回路中起谐振作用。回路中振荡器，振弦在回路中起谐振作用。回路中R3R3和振弦支路

28、形成正反馈，和振弦支路形成正反馈，R1R1、R2R2和和起控制作用的场效应管起控制作用的场效应管BGBG形成负反馈。形成负反馈。R4R4、R5R5、C1C1和二极管和二极管DD组成的支路提供对组成的支路提供对场效应管场效应管BGBG的控制信号。负反馈支路和场效应管控制支路的作用是自动的控制信号。负反馈支路和场效应管控制支路的作用是自动(zdng)(zdng)稳幅，提高激振的可靠性。稳幅，提高激振的可靠性。n n 振荡器的工作频率决定于振弦的谐振频率，当振弦受到张紧力振荡器的工作频率决定于振弦的谐振频率，当振弦受到张紧力T T作用而谐振频作用而谐振频率发生变化时，振荡器的工作频率也随着变化。率发

29、生变化时，振荡器的工作频率也随着变化。第41页/共64页第四十二页，共65页。第42页/共64页第四十三页，共65页。2 2、间歇激发测量电路、间歇激发测量电路 这种电路是间歇地馈送电流给传感器的激振线圈使振弦不断地被激发振动。这种电路是间歇地馈送电流给传感器的激振线圈使振弦不断地被激发振动。一般可用一个张弛振荡器或多谐振荡器和继电器来控制开关。当继电器线圈一般可用一个张弛振荡器或多谐振荡器和继电器来控制开关。当继电器线圈通电时，把传感器与电源接通，于是电流通过通电时，把传感器与电源接通，于是电流通过(tnggu)(tnggu)传感器的激振线圈、传感器的激振线圈、拾振线圈吸住振弦。当继电器线圈

30、不通电时，传感器与电源断开而与放大器拾振线圈吸住振弦。当继电器线圈不通电时，传感器与电源断开而与放大器相接，这时磁铁松开振弦，振弦发生振动，由此产生的感应电势经放大、整相接，这时磁铁松开振弦，振弦发生振动，由此产生的感应电势经放大、整形、然后测量其频率。形、然后测量其频率。第43页/共64页第四十四页，共65页。第44页/共64页第四十五页，共65页。四四 振膜式谐振振膜式谐振(xizhn)传感器传感器第45页/共64页第四十六页，共65页。n n对于上图所示的振膜式传感器，当膜片受压力对于上图所示的振膜式传感器，当膜片受压力p p作用而产生变形时，其等作用而产生变形时，其等效刚度发生变化效刚

31、度发生变化(binhu)(binhu)，膜片的谐振频率，膜片的谐振频率f f变化变化(binhu)(binhu)。n n 膜片受力而产生静挠度，其谐振频率膜片受力而产生静挠度，其谐振频率f f与膜片的中心静挠度与膜片的中心静挠度WpWp的关系可的关系可表示为表示为n n 膜片的中心静挠度膜片的中心静挠度WpWp与均布压力与均布压力p p的关系可表示为的关系可表示为 第46页/共64页第四十七页，共65页。n n式中式中 c1 c1、cc分别为与膜片尺寸、材料有关分别为与膜片尺寸、材料有关(y(y ugun)ugun)的常数；的常数；n n r r、h h、膜片的半径（膜片的半径（mm）、厚度（

32、）、厚度（mm）、泊松比（）、泊松比（mm/mmmm/mm）。）。n n忽略高次项后的线性输入输出关系如下忽略高次项后的线性输入输出关系如下 n n非线性误差非线性误差 为为 n n灵敏度灵敏度k k为为第47页/共64页第四十八页，共65页。五五 振筒式谐振振筒式谐振(xizhn)传感器传感器n n振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器，于振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器，于6060年代末年代末实用。下图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器最早选用的原实用。下图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金理结构。

33、其测量敏感元件是一个由恒弹合金(如如3J53)3J53)制成的带有顶盖的薄制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁心和线圈组成，为尽可能减小它们之壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外间的电磁耦合，在空间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔，被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量壳之间形成真空腔，被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱壳内腔安置了一个起补偿误差，在圆柱壳内腔安置了一个起补偿(b(b chng)chng)作用的感温元件。作用的感温元件。第48

34、页/共64页第四十九页，共65页。第49页/共64页第五十页，共65页。n n采用电磁方式作为激励、拾采用电磁方式作为激励、拾振手段最突出的优点振手段最突出的优点(yudi(yudi n)n)是与壳体无接触，是与壳体无接触，但也有一些不足。如电磁转但也有一些不足。如电磁转换效率低，激励信号中需引换效率低，激励信号中需引入较大的直流分量，磁性材入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定性差，易于产料的长期稳定性差，易于产生电磁耦合等。近来发展了生电磁耦合等。近来发展了一种采用压电激励、压电拾一种采用压电激励、压电拾振的新方案，见下图。压电振的新方案，见下图。压电陶瓷元件直接贴于圆柱壳的陶瓷元件直接贴于

35、圆柱壳的波节处，筒内完全形成真空。波节处，筒内完全形成真空。第50页/共64页第五十一页，共65页。n n对上图所示的振筒式传感器，当筒受压力差对上图所示的振筒式传感器，当筒受压力差p p作用而引起筒上的应力发生作用而引起筒上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率f f变化。根据材料力学可变化。根据材料力学可知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式n n 式中式中 a a、b b、c c 与振子材料物理性质与振子材料物理性质(wl(wl xngzh)xngzh)和结构参数有关的和结构参数有关的常

36、量，可由实验求得，一般系数常量，可由实验求得，一般系数c c很小，故项可忽略。很小，故项可忽略。第51页/共64页第五十二页，共65页。n n当系数当系数a a和和b b满足条件满足条件a=2/(Bf0)a=2/(Bf0)和和b=1/(Bf02)b=1/(Bf02)时，由上式可得时，由上式可得n n式中式中 压差灵敏度系数，与振筒的材料性质及尺寸有关；压差灵敏度系数，与振筒的材料性质及尺寸有关；n n 式中式中 r r、h h、E E 振筒的内半径振筒的内半径(bnjng)(bnjng)（mm）、厚度（）、厚度（mm）、）、泊松比（泊松比（mm/mmmm/mm）、弹性模量（）、弹性模量（PaP

37、a）。）。第52页/共64页第五十三页，共65页。n n可见，振筒式压力传感器的输入压差可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出与输出(shch)(shch)频率之间近似成抛物频率之间近似成抛物线关系，如图所示。线关系，如图所示。n n 传感器的输入输出传感器的输入输出(shch)(shch)特性可近特性可近似成如下线性关系似成如下线性关系n n非线性误差非线性误差 为为 n n灵敏度灵敏度k k为为第53页/共64页第五十四页，共65页。六六 振梁式谐振振梁式谐振(xizhn)传感器传感器n n为了克服振动筒式传感器易受温度与外界磁场的干扰，为了克服振动筒式传感器易受温度与外界磁场的干扰，QQ

38、值还不够值还不够等缺点，人们研制成功了振动梁式压力传感器（又称石英晶体谐等缺点，人们研制成功了振动梁式压力传感器（又称石英晶体谐振器）。这种传感器有许多振器）。这种传感器有许多(x(x du)du)优点：对温度、振动、加速度优点：对温度、振动、加速度等外界干扰不敏感（如灵敏度温漂为等外界干扰不敏感（如灵敏度温漂为410-5%/410-5%/），加速度灵敏），加速度灵敏度是度是810-4%/g810-4%/g），稳定性好、体积小（），稳定性好、体积小（2.544cm2.544cm）、重量轻）、重量轻（约（约0.7kg0.7kg），），QQ值高（高达值高（高达4000040000）、动态响应快（）

39、、动态响应快（103Hz103Hz）等。）等。第54页/共64页第五十五页，共65页。n n下图所示为由石英晶体谐振器构成的振梁式差压传感器。两个相对的波纹管用来接收输入压力P1与P2，作用在波纹管有效(yuxio)面积上的压力差产生一个合力，造成了一个绕支点的力矩，该力矩由石英晶体的拉伸力或压缩力来平衡，这样就改变了晶体的谐振频率。频率的变化是被测压力的单值函数，从而达到了测量目的。第55页/共64页第五十六页，共65页。第56页/共64页第五十七页，共65页。n n对于上图所示的振梁式传感器，当梁受压力对于上图所示的振梁式传感器，当梁受压力(yl)p(yl)p作用而引起梁作用而引起梁上的应

40、力发生变化时，其等效刚度发生变化，使振梁的谐振频率上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，使振梁的谐振频率f f变化。谐振频率变化。谐振频率f f与压力与压力(yl)p(yl)p的关系可表示为的关系可表示为n n 式中式中 a a、bb由振子材料物理特性和结构尺寸决定的常量。由振子材料物理特性和结构尺寸决定的常量。第57页/共64页第五十八页，共65页。n n近似得到线性输入输出特性(txng)如下 n n n n 这时，它的非线性误差为n n n n 灵敏度k为第58页/共64页第五十九页，共65页。七七 压电式谐振压电式谐振(xizhn)传感器传感器n n如图所示为压力传感器所用的石英振子

41、如图所示为压力传感器所用的石英振子的结构原理图。它是采用的结构原理图。它是采用(c(c iyng)iyng)厚厚度切变振动模式度切变振动模式ATAT切型石英晶体制成，切型石英晶体制成，用一整块石英加工出振子和圆筒，空腔用一整块石英加工出振子和圆筒，空腔被抽成真空，振子两边有一对电极与外被抽成真空，振子两边有一对电极与外电路连接组成振荡电路。由端盖密封的电路连接组成振荡电路。由端盖密封的石英圆筒有效地传递振子周围的压力。石英圆筒有效地传递振子周围的压力。第59页/共64页第六十页，共65页。n n石英振子固有谐振频率石英振子固有谐振频率f0f0为为n n n n 式中式中 、E66E66石英振子

42、的密度（石英振子的密度（kg/m3kg/m3）、切变模量（）、切变模量（PaPa）。）。n n 其中，其中，E66E66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p p作作用时，则引起用时，则引起(y(y nqnq)振子上应力发生变化而使振子的谐振频率振子上应力发生变化而使振子的谐振频率f f变变化，而频率化，而频率f f的变化与所加压力的变化与所加压力p p呈线性关系，这种静应力呈线性关系，这种静应力频移效频移效应主要是应主要是E662E662随压力随压力p p线性变化变化而产生的。线性变化变化而产生的。第60页/共64页第六十一页，共65页。八

43、八 应用应用(yngyng)举例举例n n振膜式压力传感器振膜式压力传感器n n 图示为振膜式压力传感器原理结构。平膜图示为振膜式压力传感器原理结构。平膜片片(振子振子)2)2与环状壳体与环状壳体4 4做成整体结构，它与做成整体结构，它与基座基座7 7焊接形成密封压力室。被测压力焊接形成密封压力室。被测压力p p通过通过导管导管8 8进入压力室进入压力室5 5内。内。6 6为参考压力腔为参考压力腔(可以可以抽成真空以测绝对压力或通大气以测表压力抽成真空以测绝对压力或通大气以测表压力)。装于基座。装于基座7 7顶部的电磁线圈顶部的电磁线圈(xinqun)3(xinqun)3给膜片以激振力。微型应

44、变片给膜片以激振力。微型应变片1 1粘贴在膜片粘贴在膜片2 2上，它随膜片一起振动并输出一个与膜片谐上，它随膜片一起振动并输出一个与膜片谐振频率相同的信号，则该频率即代表了被测振频率相同的信号，则该频率即代表了被测压力压力p p。第61页/共64页第六十二页，共65页。n n一种用弹性圆环作敏感元件的振梁式力传感器的结构如一种用弹性圆环作敏感元件的振梁式力传感器的结构如图。它的测力范围为图。它的测力范围为107N107N，故有频率动态范围为，故有频率动态范围为50Hz50Hz，故可测静态力和准静态力。这种传感器有两个振动系统：故可测静态力和准静态力。这种传感器有两个振动系统：一个是由振梁一个是

45、由振梁3 3、激振器、激振器2 2、拾振器、拾振器4 4和放大振荡电路和放大振荡电路5 5组组成，用来测量力成，用来测量力F F。当力。当力F F使弹性圆环受压时，振梁被拉使弹性圆环受压时，振梁被拉伸使张力增加，固有振荡频率增高。另一个振动系统是伸使张力增加，固有振荡频率增高。另一个振动系统是由振杆由振杆8 8、激振器、激振器9 9、拾振器、拾振器7 7和放大振荡电路和放大振荡电路6 6组成。圆组成。圆环环1 1受压时振杆的张力没有变化受压时振杆的张力没有变化(binhu)(binhu)，故其振动频，故其振动频率也没有变化率也没有变化(binhu)(binhu)。它的作用只是起温度补偿作用。它

46、的作用只是起温度补偿作用。由于这种传感器只有单根振梁，因此非线性误差较大，由于这种传感器只有单根振梁，因此非线性误差较大，当频率变化当频率变化(binhu)10%(binhu)10%时，就有时，就有3%3%5%5%的非线性误差。的非线性误差。第62页/共64页第六十三页，共65页。n n如图所示是由石英晶体谐振器如图所示是由石英晶体谐振器构成的振梁式压差传感器。两构成的振梁式压差传感器。两个相对的波纹管个相对的波纹管1 1用来实现压力用来实现压力差的传递，采用杠杆差的传递，采用杠杆3 3形成形成(xngchng)(xngchng)绕支点绕支点4 4的力矩并的力矩并传递给力敏石英振子传递给力敏石英振子7 7，它受拉，它受拉伸或压缩力作用后改变了晶体伸或压缩力作用后改变了晶体的谐振频率。通过改变杠杆臂的谐振频率。通过改变杠杆臂比以及波纹管的截面积和配重比以及波纹管的截面积和配重6 6来选择合适的压力来选择合适的压力频率转换频率转换关系。壳体关系。壳体2 2所包围的空间所包围的空间5 5抽抽成真空。成真空。第63页/共64页第六十四页，共65页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第64页/共64页第六十五页，共65页。