第0章 諧振式傳感器ppt課件

1、諧振式傳感器v 一 概述v 二 諧振式傳感器的理論基礎(chǔ)v 三 振弦式諧振傳感器v 四 振膜式諧振傳感器v 五 振筒式諧振傳感器v 六 振梁式諧振傳感器v 七 壓電式諧振傳感器v 八 應(yīng)用舉例一 概述v基于諧振技術(shù)的諧振式傳感器，自身為周期信號(hào)輸出準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)），只用簡(jiǎn)單的數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號(hào)。諧振式傳感器的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性等非常優(yōu)良，又便于和微處理器直接結(jié)合組成數(shù)字控制系統(tǒng)，自然成為當(dāng)今人們研究的重點(diǎn)。v諧振式傳感器大體分為兩類：一類是基于機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)諧振式傳感器；另一類是MOS環(huán)振式諧振傳感器。本章主要介紹基于機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的諧振式傳感器。它們可利用振動(dòng)頻率、相位和

2、幅值作為敏感信息的參數(shù)。由于諧振式傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，也適于多種參數(shù)測(cè)量，如壓力、力、轉(zhuǎn)角、流量、溫度、濕度、液位、粘度、密度和氣體成分等，所以這類傳感器已迅速發(fā)展成為一個(gè)新的傳感器家族。二 諧振式傳感器的理論基礎(chǔ) 1 基本結(jié)構(gòu) 2 閉環(huán)自激 3 敏感機(jī)理 4 諧振子的Q值 5 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 6 特征與優(yōu)勢(shì)諧振式傳感器的基本結(jié)構(gòu)1 基本結(jié)構(gòu)v由ERD組成的電 機(jī) 電諧振子環(huán)節(jié)，是諧振式傳感器的核心。適當(dāng)?shù)剡x擇激勵(lì)和拾振手段，構(gòu)成一個(gè)理想的ERD，對(duì)設(shè)計(jì)諧振式傳感器至關(guān)重要。v由ERDA組成的閉環(huán)自激環(huán)節(jié)，是構(gòu)成諧振式傳感器的條件。v由RDO(C)組成的信號(hào)檢測(cè)、輸出環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)被測(cè)量的手段。v實(shí)

3、際應(yīng)用的諧振敏感元件多為彈性敏感元件。在討論其振動(dòng)特性時(shí)，可以用一個(gè)等效的單自由度有阻尼的系統(tǒng)來描述如下圖）。圖中k，m，c分別為等效剛度、等效質(zhì)量和等效阻尼。其自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為：v 式中 ， ， kx分別為系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力，它們分別表征維持系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力、消耗系統(tǒng)能量的程度和改變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。2 閉環(huán)自激單自由度振動(dòng)系統(tǒng) 自由振動(dòng)的解為 代入，有 由于諧振式傳感器使用的振動(dòng)系統(tǒng)總是有振蕩的，故解應(yīng)寫為v式中i為虛數(shù)單位； n為系統(tǒng)的固有頻率，取決于諧振敏感元件的固有特征；為系統(tǒng)的等效阻尼比； d為系統(tǒng)的振蕩頻率。v于是解為v 式中A0， 0由系統(tǒng)的初始條件確定。v

4、由式可知： 增大時(shí)，系統(tǒng)的衰減加快，消耗能量快； 增大時(shí)，系統(tǒng)的振蕩周期增長；當(dāng)0時(shí)，(當(dāng)=0時(shí)， )。這時(shí)系統(tǒng)處于簡(jiǎn)諧振動(dòng)狀態(tài)；振動(dòng)頻率只d與系統(tǒng)的固有狀態(tài)有關(guān)。v當(dāng)系統(tǒng)受到周期激勵(lì)力作用時(shí)，由于周期函數(shù)可以展開為Fourier級(jí)數(shù)，若考慮為時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)方程為：v 該方程的解包括兩部分：一部分是系統(tǒng)初始條件引起的，其運(yùn)動(dòng)形式同上式；另一部分由外界激勵(lì)引起的穩(wěn)態(tài)解，可寫為v式中C0是幅值為B的恒靜力對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的位移；A( )， ( )分別稱為系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。下圖給出了他們的示意圖。v當(dāng) 時(shí)，A( )達(dá)到最大值，有v 這時(shí)系統(tǒng)的相角偏移為v由上面分析可知：諧振式傳感器閉環(huán)自激的頻率點(diǎn)

5、必然接近于諧振敏感元件的固有頻率。下面討論閉環(huán)自激的條件。幅相特性v首先從時(shí)域進(jìn)行分析，見下圖。從信號(hào)激勵(lì)器來考慮，某一瞬時(shí)作用于諧振子上的信號(hào)為，于是信號(hào)檢測(cè)器的輸入信號(hào)滿足v 當(dāng) 時(shí)，u2可寫為：v 當(dāng)u2經(jīng)檢測(cè)器、放大器、激勵(lì)器后，輸出為可寫為v于是滿足下式時(shí)，系統(tǒng)以頻率產(chǎn)生閉環(huán)自激。v v 稱此為系統(tǒng)可自激的時(shí)域幅值、相位條件。v簡(jiǎn)言之，只要放大器能不斷給系統(tǒng)補(bǔ)充由于阻尼所消耗的能量，同時(shí)通過調(diào)節(jié)移相器又能保證在每個(gè)周期同相位迭加，那么該系統(tǒng)就能進(jìn)行等幅自激振蕩。再從復(fù)頻域分析，見圖5-5。其中R(s)，E(s)，A(s)，D(s)分別為諧振子、激勵(lì)器、放大器和拾振器的傳遞函數(shù)，s為拉

6、氏算子。滿足下式時(shí)，系統(tǒng)將以頻率產(chǎn)生閉環(huán)自激。v 時(shí)域分析 頻域分析v稱此為系統(tǒng)可自激的復(fù)頻域幅值、相位條件。以上考慮的是在一點(diǎn)處的閉環(huán)自激條件，對(duì)于諧振式傳感器，應(yīng)在其整個(gè)工作頻率范圍( L， H)內(nèi)均滿足閉環(huán)自激條件。這就給設(shè)計(jì)傳感器的放大器提出了特殊要求。v由上述分析可知：對(duì)于諧振式傳感器，從檢測(cè)信號(hào)的角度，它的輸出可以寫為v 為歸一化周期函數(shù)，滿足：當(dāng) 時(shí)，v 。這里T為周期，A、分別為檢測(cè)信號(hào)的幅值、振頻和相位，稱為傳感器檢測(cè)信號(hào)x(t)的特征參數(shù)。 ，具有360( )。3 敏感機(jī)理v顯然，只要被測(cè)量能較顯著地改變檢測(cè)信號(hào)x(t)的某一特征參數(shù)，諧振式傳感器就能通過檢測(cè)上述特征參數(shù)來

7、實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)。在諧振式傳感器中，目前國內(nèi)外使用最多是檢測(cè)頻率，如諧振筒壓力傳感器、諧振式膜壓力傳感器等。v在諧振式傳感器中，諧振子的品質(zhì)因素Q值是一個(gè)極其重要的指標(biāo)，針對(duì)能量的定義式為v v 對(duì)于弱阻尼系統(tǒng)， ，利用下圖所示的諧振子的幅頻特性可給出v v v 1， 2(P1,P2)對(duì)應(yīng)的幅值增益為 ，稱為半功率點(diǎn)。4 諧振子的Q值v顯然Q值反映了諧振子振動(dòng)中阻尼比的大小及消耗能量快慢的程度。同時(shí)也反映了幅頻特性曲線諧振峰的陡峭的程度，即諧振敏感元件選頻能力的強(qiáng)弱。v 求取Q值v由此可知，當(dāng)Q增大時(shí)，幅值條件易于滿足。由此：v當(dāng)P=1時(shí)， ， ，考慮以 為中心的相角范圍 ，當(dāng) 時(shí)， 隨Q單

8、調(diào)增加。這表明：相同的頻率變化所引起的相角變化值隨Q值的增大而增加。即在相同的幅值增益下，Q值大的諧振子所提供的相角范圍大，從而便于構(gòu)成閉環(huán)自激系統(tǒng)。v再討論Q值對(duì)傳感器精度的影響。設(shè)系統(tǒng)工作的頻率范圍為 ，諧振子所提供的相移為 。由式可得在任意相角下對(duì)應(yīng)的振頻為v 顯然，對(duì)于給定的，Q值增大時(shí)， 減小，即越接近于這時(shí)諧振子所對(duì)應(yīng)的固有頻率n；傳感器自激頻率的隨機(jī)漂移就越小，系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)就越穩(wěn)定，精度就越高。v可見高Q值的諧振子對(duì)于構(gòu)成閉環(huán)自激系統(tǒng)及提高系統(tǒng)的性能是有利的，應(yīng)采取各種措施提高諧振子的Q值。這是設(shè)計(jì)諧振式傳感器的核心問題。影響諧振子Q值的因素主要有：材料自身的特性，加工工藝，諧

9、振子的結(jié)構(gòu)(邊界狀況及封裝情況)和使用環(huán)境等。v 諧振子的選擇及其振動(dòng)特性即振動(dòng)模態(tài)，包括諧振頻率和振型的分析、計(jì)算，確定諧振子的實(shí)際結(jié)構(gòu)、參數(shù)及所敏感的振動(dòng)特征參數(shù)。這部分工作的核心是建立諧振式傳感器的模型，優(yōu)化出一個(gè)高Q值、高靈敏度的諧振子；v 檢測(cè)源、激勵(lì)源的選擇以及諧振子的配合問題。主要包括它們與諧振子的相對(duì)位置的選擇與激勵(lì)能量大小的確定；v 檢測(cè)信號(hào)的接收、處置、轉(zhuǎn)換及按幅相條件設(shè)計(jì)的放大電路。對(duì)于靈敏頻率的諧振式傳感器要在滿量程內(nèi)綜合考慮，而敏感幅值比、相位差的諧振式傳感器要合理設(shè)計(jì)出“雙閉環(huán)系統(tǒng)，并選擇好參考位置。v 引入恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償機(jī)制，解算檢測(cè)信號(hào)，給出被測(cè)量。5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)v綜

10、上所述，相對(duì)其它類型的傳感器，諧振式傳感器的本質(zhì)特征與獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是：v 輸出信號(hào)是周期的，被測(cè)量能夠通過檢測(cè)周期信號(hào)而解算出來。這一特征決定了諧振式傳感器便于與計(jì)算機(jī)連接，便于遠(yuǎn)距離傳輸；v 傳感器系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，處于諧振狀態(tài)。這一特征決定了傳感器系統(tǒng)的輸出自動(dòng)跟蹤輸入；v 諧振式傳感器的敏感元件即諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和分辨率；v 相對(duì)與諧振子的振動(dòng)能量，系統(tǒng)的功耗是極小量。這一特征決定了傳感器系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。6 特征與優(yōu)勢(shì)三 振弦式諧振傳感器v（一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理v 顧名思義，傳感器的諧振元件是一根張緊的金屬絲，稱為振弦。在電激勵(lì)下，振弦按其固有頻率振動(dòng)

11、。改變振弦的張緊力T，可以得到不同的振動(dòng)頻率f，即張緊力與諧振頻率成單值函數(shù)關(guān)系。v1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v 振弦式壓力傳感器的主要結(jié)構(gòu)如圖所示振弦式壓力傳感器的主要結(jié)構(gòu)如圖所示v（1振弦振弦v 振弦是把待測(cè)壓力值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率變化的敏感元件，振弦是把待測(cè)壓力值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率變化的敏感元件，對(duì)傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性起決定的作用。對(duì)振弦材對(duì)傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性起決定的作用。對(duì)振弦材料的要求是：料的要求是：v 抗拉強(qiáng)度高?？估瓘?qiáng)度高。v 彈性模量大。彈性模量大。v 磁性和導(dǎo)電性能好。磁性和導(dǎo)電性能好。v 線膨脹系數(shù)小，尺寸隨時(shí)間的穩(wěn)定性好。線膨脹系數(shù)小，尺寸隨時(shí)間的穩(wěn)定性好。v（

12、2磁鐵v 根據(jù)振弦振動(dòng)的激發(fā)方式不同，可以只用一塊磁鐵，或者用兩塊性能相同的磁鐵，見下圖。磁場(chǎng)可以由永久磁鐵或直流電磁鐵產(chǎn)生，永久磁鐵一般用AlNiCo-5硬磁合金制造。在采用電磁鐵的場(chǎng)合，常把磁鐵做成U形，電磁線圈安置在U形磁鐵的一臂，這時(shí)，磁力線的通路是磁鐵-純鐵片-振弦-磁鐵，形成一個(gè)封閉的磁回路。v（3振弦夾緊裝置v 傳感器工作時(shí)振弦處于拉緊的狀態(tài)，振弦兩端必須與支架和運(yùn)動(dòng)部分固接，一般采用專門的夾緊裝置。對(duì)它的要求是：v 抗滑能力好，振弦在長期受拉或反復(fù)振動(dòng)的情況下，夾頭不松動(dòng)；v 加工簡(jiǎn)單，安裝振弦方便，易拆卸，能反復(fù)使用，能任意調(diào)整弦的初始頻率。v2工作原理v 要測(cè)量振弦固有頻率

13、f0的變化，必須先激發(fā)振弦起振，其激發(fā)方法有兩種：v（1間歇激發(fā)法下圖所示為間歇激發(fā)的振弦壓力傳感器的示意圖。v（2連續(xù)激發(fā)法v連續(xù)激發(fā)時(shí)，振弦也是置于電磁鐵的磁場(chǎng)中，同時(shí)，振弦通以交變電流，由于電磁感應(yīng)，振弦受到一個(gè)垂直于磁力線的作用力，從而激發(fā)振弦作頻率等于其自振頻率的周期運(yùn)動(dòng)。然而，同間歇激發(fā)一樣，由于阻力作用，振弦的自振也將逐漸衰減，因此必須補(bǔ)給能量以維持振弦穩(wěn)定的等幅振蕩。v當(dāng)振弦受張力T作用時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，振弦的諧振頻率f為v 式中 l振弦的線密度tex=g/km）；v l振弦的有效振動(dòng)長度m）。v 當(dāng)弦的張力增加T時(shí)，可得弦的振動(dòng)頻率f為lTlf 21TTTlTTlfll

14、12121v單根振弦測(cè)壓力時(shí)的非線性誤差為v為了得到良好的線性，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如下圖所示。上下兩弦對(duì)稱，初始張力相等，當(dāng)被測(cè)量作用在膜片上時(shí)，兩個(gè)弦張力變化大小相等、方向相反。通過差頻電路測(cè)得兩弦的頻率差，則非線性誤差大為減小，同時(shí)提高了靈敏度、減小了溫度的影響。可得單根振弦測(cè)壓力時(shí)的靈敏度k為 fTTfTTTT020181214flTfkl281dd 上弦 下弦 膜片 差動(dòng)式振弦傳感器原理 v根據(jù)振弦傳感器的結(jié)構(gòu)不同，可以有單電磁鐵或雙電磁鐵兩種，相應(yīng)的測(cè)量線路也有區(qū)別。v 1、連續(xù)激發(fā)測(cè)量電路v 連續(xù)激發(fā)測(cè)量電路如圖所示，這是一個(gè)由運(yùn)算放大器和振弦等元件組成的自激振蕩器，振弦在回路中起

15、諧振作用?；芈分蠷3和振弦支路形成正反饋，R1、R2和起控制作用的場(chǎng)效應(yīng)管BG形成負(fù)反饋。R4、R5、C1和二極管D組成的支路提供對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管BG的控制信號(hào)。負(fù)反饋支路和場(chǎng)效應(yīng)管控制支路的作用是自動(dòng)穩(wěn)幅，提高激振的可靠性。v 振蕩器的工作頻率決定于振弦的諧振頻率，當(dāng)振弦受到張緊力T作用而諧振頻率發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的工作頻率也隨著變化。2、間歇激發(fā)測(cè)量電路 這種電路是間歇地饋送電流給傳感器的激振線圈使振弦不斷地被激發(fā)振動(dòng)。一般可用一個(gè)張弛振蕩器或多諧振蕩器和繼電器來控制開關(guān)。當(dāng)繼電器線圈通電時(shí)，把傳感器與電源接通，于是電流通過傳感器的激振線圈、拾振線圈吸住振弦。當(dāng)繼電器線圈不通電時(shí)，傳感器與電源斷

16、開而與放大器相接，這時(shí)磁鐵松開振弦，振弦發(fā)生振動(dòng)，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)放大、整形、然后測(cè)量其頻率。四 振膜式諧振傳感器v對(duì)于上圖所示的振膜式傳感器，當(dāng)膜片受壓力p作用而產(chǎn)生變形時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，膜片的諧振頻率f變化。v 膜片受力而產(chǎn)生靜撓度，其諧振頻率f與膜片的中心靜撓度Wp的關(guān)系可表示為v 膜片的中心靜撓度Wp與均布?jí)毫的關(guān)系可表示為 ffc Whp01121/Whc WhrEhppp/()32443 116v式中 c1、c分別為與膜片尺寸、材料有關(guān)的常數(shù)；v r、h、膜片的半徑m）、厚度m）、泊松比mm/mm）。v忽略高次項(xiàng)后的線性輸入輸出關(guān)系如下 v非線性誤差為 v靈敏度k為ff

17、 crEhp313201244()021ff4421032)1 (3ddEhrcfpfk五 振筒式諧振傳感器v振動(dòng)筒壓力傳感器是一種典型的敏感頻率的諧振式傳感器，于60年代末實(shí)用。下圖給出了一種用于絕壓測(cè)量的振動(dòng)筒壓力傳感器最早選用的原理結(jié)構(gòu)。其測(cè)量敏感元件是一個(gè)由恒彈合金(如3J53)制成的帶有頂蓋的薄壁圓柱殼。激勵(lì)與拾振元件均由鐵心和線圈組成，為盡可能減小它們之間的電磁耦合，在空間呈正交安置，由環(huán)氧樹脂骨架固定。圓柱殼與外殼之間形成真空腔，被測(cè)壓力引入圓柱殼內(nèi)腔。為減小溫度引起的測(cè)量誤差，在圓柱殼內(nèi)腔安置了一個(gè)起補(bǔ)償作用的感溫元件。v采用電磁方式作為激勵(lì)、拾振手段最突出的優(yōu)點(diǎn)是與殼體無接觸

18、，但也有一些不足。如電磁轉(zhuǎn)換效率低，激勵(lì)信號(hào)中需引入較大的直流分量，磁性材料的長期穩(wěn)定性差，易于產(chǎn)生電磁耦合等。近來發(fā)展了一種采用壓電激勵(lì)、壓電拾振的新方案，見下圖。壓電陶瓷元件直接貼于圓柱殼的波節(jié)處，筒內(nèi)完全形成真空。v對(duì)上圖所示的振筒式傳感器，當(dāng)筒受壓力差p作用而引起筒上的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，振筒的諧振頻率f變化。根據(jù)材料力學(xué)可知，振動(dòng)頻率與壓力的關(guān)系一般可以表示成下式v 式中 a、b、c 與振子材料物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常量，可由實(shí)驗(yàn)求得，一般系數(shù)c很小，故項(xiàng)可忽略。pa ffb ffc ff()()()00203v當(dāng)系數(shù)a和b滿足條件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf

19、02)時(shí)，由上式可得v式中 壓差靈敏度系數(shù)，與振筒的材料性質(zhì)及尺寸有關(guān)；v 式中 r、h、E 振筒的內(nèi)半徑m）、厚度m）、泊松比mm/mm）、彈性模量Pa）。ffBp01BErh3 1423()v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(guān)系，如下圖。v 傳感器的輸入輸出特性可近似成如下線性關(guān)系v非線性誤差為 v靈敏度k為0 p f f0 壓力-頻率關(guān)系曲線 ff Bp02021ff2dd0Bfpfk六 振梁式諧振傳感器v為了克服振動(dòng)筒式傳感器易受溫度與外界磁場(chǎng)的干擾，Q值還不夠等缺點(diǎn)，人們研制成功了振動(dòng)梁式壓力傳感器又稱石英晶體諧振器）。這種傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)溫度、振動(dòng)、加

20、速度等外界干擾不敏感如靈敏度溫漂為410-5%/），加速度靈敏度是810-4%/g），穩(wěn)定性好、體積小2.544cm）、重量輕約0.7kg），Q值高高達(dá)40000）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快103Hz等。v下圖所示為由石英晶體諧振器構(gòu)成的振梁式差壓傳感器。兩個(gè)相對(duì)的波紋管用來接收輸入壓力P1與P2，作用在波紋管有效面積上的壓力差產(chǎn)生一個(gè)合力，造成了一個(gè)繞支點(diǎn)的力矩，該力矩由石英晶體的拉伸力或壓縮力來平衡，這樣就改變了晶體的諧振頻率。頻率的變化是被測(cè)壓力的單值函數(shù)，從而達(dá)到了測(cè)量目的。v對(duì)于上圖所示的振梁式傳感器，當(dāng)梁受壓力p作用而引起梁上的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，其等效剛度發(fā)生變化，使振梁的諧振頻率f變化。諧振頻率

21、f與壓力p的關(guān)系可表示為v 式中 a、b由振子材料物理特性和結(jié)構(gòu)尺寸決定的常量。paffbffaffbff 00200211v近似得到線性輸入輸出特性如下 v v 這時(shí)，它的非線性誤差為v v 靈敏度k為ffap00ffabafpfk0dd七 壓電式諧振傳感器v如圖所示為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(dòng)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(duì)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。端蓋 端蓋 電極 電極 空腔 空腔 振子 p p 壓敏石英振子結(jié)構(gòu)原理圖 v石英振子固有諧振頻率f0為v v 式中 、E66石英振子的密度kg/m3）、切變模量Pa）。v 其中，E66對(duì)頻率的影響起主導(dǎo)作用。當(dāng)石英振子受靜態(tài)壓力p作用時(shí)，則引起振子上應(yīng)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(guān)系，這種靜應(yīng)力頻移效應(yīng)主要是E662隨壓力p線性變化變