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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传 感 器（第5版）,哈尔滨工业大学 唐文彦 主编,第一节 原理与类型 第二节 应用举例,第十章 谐振式传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,返回主目录,定义：谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率变化的装置，故也称为频率式传感器。 特点： 优点：高精度(0.01%)、高分辨率、高抗干扰能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接 、高稳定性和高可靠性 。 缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期长，成本较高 ；输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理 。 种类：电式、机械式、原子式。,第十章 谐振式传感器,机械式谐振
2、传感器将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中振动部分被称为振子。 一、基本原理 振子谐振频率f： 振子谐振频率f与其刚度k和等效振动质量me有关，设其初始谐振频率为f0。 如果振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，从而使其谐振频率发生变化。,k振子材料的刚度； me振子的等效振动质量。,第一节 原理与类型,第十章 谐振式传感器,谐振式传感器的组成 振子； 激振元件：对振子施加激振力； 拾振元件：测量振子的振动频率。,第一节 原理与类型,二、类型 机械振子的结构：张丝状、膜片状、筒状、梁状。 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
3、凸形）等。 谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式、压电式等。,第一节 原理与类型,图10-2 机械振子的基本类型,（一）振弦式谐振传感器 振弦受张力T作用，其等效刚度发生变化，谐振频率f为 张力增加T，振弦的振动频率变为,l振弦的线密度； l振弦的有效振动长度。,第一节 原理与类型,因为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 单根振弦测压力时的非线性误差为,第一节 原理与类型,为了得到良好的线性，常采用差动式结构。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、方向相反。通过差频电路测得两弦的频率差，则式(10-3)中的偶次幂项相抵消
4、，使非线性误差大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。,第一节 原理与类型,图10-3 差动式振弦传感器原理,（二）振膜式谐振传感器,第一节 原理与类型,（三）振筒式谐振传感器,第一节 原理与类型,（四）振梁式谐振传感器,第一节 原理与类型,（五）压电式式谐振传感器 特点：振子和圆筒由一整块石英加工；空腔为真空；振子两边一对电极连接外电路组成振荡电路。 原理：静态压力p静应力切变模量E66固有频率f0 公式：,第一节 原理与类型,图10-6 压敏石英振子结构原理图,一、典型的谐振式传感器 （一）振弦式力传感器 测量锚索/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
5、。,第二节 应用举例,第十章 谐振式传感器,（二）振膜式压力传感器 性能优异： 高的稳定性、重复性和较高灵敏度（0.30.5kPa/Hz）； 测量精度可达0.01%，重复性达十万分之几，稳定性每年0.01% 0.02% 。 应用： 航空航天领域测大气参数（静压及动压）、飞行高度、飞行速度等； 标准计量仪器对其他压力传感器标定。,1、微型应变片 2、平膜片(振子)3、电磁线圈 4、环状壳体5、压力室6、参考压力腔 7、基座8、导管,图10-8 振膜式压力传感器原理结构,第二节 应用举例,（三）振筒式传感器 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。 测量对象：气体的压力和密
6、度。,图10-9 振管式密度传感器（单管式）,图10-10 双管式密度传感器,第二节 应用举例,单管式的工作原理：激磁线圈3使振筒振动时，管中的被测介质随之振动，介质质量必然附加在筒的质量上，结果系统谐振频率被改变并由拾振线圈4检测。介质密度不同使系统谐振频率不同，由此可确定介质密度值，这就是它的工作原理。 单管式的缺点：管子被固定的两端对固定块有一反作用力，将引起基座的运动，结果改变了系统的谐振频率，导致测量误差。,第二节 应用举例,双管式的特点： 两根管子的振动频率相同但方向相反，因此它们对固定基座的作用相互抵消，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。 被测介质流过传感器的
7、两根平行的振动管，管子的端部固定在一起，形成一个振动单元。 振动管与外部管道采用软性联结(如波纹管)，以防止外部管道的应力和热膨胀对管子振动频率的影响。 激振线圈和拾振线圈放在两根管子中间，管子以横向模式振动，通常是一次振型，如图中虚线所示。,第二节 应用举例,（四）振梁式压力传感器 测力范围10e7N，固有频率动态范围为50Hz,故可测静态力和准静态力； 包含两个振动系统； 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10%，就有3%5%的非线性误差。,第二节 应用举例,（五）压电谐振式压力传感器 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；,第二节 应用举例,
8、图10-12 压电谐振式压差传感器,图10-13 振梁式石英谐振器,图10-14 逆压电效应激励示意图,二、典型的激振方式 （一）开环电路（间歇激励式电路）,第二节 原理与类型,图10-15 间歇激励式电路原理图,工作原理： 当张驰振荡器给出激励脉冲时，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。 脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动、与线圈磁铁的间隙就周期性地变化，在线圈中产生感应电动势并经继电器常闭接点输出。 感应电动势的频率即为振弦的固有频率。 线圈兼有激励和拾振两种作用。,第二节 原理与类型,为提高线性度，以f2为电路输出。,第二节 原理与类型,（二）闭环激振 这种电路也称作连续激励方
9、式，它是如图10-16所示的自激振荡闭环正反馈系统。为使传感器稳定工作，在设计和选择各环节的传递函数和参数时，应保证振子在激振力作用下能由起振到做等幅振荡，其频率即为振子谐振频率。,第二节 原理与类型,图10-16 振弦式谐振传感器原理框图,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,第二节 原理与类型,该方法是由流过振弦的电流产生激振力 在磁场中以速度v运动的导线便产生感生电动势,当横向刚度系数为ct的振弦偏离初始平衡位置，有一个横向位移x时，其弹性力F2=-ct x。由于v=dx/dt ，e2= vBlB ，则由此产生感生电动势,第二节 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LC回路，其谐振频率为,2. 电磁法 该方法是由带有磁钢的电磁线圈产生激励力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式传感器。电磁式激振器将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激励力。当向线圈输入交流电，或交流电加直流电，或半波整流后的脉动电流时，便可产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。,第二节 原理与类型,3. 电荷法 该方法利用晶体逆压电效应产生激振力，石英振子上下表面各覆盖金属层作为电极引入系统反馈环节的输出信号，则振子既是振动体又是激励环节。,第二节 原理与类型,
