振弦式傳感器

8.2.1

工作原理

8.2.2激振裝置

8.2.3振弦傳感器的誤差

8.2.4

振弦式傳感器應用下一頁返回8.2振弦式傳感器振弦式傳感器具有良好的測量特性，它可以做到小于0.1%的非線性特性，0.05%的靈敏度和小于0.01%/℃的溫度誤差。此外，傳感器的結構和測量電路都比較簡單。廣泛應用于精密的壓力、力、扭矩等測量中。上一頁下一頁返回

概述8.2.1

工作原理振弦式傳感器的工作原理如圖8.2.1所示。傳感器是由一根放置在永久磁鐵兩極之間的金屬振弦和振蕩放大電路組成。金屬弦承受著拉力，并且根據(jù)不同的拉力大小和不同長度有著不同的固有振蕩頻率。改變拉力的大小可以得到相應的振弦固有振蕩頻率的變化。在圖8.2.1（b）中，它可以等效為一個并聯(lián)的LC回路。上一頁下一頁返回由于振弦的Q值很高，電路只有在振弦的固有振動頻率上才能滿足振蕩條件。因此，電路的輸出信號頻率就嚴格地控制在振弦的固有振動頻率，而與作用力的大小有關。這樣，就可以通過測量輸出信號的頻率來測量力、壓力、扭矩變形等。圖8.2.1（b）中的R1、R2和場效應管組成負反饋網(wǎng)絡，起著控制起振條件和振蕩幅度的作用，而R4、R5、VD和C控制場效應管的柵極電壓，作為穩(wěn)定輸出信號幅值之用。上一頁下一頁返回

圖8.2.1振弦式傳感器工作原理(a)結構示意(b)電路原理圖上一頁下一頁返回

振弦在電路中可以等效為一個并聯(lián)的LC回路。如圖8.2.1（a），一根有效長度為le的振弦在磁感應強度為B的磁場中振動時，振弦上有感應電動勢e產(chǎn)生和電路i流過。此時，振弦所感受的力為：。它可以分為兩部分：一部分Fc用來克服弦的質量m的慣性，使它獲得運動速度v；另一部分FL用來克服振弦作為一個橫向彈性元件的彈性力。上一頁下一頁返回據(jù)此，可以寫出（8.2.1）（8.2.2）式中，ic為對應于力Fc的電流。感應電動勢e等于（8.2.3）上一頁下一頁返回由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁場中運動相當于電路中電容的作用，其等效電容為：（8.2.4）

當振弦偏離初始平衡位置時，有一個橫向變形位移，它的彈性力為：（8.2.5） 式中，k為振弦的橫向剛度系數(shù)。上一頁下一頁返回根據(jù)以下三式，，和 可得

式中，iL為對應于力FL的電流。上一頁下一頁返回（8.2.6）由式（8.2.6）可以看出，振弦的彈簧作用相當于電路中的電感，其等效電感為振弦上流過的電流i=ic+iL。于是，弦的振動頻率就可以按一般LC回路來計算，即（8.2.8）這個結果與從二階振動系統(tǒng)求得的結果一致。上一頁下一頁返回（8.2.7）

振弦的橫向剛度系數(shù)與弦的張力T的關系為代入式（8.2.8），則弦的振動頻率可以寫成式（8.2.9）可以換算成下式式中，σ為弦內的機械應力；ρ為弦的材料密度；E為弦材料的彈性模量；ε為弦的應變。上一頁下一頁返回（8.2.10）（8.2.9）從式（8.2.10），取f對ε的微分，則得（8.2.11）

式（8.2.11）為振弦的應變靈敏度表達式。上一頁下一頁返回8.3.2

扭矩測量原理

上一頁下一頁返回8.2.2

激振裝置振弦振動有強迫振動、自由振動和自激振動三種方式。圖8.2.2給出了振弦傳感器在自激振動狀態(tài)下的兩種激勵方式的原理圖。（1）磁電式變換器如圖8.2.2a所示。振弦也作為振蕩電路的一部分位于磁場中，當振弦通入電流后就產(chǎn)生振動，并輸出一個信號，經(jīng)放大后又正反饋給振弦使其連續(xù)振動。

圖8.2.2振弦傳感器的自激振動方式原理圖a)磁電式變換器b）電磁式變換器振弦的等效LC諧振回路作為整個振蕩電路中的正反饋網(wǎng)絡，由于振弦對于它的固有振動頻率有著非常尖銳的阻抗特性，電路只在其信號頻率等于振弦的固有振動頻率時才能達到振蕩條件。R1、R2和場效應管組成負反饋網(wǎng)絡，起著控制起振條件和振蕩幅值的作用。R4、R5、DV2和C支路控制場效應管V1的柵極電壓，起穩(wěn)定輸出信號幅值的作用，并為起振創(chuàng)造條件。當電路停振時，輸出信號等于零，場效應管處于零偏壓狀態(tài)，場效應管漏源極對R2的并聯(lián)作用使反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了電路負反饋作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。上一頁下一頁返回

圖8.2.2振弦傳感器的自激振動方式原理圖a)磁電式變換器b）電磁式變換器上一頁下一頁返回

（2）電磁式變換器圖8.2.2b為電磁式變換器的原理圖，其中有兩個磁鋼和兩個線圈。線圈1激勵振弦振動，線圈2拾振并產(chǎn)生感應電動勢。圖中線圈2檢測到的電動勢e被送到放大器輸入端，經(jīng)放大后送到電磁鐵線圈1以補充能量。只要放大器輸出電流能滿足構成振蕩器的振幅和相位條件，振弦由于及時得到恰當?shù)哪芰垦a充將維持連續(xù)振動，振動頻率即為弦的固有頻率。綜上所述，無論是磁電式變換器，還是電磁式變換器，電路輸出信號頻率與作用力的大小有關，可以通過測量輸出信號的頻率來測量作用力。上一頁下一頁返回8.2.3

振弦傳感器的誤差

1.非線性誤差從式可知，振弦式傳感器的輸出信號頻率與作用力的關系是非線性的。當振弦的初始作用力為T0和被測力為ΔT時，其輸出信號頻率從式可得（8.2.12）上一頁下一頁返回8.2.3

振弦傳感器的誤差展開上式，并令，得（8.2.13）

當時，略去高次項，相對非線性誤差δ等于上一頁下一頁返回因此，振弦式傳感器要求有較高的初始頻率，亦即需要施加一定的初始應力。為了滿足線性度的要求，的值必需限制在一定范圍內。為了改善非線性誤差，振弦式傳感器常采用差動工作方式。上一頁下一頁返回

2.溫度誤差振弦傳感器的溫度誤差比較復雜。當溫度從t0變到t1時，由于膨脹系數(shù)的不一致，振弦所受到的預加力和被測力都會發(fā)生變化。因此，溫度變化時將引起傳感器的零點漂移和靈敏度漂移，在傳感器的結構設計中常采用一些補償措施，如采用差動工作方式等。上一頁下一頁返回8.3.4

傳感器輸出特性

1.振弦式壓力傳感器圖8.2.3為測量地層壓力用的振弦式壓力傳感器。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。上一頁下一頁返回8.2.4

振弦式傳感器應用圖8.2.3振弦式壓力傳感器

1-夾緊裝置2-膜片3-振弦4-線圈5-鐵心6-電纜7-絕緣材料8-塞子9-蓋子10-支架

11-底座

2.振弦式扭矩傳感器圖8.2.4為振弦式扭矩傳感器原理圖。當軸轉動傳遞扭矩時，軸產(chǎn)生扭轉形變，兩相鄰的截面間產(chǎn)生一扭轉角度，兩個套筒體也隨著轉過同一角度，振弦A和B中一根受拉而另一根受壓，引起振弦振動頻率的變化。在彈性變形范圍內軸的扭轉角與外加扭矩成正比，而振弦振動頻率的平方差與兩端所受應力成正比。因此，可通過測量傳感器輸出的差頻信號的頻率來測量軸所承受的扭矩。上一頁下一頁返回圖8.2.4扭矩測量裝置原理圖上一頁下一頁返回1、2-套筒1A、2A、1B、2B-套筒的凸臺

A、B-振弦

3.振弦式加速度計圖8.2.5為振弦式加速度計原理圖。對兩邊端蓋4的引線通以交流電可使質量塊2兩邊的振弦6A、6B產(chǎn)生振動。交流電可通過控制電源調節(jié)，使交流電壓的頻率和兩邊振弦的諧振頻率一致。當無加速度作用時，兩邊振弦的諧振頻率相同。當有加速度作用時，質量塊受到加速度作用，由慣性力引起振弦的強迫振動，兩邊振弦的頻差與加速度成正比。上一頁下一頁返回為了保證這種加速度計的正常工作，需要調節(jié)振弦6A、6B的初始張力，使弦絲振蕩頻率保持不變，這可通過調整8.2.5