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1、,8.2.1 工作原理 8.2.2 激振装置 8.2.3 振弦传感器的误差 8.2.4 振弦式传感器应用,下一页,返 回,8.2 振弦式传感器,振弦式传感器具有良好的测量特性，它可以做到小于0.1%的非线性特性，0.05%的灵敏度和小于0.01%/的温度误差。 此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。 广泛应用于精密的压力、力、扭矩等测量中。,上一页,下一页,返 回,概述,8.2.1 工作原理,振弦式传感器的工作原理如图8.2.1所示。 传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属振弦和振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 改变拉力的大小可
2、以得到相应的振弦固有振荡频率的变化。 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。,上一页,下一页,返 回,由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。,上一页,下一页,返 回,图8.2.1 振弦式传感器工作原理 (a) 结构示意 (b)电路原理图,上一
3、页,下一页,返 回,振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。 如图8.2.1（a），一根有效长度为le的振弦在磁感应强度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生和电路i流过。 此时，振弦所感受的力为： 。 它可以分为两部分：一部分Fc用来克服弦的质量m的惯性，使它获得运动速度v；另一部分FL用来克服振弦作为一个横向弹性元件的弹性力。,上一页,下一页,返 回,据此，可以写出 （8.2.1） （8.2.2） 式中，ic为对应于力Fc的电流。感应电动势e等于 （8.2.3）,上一页,下一页,返 回,由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，其等效电容为： （8.2.4
4、） 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变形位移，它的弹性力为： （8.2.5） 式中，k为振弦的横向刚度系数。,上一页,下一页,返 回,根据以下三式 ， ，和 可得 式中，iL为对应于力FL的电流。,上一页,下一页,返 回,（8.2.6）,由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，其等效电感为 振弦上流过的电流i=ic+iL。于是，弦的振动频率就可以按一般LC回路来计算，即 （8.2.8） 这个结果与从二阶振动系统求得的结果一致。,上一页,下一页,返 回,（8.2.7）,振弦的横向刚度系数与弦的张力T的关系为 代入式（8.2.8），则弦的振动频率可以写成 式（8.2.9）
5、可以换算成下式 式中，为弦内的机械应力；为弦的材料密度；E为弦材料的弹性模量；为弦的应变。,上一页,下一页,返 回,（8.2.10）,（8.2.9）,从式（8.2.10），取f对的微分，则得 （8.2.11） 式（8.2.11）为振弦的应变灵敏度表达式。,上一页,下一页,返 回,8.3.2 扭矩测量原理,上一页,下一页,返 回,8.2.2 激振装置,振弦振动有强迫振动、自由振动和自激振动三种方式。 图8.2.2给出了振弦传感器在自激振动状态下的两种激励方 式的原理图。 （1）磁电式变换器 如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，
6、经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。,图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器,振弦的等效LC谐振回路作为整个振荡电路中的正反馈网络，由于振弦对于它的固有振动频率有着非常尖锐的阻抗特性，电路只在其信号频率等于振弦的固有振动频率时才能达到振荡条件。 R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅值的作用。 R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，
7、使回路的正增益大大提高，有利于起振。,上一页,下一页,返 回,图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器,上一页,下一页,返 回,（2）电磁式变换器 图8.2.2b为电磁式变换器的原理图，其中有两个磁钢和两个线圈。线圈1激励振弦振动，线圈2拾振并产生感应电动势。 图中线圈2检测到的电动势e被送到放大器输入端，经放大后送到电磁铁线圈1以补充能量。 只要放大器输出电流能满足构成振荡器的振幅和相位条件，振弦由于及时得到恰当的能量补充将维持连续振动，振动频率即为弦的固有频率。 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器，电路输出信号频率与作用力的大小有关，可
8、以通过测量输出信号的频率来测量作用力。,上一页,下一页,返 回,8.2.3 振弦传感器的误差,1. 非线性误差 从式 可知，振弦式传感器的输出信号频率与作用力的关系是非线性的。 当振弦的初始作用力为T0和被测力为T时，其输出信号频率从式 可得 （8.2.12）,上一页,下一页,返 回,8.2.3 振弦传感器的误差,展开上式，并令 ，得 （8.2.13） 当 时，略去高次项，相对非线性误差等于,上一页,下一页,返 回,因此，振弦式传感器要求有较高的初始频率，亦即需要施加一定的初始应力。 为了满足线性度的要求， 的值必需限制在一定范围内。 为了改善非线性误差，振弦式传感器常采用差动工作方式。,上一
9、页,下一页,返 回,2. 温度误差 振弦传感器的温度误差比较复杂。当温度从t0变到t1时，由于膨胀系数的不一致，振弦所受到的预加力和被测力都会发生变化。 因此，温度变化时将引起传感器的零点漂移和灵敏度漂移，在传感器的结构设计中常采用一些补偿措施，如采用差动工作方式等。,上一页,下一页,返 回,8.3.4 传感器输出特性,1.振弦式压力传感器 图8.2.3为测量地层压力用的振弦式压力传感器。 测量时，底座11上的膜片2和所要测量的地层面直接接触，地层压力变化，膜片便受压力，发生挠曲，带动两个支架10向两侧拉开，振弦3被拉紧，改变了振弦的频率，根据频率变化测定膜片所受压力的大小。,上一页,下一页,
10、返 回,8.2.4 振弦式传感器应用,图8.2.3 振弦式压力传感器 1-夹紧装置 2-膜片 3-振弦 4-线圈 5-铁心 6-电缆 7-绝缘材料 8-塞子 9-盖子 10-支架 11-底座,2.振弦式扭矩传感器 图8.2.4为振弦式扭矩传感器原理图。 当轴转动传递扭矩时，轴产生扭转形变，两相邻的截面间产生一扭转角度，两个套筒体也随着转过同一角度，振弦A和B中一根受拉而另一根受压，引起振弦振动频率的变化。 在弹性变形范围内轴的扭转角与外加扭矩成正比，而振弦振动频率的平方差与两端所受应力成正比。 因此，可通过测量传感器输出的差频信号的频率来测量轴所承受的扭矩。,上一页,下一页,返 回,图8.2.
11、4 扭矩测量装置原理图,上一页,下一页,返 回,1、2-套筒 1A、2A、1B、2B-套筒的凸台 A、B-振弦,3.振弦式加速度计 图8.2.5为振弦式加速度计原理图。 对两边端盖4的引线通以交流电可使质量块2两边的振弦6A、6B产生振动。 交流电可通过控制电源调节，使交流电压的频率和两边振弦的谐振频率一致。 当无加速度作用时，两边振弦的谐振频率相同。 当有加速度作用时，质量块受到加速度作用，由惯性力引起振弦的强迫振动，两边振弦的频差与加速度成正比。,上一页,下一页,返 回,为了保证这种加速度计的正常工作，需要调节振弦6A、6B的初始张力，使弦丝振荡频率保持不变，这可通过调整8.2.5中两边端盖与螺钉来达到。 优点：振弦加速度计具有灵敏性高、测量范围大、耐冲击等特点，不仅可用于火箭、导弹的惯性导航系统中，也可用于航空与地面重力测量、地震测量、爆破振动与地基振动测量，比通常的摆式加速度计更优越。,上一页,下一页,返 回,图8.2.5 振弦式加速度计原理图 1-固定弦 2-质量块 3-激针磁铁 4-端盖 5-螺钉 6A、6B-振弦 7-壳体,上一页,下一页,返 回,
