傳感器 第十章 諧振式傳感器

傳感器第十章諧振式傳感器第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第十章諧振式傳感器定義：諧振式傳感器是直接將被測量變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的裝置，故也稱為頻率式傳感器。

特點：優(yōu)點：高精度(0.01%)、高分辨率、高抗干擾能力、適于長距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連接、高穩(wěn)定性和高可靠性。缺點：要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以生產(chǎn)周期長，成本較高；輸出頻率與被測量往往是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理。種類：電式、機械式、原子式。第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

外形振筒諧振筒壓力傳感器[～0.015％]

第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)原理與類型機械式諧振傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機械諧振頻率，其中振動部分被稱為振子。一、基本原理振子諧振頻率f：振子諧振頻率f與其剛度k和等效振動質(zhì)量me有關(guān)，設(shè)其初始諧振頻率為f0。k——振子材料的剛度；me——振子的等效振動質(zhì)量。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月如果振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，則導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。諧振式傳感器的組成振子；激振元件：對振子施加激振力；拾振元件：測量振子的振動頻率。激振元件振子拾振元件放大器被測量頻率輸出第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、類型機械振子的結(jié)構(gòu)：張絲狀、膜片狀、筒狀、梁狀。材料：鐵鎳恒彈合金；石英晶體（振膜或振梁，分扁平形、平凸形、雙凸形）等。諧振式傳感器類型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、振弦式諧振傳感器振弦受張力T作用，其等效剛度發(fā)生變化，諧振頻率f為ρl——振弦的線密度；l——振弦的有效振動長度。第二節(jié)特性第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月張力增加ΔT，振弦的振動頻率變?yōu)橐驗棣/T<<1，所以可將上式中括弧里的項展開為冪級數(shù)，則上式為單根振弦測壓力時的非線性誤差δ為

第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月為了得到良好的線性，常采用差動式結(jié)構(gòu)。上下兩弦對稱，初始張力相等，當(dāng)被測量作用在膜片上時，兩個弦張力變化大小相等、方向相反。通過差頻電路測得兩弦的頻率差，則式(9-3)中的偶次冪項相抵消，使非線性誤差大為減小，同時提高了靈敏度、減小了溫度的影響。

第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、振膜式諧振傳感器第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三、振筒式諧振傳感器第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月四、振梁式諧振傳感器第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月五、壓電式式諧振傳感器特點：振子和圓筒由一整塊石英加工；空腔為真空；振子兩邊一對電極連接外電路組成振蕩電路。原理：靜態(tài)壓力p→靜應(yīng)力→切變模量E66→固有頻率f0公式：第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、開環(huán)電路（間歇激勵式電路）第三節(jié)轉(zhuǎn)換電路第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：當(dāng)張馳振蕩器給出激勵脈沖時，繼電器吸合，電流通過磁鐵線圈，使磁鐵吸住振弦。脈沖停止后松開振弦，振弦便自由振動、與線圈磁鐵的間隙就周期性地變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并經(jīng)繼電器常閉接點輸出。感應(yīng)電動勢的頻率即為振弦的固有頻率。線圈兼有激勵和拾振兩種作用。

第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月為提高線性度，采用圖10-8，以f2為電路輸出。第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、振弦式傳感器振弦式壓力傳感器可測對象：地層壓力；工作原理：測量時，底座11上的膜片2和所要測量的地層面直接接觸，地層壓力變化，膜片便受壓力發(fā)生撓曲，帶動兩個支架10向兩側(cè)拉開，振弦3被拉緊，改變了振弦的頻率，根據(jù)頻率變化測定膜片所受壓力的大小。

第四節(jié)應(yīng)用實例第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月振弦式錨索傳感器測量錨索/錨桿加載或長期工作時的應(yīng)力變化；工作原理：承壓筒載荷轉(zhuǎn)換為筒體應(yīng)變。

第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、振膜式壓力傳感器性能優(yōu)異：高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和較高靈敏度（0.3~0.5kPa/Hz）；測量精度可達(dá)0.01%，重復(fù)性達(dá)十萬分之幾，穩(wěn)定性每年0.01%~0.02%。應(yīng)用：航空航天領(lǐng)域測大氣參數(shù)（靜壓及動壓）、飛行高度、飛行速度等；標(biāo)準(zhǔn)計量儀器對其他壓力傳感器標(biāo)定。第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1、微型應(yīng)變片2、平膜片(振子)3、電磁線圈4、環(huán)狀殼體5、壓力室6、參考壓力腔7、基座8、導(dǎo)管振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三、振筒式傳感器測量對象：氣體的壓力和密度。振筒式壓力傳感器第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月拾振器諧振敏感元件激勵器第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月振管式密度傳感器（單管式）雙管式密度傳感器第26頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月單管式的工作原理：激磁線圈3使振筒振動時，管中的被測介質(zhì)隨之振動，介質(zhì)質(zhì)量必然附加在筒的質(zhì)量上，結(jié)果系統(tǒng)諧振頻率被改變并由拾振線圈4檢測。介質(zhì)密度不同使系統(tǒng)諧振頻率不同，由此可確定介質(zhì)密度值，這就是它的工作原理。單管式的缺點：管子被固定的兩端對固定塊有一反作用力，將引起基座的運動，結(jié)果改變了系統(tǒng)的諧振頻率，導(dǎo)致測量誤差。第27頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月雙管式的特點：兩根管子的振動頻率相同但方向相反，因此它們對固定基座的作用相互抵消，不會引起基座的運動，從而提高了振動管振動頻率的穩(wěn)定性。被測介質(zhì)流過傳感器的兩根平行的振動管，