數(shù)字式傳感器最新課件

1、 第十章第十章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 諧振式傳感器諧振式傳感器10.1 10.1 原理與類型原理與類型 10.2 10.2 特性和設計要點特性和設計要點10.3 10.3 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 10.4 10.4 應用舉例應用舉例 數(shù)字式傳感器最新310.1 10.1 原理與類型原理與類型n諧振式傳感器是直接將諧振式傳感器是直接將被測量變化被測量變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為物物體諧振頻率體諧振頻率變化的裝置，故也稱為變化的裝置，故也稱為頻率式傳頻率式傳感器。感器。n輸出信號為數(shù)字信號。輸出信號為數(shù)字信號。數(shù)字式傳感器最新410.110.1原理與類型原理與類型n特點：特點： 1. 1.諧振式傳感器因輸出為頻

2、率信號而具有諧振式傳感器因輸出為頻率信號而具有高精度高精度、高分辨率高分辨率、高抗干擾能力高抗干擾能力、適于長距離傳輸適于長距離傳輸、能能直接與數(shù)字設備相連接直接與數(shù)字設備相連接的優(yōu)點；的優(yōu)點； 2.2.因無活動部件而具有高穩(wěn)定性和高可靠性，并因無活動部件而具有高穩(wěn)定性和高可靠性，并可能制造出可能制造出精度極高的傳感器精度極高的傳感器( (目前可以做到精度目前可以做到精度超過超過萬分之一萬分之一) )。n缺點：缺點： 要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復雜，所以生產(chǎn)周要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復雜，所以生產(chǎn)周期長，期長，成本較高成本較高, ,價格貴價格貴。另外，其輸出頻率與被。另外，其輸出頻率與被測量

3、往往是非線性關系，需測量往往是非線性關系，需進行線性化處理進行線性化處理才能才能保證良好的精度。保證良好的精度。數(shù)字式傳感器最新510.110.1原理與類型原理與類型n種類：種類： 按照諧振的原理可分為：電的、機械的和原按照諧振的原理可分為：電的、機械的和原子的三類。子的三類。n這里分析這里分析機械式諧振傳感器。機械式諧振傳感器。數(shù)字式傳感器最新610.1 10.1 原理與類型原理與類型n工作核心：工作核心： 將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機械諧振將被測量轉(zhuǎn)換為物體的機械諧振頻率頻率，其，其中中振動部分被稱為振子振動部分被稱為振子。n應用：應用： 測量力、壓力、位移、加速度、扭矩、密測量力、壓力、位移、

4、加速度、扭矩、密度、液位等。度、液位等。 它主要用于航空、航天、計量、氣象、地質(zhì)、它主要用于航空、航天、計量、氣象、地質(zhì)、石油等行業(yè)中。石油等行業(yè)中。數(shù)字式傳感器最新7機械振子的基本類型機械振子的基本類型數(shù)字式傳感器最新8振弦式數(shù)字式傳感器最新9振筒式數(shù)字式傳感器最新10振梁式數(shù)字式傳感器最新11數(shù)字式傳感器最新12數(shù)字式傳感器最新13n n 差動式振弦傳感器原理差動式振弦傳感器原理數(shù)字式傳感器最新14 電流法電路數(shù)字式傳感器最新15數(shù)字式傳感器最新161.1.基本原理基本原理 振子即機械振動系統(tǒng)的振子即機械振動系統(tǒng)的諧振頻率諧振頻率f f可近似用可近似用下式表示下式表示 ( ( 式中：式中：

5、k k 振子材料的剛度；振子材料的剛度；meme振振子的等效振動質(zhì)量。子的等效振動質(zhì)量。數(shù)字式傳感器最新17 基本工作原理：基本工作原理： 振子的諧振頻率振子的諧振頻率f f與其剛度與其剛度k k和等效振動質(zhì)量和等效振動質(zhì)量meme有有關，設其初始諧振頻率為關，設其初始諧振頻率為f f0 0。那么，如果振子受力。那么，如果振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，則導致振子的等效或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化，則導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。發(fā)生變化。 變化之間的關系一般是非線性的。變化之間的關系一般是非線性的。數(shù)字式傳感

6、器最新18n工作過程：工作過程： 要使振子產(chǎn)生振動，就要外加激振力要使振子產(chǎn)生振動，就要外加激振力( (激振激振元件元件) )，要測量振子的振動頻率則需要拾振，要測量振子的振動頻率則需要拾振元件，它們之間的關系元件，它們之間的關系如圖所示如圖所示。由激振元。由激振元件激發(fā)振子振動，由拾振元件檢測振子的振件激發(fā)振子振動，由拾振元件檢測振子的振動頻率，另外將此信號經(jīng)放大后輸送到激振動頻率，另外將此信號經(jīng)放大后輸送到激振元件中形成閉環(huán)系統(tǒng)，以維持振子持續(xù)振動。元件中形成閉環(huán)系統(tǒng)，以維持振子持續(xù)振動。數(shù)字式傳感器最新19n2.2.類型類型 1) 1)結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)形式： 圖所示為常見的圖所示為常見的a

7、 a張絲狀、張絲狀、b b膜片狀、膜片狀、c c筒狀、筒狀、d d梁狀等。因此相應的有振動弦式、振動膜梁狀等。因此相應的有振動弦式、振動膜式、振動筒式、振動梁式等諧振傳感器之分。式、振動筒式、振動梁式等諧振傳感器之分。數(shù)字式傳感器最新20n材料材料: : 1.1.通常振子的材料采用諸如通常振子的材料采用諸如鐵鐵鎳恒彈合金等具有鎳恒彈合金等具有恒恒彈性模量的所彈性模量的所謂謂恒模材料恒模材料。但這種材料較易受外但這種材料較易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響。界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響。 2.2.石英晶體石英晶體數(shù)字式傳感器最新21諧振式傳感器的幾種類型諧振式傳感器的幾種類型 機械振子的基本類型數(shù)字

8、式傳感器最新2210.210.2 特性和設計要點特性和設計要點 n1.振弦式諧振傳感器特性振弦式諧振傳感器特性n對于振弦式傳感器，當振弦受張力對于振弦式傳感器，當振弦受張力T T作用時，其等效剛度作用時，其等效剛度發(fā)生變化，振弦的諧振頻率發(fā)生變化，振弦的諧振頻率f f為為 n ( (n n 式中式中 l l-振弦的線密度；振弦的線密度； n l-l-振弦的有效振動長度。振弦的有效振動長度。n當弦的張力增加當弦的張力增加T T時，由上式可得弦的振動頻率時，由上式可得弦的振動頻率f f為為n n 數(shù)字式傳感器最新23n因為因為 T T/ /T T 1 1，所以可將上式中括弧里的項展開為冪級數(shù)，所以

9、可將上式中括弧里的項展開為冪級數(shù)，則上式為則上式為n n (nn單根振弦測壓力時的非線性誤差單根振弦測壓力時的非線性誤差d d 為為 n (nn為了得到良好的線性，常采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖。上下兩為了得到良好的線性，常采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖。上下兩弦對稱，初始張力相等，當被測量作用在膜片上時，兩個弦對稱，初始張力相等，當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，則式中的偶次冪項相抵消，使非線性誤差大為的頻率差，則式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。減小，同時提高

10、了靈敏度、減小了溫度的影響。數(shù)字式傳感器最新24n n 差動式振弦傳感器原理差動式振弦傳感器原理數(shù)字式傳感器最新25n2.2.振膜式諧振傳感器特性振膜式諧振傳感器特性n 當膜片受壓力當膜片受壓力p p作用而產(chǎn)生變形時，其等效剛度發(fā)生變作用而產(chǎn)生變形時，其等效剛度發(fā)生變化，膜片的諧振頻率化，膜片的諧振頻率f f變化。變化。n膜片受力而產(chǎn)生靜撓度，其諧振頻率膜片受力而產(chǎn)生靜撓度，其諧振頻率f f與膜片的中心靜與膜片的中心靜撓度撓度WpWp的關系可表示為的關系可表示為n nn 膜片的中心靜撓度膜片的中心靜撓度WpWp與均布壓力與均布壓力p p的關系可表示為的關系可表示為n n nnn 式中式中 c

11、c1 1、c c為與膜片尺寸、材料有關的常數(shù)；為與膜片尺寸、材料有關的常數(shù)；nr r、h h、m m 膜片的半徑、厚度、泊松比。膜片的半徑、厚度、泊松比。數(shù)字式傳感器最新26輸入輸出特性是近似拋物線的非線性關系。 振膜壓力傳感器輸入輸出特性壓力頻率關系曲線數(shù)字式傳感器最新27n令令 f f= =f f- -f f0 0，將公式兩邊平方之后整理得，將公式兩邊平方之后整理得n nn 通常通常 f f/ /f f0 10 1，所以上式中的偶次項可以忽略。，所以上式中的偶次項可以忽略。實際中實際中( (WpWp/ /h h) 1) 1，而，而c c的值又不大，所以公式中的的值又不大，所以公式中的c c

12、( (WPWP/ /h h)3)3項可以忽略，然后將項可以忽略，然后將WpWp/ /h h代入上式，可得忽略高代入上式，可得忽略高次項后的線性輸入輸出關系如下次項后的線性輸入輸出關系如下n n這時，它的非線性誤差這時，它的非線性誤差d d 為為n n n靈敏度靈敏度k k為為n n 數(shù)字式傳感器最新283.3.振筒式諧振傳感器特性振筒式諧振傳感器特性n當筒受壓力差當筒受壓力差p p作用而引起筒上的應力發(fā)生變化作用而引起筒上的應力發(fā)生變化時，其等效剛度發(fā)生變化，振筒的諧振頻率時，其等效剛度發(fā)生變化，振筒的諧振頻率f f變化。變化。根據(jù)材料力學可知，振動頻率與壓力的關系一般可根據(jù)材料力學可知，振動

13、頻率與壓力的關系一般可以表示成下式以表示成下式n n n式中式中 a a、b b、c c與振子材料物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與振子材料物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關的常數(shù)，可由實驗求得，一般系數(shù)參數(shù)有關的常數(shù)，可由實驗求得，一般系數(shù)c c很小，很小，故故 項可忽略。項可忽略。n 數(shù)字式傳感器最新29 n當系數(shù)當系數(shù)a a和和b b滿足條件滿足條件a a=2/(=2/(BfBf0 0) )和和b b=1/(=1/(BfBf0 02 2) )時，由時，由上式可得上式可得n n式中式中: : 壓差靈敏度系數(shù)，與振筒的壓差靈敏度系數(shù)，與振筒的n材料性質(zhì)及尺寸有關；材料性質(zhì)及尺寸有關；nr r、h h、 、E E 振筒的內(nèi)

14、半徑、厚度、泊振筒的內(nèi)半徑、厚度、泊松比、彈性模量。松比、彈性模量。n 可見，振筒式壓力傳感器的輸入壓差與輸出可見，振筒式壓力傳感器的輸入壓差與輸出頻率之間近似成拋物線關系。頻率之間近似成拋物線關系。數(shù)字式傳感器最新30n由上式得到由上式得到n n因為因為 f f/ /f f0 0 1 1，相比之下，相比之下( ( f f/ /f f0 0) )2 2可忽略，所以該傳感器的輸入輸出特性可近可忽略，所以該傳感器的輸入輸出特性可近似成如下線性關系似成如下線性關系n n這時，它的非線性誤差這時，它的非線性誤差d d 為為n n靈敏度靈敏度k k為為n 數(shù)字式傳感器最新31n四、振梁式諧振傳感器特性四

15、、振梁式諧振傳感器特性n對石英振梁式傳感器，當梁受壓力對石英振梁式傳感器，當梁受壓力p p作用而引起梁上的應力發(fā)生變作用而引起梁上的應力發(fā)生變化時，其等效剛度發(fā)生變化，使振梁的諧振頻率化時，其等效剛度發(fā)生變化，使振梁的諧振頻率f f變化。諧振頻率變化。諧振頻率f f與與壓力壓力p p的關系可表示為的關系可表示為n (8-17)(8-17)n式中式中 a a、b b由振子材料物理特性和結(jié)構(gòu)尺寸決定的常數(shù)。由振子材料物理特性和結(jié)構(gòu)尺寸決定的常數(shù)。n 可見，振梁式諧振傳感器的輸入輸出特性與圖可見，振梁式諧振傳感器的輸入輸出特性與圖8-58-5所示的拋物所示的拋物線相同。線相同。n 忽略了高次項忽略了

16、高次項( ( f f/ /f f0 0) )之后，近似得到線性輸入輸出特性如之后，近似得到線性輸入輸出特性如下下n n這時，它的非線性誤差這時，它的非線性誤差 為為n (8-19)(8-19)n靈敏度靈敏度k k為為n ( (8-20)數(shù)字式傳感器最新32n五、壓電式諧振傳感五、壓電式諧振傳感器特性器特性n圖示出壓力傳感器所用的石英振子的結(jié)構(gòu)原理圖。它是采用厚度切變振動模式AT切型石英晶體制成，用一整塊石英加工出振子和圓筒，空腔被抽成真空，振子兩邊有一對電極與外電路連接組成振蕩電路。由端蓋密封的石英圓筒有效地傳遞振子周圍的壓力。 壓敏石英振子結(jié)構(gòu)原理圖數(shù)字式傳感器最新33n石英振子固有諧振頻率

17、f0為n (8-21)n式中 、E66石英振子的密度、切變模量。n其中， E66對頻率的影響起主導作用。當石英振子受靜態(tài)壓力p作用時，則引起振子上應力發(fā)生變化而使振子的諧振頻率f變化，而頻率f的變化與所加壓力p呈線性關系，這種靜應力頻移效應主要是E66隨壓力p變化而產(chǎn)生的。數(shù)字式傳感器最新34n六、設計要點六、設計要點n諧振式傳感器的振子是把被測量的變化轉(zhuǎn)換為諧振式傳感器的振子是把被測量的變化轉(zhuǎn)換為頻率變化的關鍵元件，它對傳感器的精度、靈敏頻率變化的關鍵元件，它對傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性等有很大影響，因此對它的設計要求度和穩(wěn)定性等有很大影響，因此對它的設計要求較高，主要可從下述幾個方面進行

18、考慮。較高，主要可從下述幾個方面進行考慮。n( (一一) )減小非線性減小非線性n 由上面特性分析可知，諧振式傳感器的特性由上面特性分析可知，諧振式傳感器的特性曲線幾乎都是非線性的。選擇合適的工作點和最曲線幾乎都是非線性的。選擇合適的工作點和最佳工作頻段對減小非線性非常重要。為獲得較高佳工作頻段對減小非線性非常重要。為獲得較高的測量精度，必須在轉(zhuǎn)換電路中進行非線性校正。的測量精度，必須在轉(zhuǎn)換電路中進行非線性校正。對振弦式傳感器可采用差動式結(jié)構(gòu)來減小非線性，對振弦式傳感器可采用差動式結(jié)構(gòu)來減小非線性，同時也減小了溫度等外界環(huán)境的影響，并提高了同時也減小了溫度等外界環(huán)境的影響，并提高了靈敏度。靈敏

19、度。數(shù)字式傳感器最新35n六、設計要點六、設計要點n( (二二) ) 提高靈敏度提高靈敏度n根據(jù)上面?zhèn)鞲衅魈匦苑治?，可通過適當根據(jù)上面?zhèn)鞲衅魈匦苑治觯赏ㄟ^適當選擇下面振子有關參數(shù)來提高靈敏度：密度、選擇下面振子有關參數(shù)來提高靈敏度：密度、彈性模量、泊松比等材料物理特性參數(shù)；厚彈性模量、泊松比等材料物理特性參數(shù)；厚度、半徑、長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；初始諧振頻率，度、半徑、長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；初始諧振頻率，預加載荷等。預加載荷等。數(shù)字式傳感器最新36n( (三三) ) 提高穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性n首先應選擇強度高、參數(shù)穩(wěn)定的振子材料，如首先應選擇強度高、參數(shù)穩(wěn)定的振子材料，如振弦材振弦材料可選擇鎢絲、鍍銀的石英絲

20、、琴鋼絲料可選擇鎢絲、鍍銀的石英絲、琴鋼絲等，又如振筒等材等，又如振筒等材料可選擇具有料可選擇具有橫彈性模量的鐵鎳橫彈合金橫彈性模量的鐵鎳橫彈合金等。等。n振子振子Q(=Q(=f f0/D 0/D f f) )值代表了振子的值代表了振子的頻率選擇性頻率選擇性，它越大，它越大，諧振頻率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作也越穩(wěn)定，抗外界諧振頻率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作也越穩(wěn)定，抗外界干擾的能力越強，其重復性也就越好。要求干擾的能力越強，其重復性也就越好。要求Q Q值高，必須提值高，必須提高振子的固有頻率高振子的固有頻率f f0 0，也就必須采用高彈性模量、大剛度、，也就必須采用高彈性模量、大剛度、小質(zhì)量

21、的振子材料。小質(zhì)量的振子材料。n盡量盡量提高材料的彈性極限提高材料的彈性極限，保證在最大載荷下，材料，保證在最大載荷下，材料彈性變形為材料彈性極限的彈性變形為材料彈性極限的1/3 1/21/3 1/2以下；要求振子抗以下；要求振子抗蠕變能力好、殘余應力小，為此必須進行下面兩種處理：蠕變能力好、殘余應力小，為此必須進行下面兩種處理：低溫時效低溫時效后，加載超過彈性極限，然后中溫回火，則完后，加載超過彈性極限，然后中溫回火，則完成了形變處理；成了形變處理；形變處理形變處理后，再在后，再在-70 -80-70 -80 C C的冰的冰箱內(nèi)冷凍箱內(nèi)冷凍4 4小時，則完成了冰冷處理。小時，則完成了冰冷處理

22、。n 結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上最好作成一體的最好作成一體的，否則振子與其它部分的連接，否則振子與其它部分的連接必須具有很強的抗滑能力。必須具有很強的抗滑能力。n數(shù)字式傳感器最新37n( (四四) ) 減小溫度誤差減小溫度誤差n由于構(gòu)成傳感器的材料受溫度影響，均將產(chǎn)由于構(gòu)成傳感器的材料受溫度影響，均將產(chǎn)生溫度變形，造成輸出信號的不穩(wěn)定。為減小溫生溫度變形，造成輸出信號的不穩(wěn)定。為減小溫度的影響，可采取下面措施：度的影響，可采取下面措施：n采用零溫度系數(shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的采用零溫度系數(shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的材料，而且其彈性模量受溫度影響??；采用線路材料，而且其彈性模量受溫度影響??；采用線路補償；采取恒

23、溫措施；傳感器設計成封閉系統(tǒng)，補償；采取恒溫措施；傳感器設計成封閉系統(tǒng)，使傳感器機械結(jié)構(gòu)自身達到熱補償；對因溫度變使傳感器機械結(jié)構(gòu)自身達到熱補償；對因溫度變化而影響振子諧振頻率變化的傳感器部分，通過化而影響振子諧振頻率變化的傳感器部分，通過選取適當?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。選取適當?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。n另外，振子材料應具有良好的導磁性和導電另外，振子材料應具有良好的導磁性和導電性，因為振子是激振磁路的一部分，有時還是電性，因為振子是激振磁路的一部分，有時還是電路的一部分。線圈磁鐵一般用路的一部分。線圈磁鐵一般用AlNiCo-5AlNiCo-5硬磁合金，硬磁合金，激振線圈和拾振

24、線圈應垂直放置，以防它們之間激振線圈和拾振線圈應垂直放置，以防它們之間直接耦合。直接耦合。數(shù)字式傳感器最新3810.310.3轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 n諧振式傳感器轉(zhuǎn)換電路就是將與被測量有確諧振式傳感器轉(zhuǎn)換電路就是將與被測量有確定關系的振子諧振頻率轉(zhuǎn)換成定關系的振子諧振頻率轉(zhuǎn)換成電信號電信號的電路。的電路。n激振環(huán)節(jié)：振子起振需要足夠的激勵力；空激振環(huán)節(jié)：振子起振需要足夠的激勵力；空氣阻尼等影響致使振子振動是衰減的，則需氣阻尼等影響致使振子振動是衰減的，則需要一定的激勵力來維持振子振動。因此，轉(zhuǎn)要一定的激勵力來維持振子振動。因此，轉(zhuǎn)換電路中首先應有激振環(huán)節(jié)。換電路中首先應有激振環(huán)節(jié)。 按激勵信號產(chǎn)生

25、的方式可將轉(zhuǎn)換電路分為開按激勵信號產(chǎn)生的方式可將轉(zhuǎn)換電路分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。前者是由一單獨的信號環(huán)式和閉環(huán)式兩種。前者是由一單獨的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，后者是由測量信號通發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，后者是由測量信號通過反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生激勵信號。過反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生激勵信號。n數(shù)字式傳感器最新39n1.1.開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路n 這種電路也稱為間歇激勵式電路，這種電路也稱為間歇激勵式電路，用于振弦用于振弦式傳感器式傳感器，其原理如圖所示。當張馳振蕩器給出，其原理如圖所示。當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，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

26、振弦，振弦便使磁鐵吸住振弦。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，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)生感應電動勢并經(jīng)繼電器常閉接點輸在線圈中產(chǎn)生感應電動勢并經(jīng)繼電器常閉接點輸出。感應電動勢的頻率即為振弦的固有頻率。由出。感應電動勢的頻率即為振弦的固有頻率。由此可見，線圈兼有激勵和拾振兩種作用。當然，此可見，線圈兼有激勵和拾振兩種作用。當然，也可同時放置兩個線圈，一個只是用于激勵，另也可同時放置兩個線圈，一個只是用于激勵，另一個只是用來拾振，但使傳感器體積增大。一個只是用來拾振，但使傳感器體積增大。數(shù)字式傳感器最新40 間歇激勵式電路原理圖數(shù)字式傳

27、感器最新41 振弦式諧振傳感器轉(zhuǎn)換電路 a) 電路原理框圖 b)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 c)f-V轉(zhuǎn)換電路數(shù)字式傳感器最新42n二、閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路二、閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路n這種電路也稱作連續(xù)激勵方式，它是如圖1所示的自激振蕩閉環(huán)正反饋系統(tǒng)。為使傳感器穩(wěn)定工作，在設計和選擇各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和參數(shù)時，應保證振子在激振力作用下能由起振到做等幅振蕩，其頻率即為振子諧振頻率。n在振子結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)已確定，以及激振、拾振元件類型已定的情況下，放大環(huán)節(jié)設計應滿足閉環(huán)正反饋系統(tǒng)的幅值及相位條件，即在起振和穩(wěn)定振動時，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻與相頻特性應滿足：幅頻特性A( )1；相頻特性y( )=2np (n=0、1、2)。這樣，

28、放大環(huán)節(jié)必須設計成要求的非線性特性，其輸入輸出特性如圖2所示。當輸入信號Ui小于Uic時，放大環(huán)節(jié)的倍數(shù)是一個常數(shù)；而當Ui大于Uic時，放大環(huán)節(jié)處于飽和狀態(tài)，輸入增加而輸出不變。n連續(xù)激勵方式根據(jù)激勵環(huán)節(jié)的不同又可分為電流法、電磁法、電荷法三種。 數(shù)字式傳感器最新43放大環(huán)節(jié)的輸入輸出特性 電流法電路數(shù)字式傳感器最新44 諧振式傳感器的電磁法電路壓電式諧振傳感器電路框圖數(shù)字式傳感器最新45數(shù)字式傳感器最新4610.4應用舉例 n1.1.振弦式傳感器振弦式傳感器n振弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、測量范圍大、靈敏度高、測量電路簡單等優(yōu)點，因此廣泛用于大壓力的測量，也可用來測量位移、扭矩、力和加速度

29、等。它的缺點是對傳感器的材料和加工工藝要求很高，精度較低。n（一) 振弦式壓力傳感器n圖8-13示出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(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。n該傳感器的外徑為124mm，高29mm，膜片厚2.5mm，弦長78mm。壓力變化0.1MPa時，頻率變化170Hz。量程為10MP，精度約為 1.5%。數(shù)字式傳感器最新47 振弦式壓力傳感器數(shù)字式傳感器最新48n( (二二) ) 振弦式扭矩傳感器振弦式扭矩傳感器n圖圖8-148

30、-14為振弦式扭矩傳感器原理圖。在為振弦式扭矩傳感器原理圖。在被測軸兩個相鄰截面上裝有兩個套筒體被測軸兩個相鄰截面上裝有兩個套筒體1 1和和2 2，在套筒的凸臺在套筒的凸臺1 1A A、2 2A A和和1 1B B、2 2B B之間夾有兩根之間夾有兩根振弦振弦A A和和B B。當軸轉(zhuǎn)動傳遞扭矩時，軸產(chǎn)生扭。當軸轉(zhuǎn)動傳遞扭矩時，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，兩相鄰的截面間產(chǎn)生一扭轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)變形，兩相鄰的截面間產(chǎn)生一扭轉(zhuǎn)角度，兩個套筒體也隨著轉(zhuǎn)過同一角度，振弦兩個套筒體也隨著轉(zhuǎn)過同一角度，振弦A A和和B B中一根受拉而另一根受壓，引起振弦振動頻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(nèi)，

31、軸的扭轉(zhuǎn)角率的變化。在彈性變形范圍內(nèi)，軸的扭轉(zhuǎn)角與外加扭矩成正比，而振弦振動頻率的平方與外加扭矩成正比，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傳感器輸出的差頻信號的頻率來測量軸所承受的扭矩。受的扭矩。數(shù)字式傳感器最新49n( (三三) ) 振弦式加速度傳感器振弦式加速度傳感器n振弦式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖示于圖振弦式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖示于圖8-158-15中，中，1 1是是固定弦，固定弦，3 3是激振磁鐵。是激振磁鐵。n通過殼體通過殼體7 7上引線孔上引線孔8 8給振弦通以交流電，使質(zhì)量塊給振弦

32、通以交流電，使質(zhì)量塊2 2兩邊振弦兩邊振弦6 6A A、6 6B B產(chǎn)生振動。交流電可通過控制電源調(diào)節(jié)，產(chǎn)生振動。交流電可通過控制電源調(diào)節(jié)，使交流電壓頻率與兩邊振弦的諧振頻率一致。當無加速度使交流電壓頻率與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，作用時，兩邊振弦的諧振頻率相同。當有加速度作用時，質(zhì)量塊受到加速度作用，由慣性力引起振弦的強迫振動，質(zhì)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。兩邊振弦的頻差與加速度成正比。n為了保證這種加速度計的正常工作，需要調(diào)節(jié)振弦為了保證這種加速度計的正常工作，需要調(diào)節(jié)振弦6 6A

33、A、6 6B B的初始張力，使振絲振蕩初始頻率保持不變，這可的初始張力，使振絲振蕩初始頻率保持不變，這可通過調(diào)整兩邊端蓋通過調(diào)整兩邊端蓋4 4與螺釘與螺釘5 5來達到。來達到。n振弦式加速度傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、振弦式加速度傳感器具有靈敏度高、測量范圍大、耐沖擊等特點，不僅可用于火箭、導彈的慣性導航系統(tǒng)中，耐沖擊等特點，不僅可用于火箭、導彈的慣性導航系統(tǒng)中，也可用于航空與地面重力測量、地震測量、爆破振動與地也可用于航空與地面重力測量、地震測量、爆破振動與地基振動測量，它比通常的擺式加速度計更優(yōu)越基振動測量，它比通常的擺式加速度計更優(yōu)越。數(shù)字式傳感器最新50振弦式扭矩傳感器原理圖 振弦

34、式加速度計原理圖數(shù)字式傳感器最新51n2.振膜式壓力傳感器振膜式壓力傳感器n振膜式壓力傳感器具有很好的穩(wěn)定性、重復性和較高的分辨率(一般可達0.3 0.5kPa/Hz)。精度可達0.01%，重復性可達十萬分之幾的數(shù)量級，長期穩(wěn)定性可達每年0.01 0.02%，這些優(yōu)異性能是一般模擬輸出的壓力傳感器所不能比擬的。因此振膜式壓力傳感器用于航空航天技術(shù)中來測量大氣參數(shù)(靜壓及動壓)，并通過計算機可測出飛行速度、飛行高度等飛行參數(shù)；它還常用來做標準計量儀器標定其它壓力傳感器或壓力儀表。此外，它也可以測液體密度、液位等參數(shù)。n圖8-16所示為振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)。平膜片(振子)2與環(huán)狀殼體4做成整體

35、結(jié)構(gòu)，它與基座7焊接形成密封壓力室。被測壓力p通過導管8進入壓力室5內(nèi)。6為參考壓力腔(可以抽成真空以測絕對壓力或通大氣以測表壓力)。裝于基座7頂部的電磁線圈3給膜片以激振力。微型應變片1粘貼在膜片2上，它隨膜片一起振動并輸出一個與膜片諧振頻率相同的信號，則該頻率即代表了被測壓力p。n另一種振膜式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示于圖8-17。空腔1的一側(cè)的壓力膜片2的支架上固定著振動膜片4。被測壓力p進入空腔后，膜片2發(fā)生變形，支架角度改變，使振動膜片4張緊、剛度變化，其固有頻率發(fā)生改變。在4的上、下分別裝有激振線圈5和拾振線圈3。6為放大振蕩電路。數(shù)字式傳感器最新52 振膜式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)振膜式壓力傳

36、感器原理結(jié)構(gòu)數(shù)字式傳感器最新53n3.振筒式傳感器振筒式傳感器n振筒式傳感器的優(yōu)點是遲滯誤差和漂移誤差小，穩(wěn)定性好，分辨率高以及輕便、成本低。它主要用于測量氣體的壓力和密度等。n(一) 振筒式壓力傳感器n其結(jié)構(gòu)原理如圖8-18所示。振筒7是一個薄壁金屬圓筒，圓筒壁厚通常為0.070.12mm，其一端與底座2相固定，另一端密封可以自由運動。圓筒材料必須是能夠構(gòu)成閉合磁回路的磁性材料。外保護筒6用來防止外磁場的干擾并起機械保護作用。振筒和外保護筒之間為真空室，作為參考標準。n振筒按電磁系統(tǒng)振動模式工作，激振線圈5和拾振線圈8分別通過振筒形成閉合磁路。為防止它們之間直接耦合，兩線圈相隔一定距離垂直地

37、放置在支柱3上。1是線圈的引線孔，4是激磁線圈的磁芯。n當被測壓力p通過壓力入口10進入筒內(nèi)壁時，筒在p的作用下產(chǎn)生變形，結(jié)果導致其諧振頻率發(fā)生變化。振筒在激振線圈5作用下振動時，筒壁與永磁棒9之間的間隙隨之變化，則在拾振線圈8中形成感生電勢，其頻率即為振筒振動頻率。振筒式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)數(shù)字式傳感器最新54n三、振筒式傳感器三、振筒式傳感器n振筒式傳感器的優(yōu)點是遲滯誤差和漂移誤差小，穩(wěn)定振筒式傳感器的優(yōu)點是遲滯誤差和漂移誤差小，穩(wěn)定性好，分辨率高以及輕便、成本低。它主要用于測量氣體的性好，分辨率高以及輕便、成本低。它主要用于測量氣體的壓力和密度等。壓力和密度等。n(一一) 振筒式壓力傳感器

38、振筒式壓力傳感器n其結(jié)構(gòu)原理如圖其結(jié)構(gòu)原理如圖8-18所示。振筒所示。振筒7是一個薄壁金屬圓筒，是一個薄壁金屬圓筒，圓筒壁厚通常為圓筒壁厚通常為0.070.12mm，其一端與底座，其一端與底座2相固定，另一相固定，另一端密封可以自由運動。圓筒材料必須是能夠構(gòu)成閉合磁回路端密封可以自由運動。圓筒材料必須是能夠構(gòu)成閉合磁回路的磁性材料。外保護筒的磁性材料。外保護筒6用來防止外磁場的干擾并起機械保用來防止外磁場的干擾并起機械保護作用。振筒和外保護筒之間為真空室，作為參考標準。護作用。振筒和外保護筒之間為真空室，作為參考標準。n振筒按電磁系統(tǒng)振動模式工作，激振線圈振筒按電磁系統(tǒng)振動模式工作，激振線圈5和拾振線和拾振線圈圈8分別通過振筒形成閉合磁路。為防止它們之間直接耦合，分別通過振筒形成閉合磁路。為防止它們之間直接耦合，兩線圈相隔一定距離垂直地放置在支柱兩線圈相隔一定距離垂直地放置在支柱3上。上。1是線圈的引線是線圈的引線孔，孔，4是激磁線圈