諧振式傳感器講解課件

第9章

諧振式傳感器

諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的裝置，也稱頻率式傳感器。

優(yōu)點：①精度高、分辨力高；②穩(wěn)定性高、可靠性高、抗干擾能力強；③適于長距離傳輸且功耗低；④能直接與數(shù)字設(shè)備相連接；⑤無活動部件，機械結(jié)構(gòu)牢固等。第9章諧振式傳感器諧振式傳感器是直接將被測量1第9章

諧振式傳感器

缺點：①要求材料質(zhì)量較高；②加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本較高；③其輸出頻率與被測量的關(guān)系往往是非線性的，須進行線性化處理才能保證良好的精度。

諧振式傳感器種類很多，按它們諧振的原理可分為：機械的、電的和原子的三類。常用電子振蕩器有RC振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。第9章諧振式傳感器缺點：①要求材料質(zhì)量較高；2第9章

諧振式傳感器

1.RC振蕩器式溫度—頻率傳感器

如圖所示，它利用熱敏電阻RT測量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，振蕩頻率與RT有關(guān)。該電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一種RC文氏電橋正弦波發(fā)生器。第9章諧振式傳感器1.RC振蕩器式溫度—頻率傳感器3

2.MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器

環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個首尾相連成閉環(huán)的反相器組成，如圖所示。輸出頻率與每個門的平均延遲時間及門的數(shù)目成反比。第9章

諧振式傳感器2.MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器第9章諧振式傳感4第9章

諧振式傳感器

MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器利用了MOS管的力敏效應(yīng)。如圖所示，在應(yīng)力作用下，由于硅的壓阻效應(yīng)，MOS管源、漏極之間的溝道電阻將發(fā)生變化。從而改變反相器的延遲時間。第9章諧振式傳感器MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感5第9章

諧振式傳感器

如圖所示，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度作用下使硅梁發(fā)生彎曲變形時，在硅梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力S，從而使MOS管的特性發(fā)生改變。第9章諧振式傳感器如圖所示，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度6第9章

諧振式傳感器

加速度使得由MOS管組成的環(huán)形振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測振蕩頻率的改變可檢測加速度的大小。為了減小環(huán)境溫度的影響，可以采用如圖所示結(jié)構(gòu)。第9章諧振式傳感器加速度使得由MOS管組成的7第9章

諧振式傳感器

本章主要討論機械式諧振傳感器。它是一種頻率式數(shù)字傳感器。所謂頻率式數(shù)字傳感器是指，它能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的、便于處理的準(zhǔn)數(shù)字信號——頻率信號。第9章諧振式傳感器本章主要討論機械式諧振傳感8第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理99.1

諧振式傳感器的類型與原理

機械式諧振傳感器的基本組成如圖所示。振動元件是核心部件，稱為振子或諧振子?？刹捎瞄]環(huán)結(jié)構(gòu)，也可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)。補償裝置主要對溫度誤差進行補償。頻率檢測實現(xiàn)對周期信號頻率即諧振頻率的檢測，從而可確定被測量的大小。9.1諧振式傳感器的類型與原理機械式諧振傳感109.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理9.1諧振式傳感器的類型與原理9.1.1諧振式傳感器119.1.1

諧振式傳感器的類型

按諧振子的結(jié)構(gòu)，常見的諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，對應(yīng)的振子形狀分別為張絲狀、梁狀、膜片狀和筒狀。(a)張絲狀(b)梁狀(c)膜片狀(d)筒狀9.1.1諧振式傳感器的類型按諧振子的結(jié)構(gòu)，129.1.1

諧振式傳感器的類型

振子材料有

①恒彈性模量的恒模材料，如鐵鎳恒彈合金等。但這種材料易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響。

②石英晶體，在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)性和極小的遲滯，特別是其品質(zhì)因數(shù)Q值極高，且不受環(huán)境溫度影響，性能長期穩(wěn)定。

③硅。9.1.1諧振式傳感器的類型振子材料有13

用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。振子常為膜片狀或梁狀，按振子上下表面形狀又分為扁平形、平凸形和雙凸形三種。其中雙凸形振子Q值最高可達(dá)106～107，因而較多采用。石英晶體的振動模式有長度伸縮、彎曲、面切變和厚度切變等，其中厚度切變是主要的應(yīng)用模式。(a)扁平形(b)平凸形(c)雙凸形9.1.1

諧振式傳感器的類型用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。14

根據(jù)能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般，在f/h＜15時，采用雙凸形。通常h取0.2～0.5mm。雙凸形晶片的優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力高，能抑制其他耦合作用。但加工較復(fù)雜。當(dāng)15＜f/h＜45時，采用平凸形，優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力較高，頻率溫度特性曲線一致性較好。

f/h＞45時，采用扁平形。9.1.1

諧振式傳感器的類型根據(jù)能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸159.1.1

諧振式傳感器的類型

石英晶體振蕩器的基本原理

在石英晶體的電極上施加交變激勵電壓時，由于逆壓電效應(yīng)，石英晶體會產(chǎn)生機械振動。石英晶體是彈性體，它存在固有振動頻率。當(dāng)強迫振動頻率等于其固有振動頻率時會產(chǎn)生諧振。

思考題：固有頻率與諧振頻率是否相同？為什么？9.1.1諧振式傳感器的類型石英晶體振蕩器的基本原理169.1.1

諧振式傳感器的類型

隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的興起，以硅為振子材料的硅微機械諧振傳感器越來越受到了重視。這種傳感器利用成熟的硅集成制造工藝，能得到大批量的可靠性高、靈敏度高、價格低廉、體積小、功耗低的產(chǎn)品，特別是便于構(gòu)成集成化測量系統(tǒng)。其振子常為微懸臂梁、兩端固支微梁(橋)、方膜或圓膜等形狀，尺寸在微米量級。9.1.1諧振式傳感器的類型隨著微電子技術(shù)和179.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理√9.1諧振式傳感器的類型與原理9.1.1諧振式傳感器18

設(shè)振子等效剛度為ke，等效振動質(zhì)量為me，則振子諧振頻率f可近似表示為

若振子受到力的作用或其中的介質(zhì)質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，其諧振頻率也會發(fā)生變化。此即機械式諧振傳感器的基本工作原理。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理設(shè)振子等效剛度為ke，等效振動質(zhì)量為me，則振子19

1.諧振頻率以振弦式諧振傳感器為例求其諧振頻率。如圖所示，一根兩端固定，長度為l，線密度(單位長度質(zhì)量)為r的弦，受到張力T作用。設(shè)振動幅度很小，可認(rèn)為弦內(nèi)張力不因振動而變。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理1.諧振頻率9.1.2諧振式傳感器的基本原理20

在x處取長度為dx的微段?？紤]到微段的質(zhì)量為rdx，及dq＝(q/x)dx，忽略重力的影響，則y方向運動方程為xyyxqTTdxq+dq9.1.2

諧振式傳感器的基本原理化簡得在x處取長度為dx的微段?？紤]到微段的質(zhì)量為rd219.1.2

諧振式傳感器的基本原理因弦的斜率為q＝y(tǒng)/x，所以上式可變換為

式中，u2＝T/r，u可被證明為沿弦傳播的波速。9.1.2諧振式傳感器的基本原理因弦的斜率為q＝y(tǒng)/22

假設(shè)上式的解為將式(9.4)代入式(9.3)得

9.1.2

諧振式傳感器的基本原理假設(shè)上式的解為將式(9.4)代入式(9.3)得23

因方程左邊與t無關(guān)，右邊與x無關(guān)，所以兩邊必須都等于同一常量。令這一常量為－(w/u)2，即可得兩個微分方程9.1.2

諧振式傳感器的基本原理因方程左邊與t無關(guān)，右邊與x無關(guān)，所以兩邊必須都24其一般解為9.1.2

諧振式傳感器的基本原理其一般解為9.1.2諧振式傳感器的基本原理25

任意常數(shù)A、B、C、D取決于邊界條件和初始條件。邊界條件為y(0,t)＝y(tǒng)(l,t)＝0。y(0,t)＝0要求B＝0，即解必須具有如下形式而y(l,t)＝0則要求

9.1.2

諧振式傳感器的基本原理任意常數(shù)A、B、C、D取決于邊界條件和初始條件。26亦即要求振動角頻率滿足當(dāng)振弦一定時，諧振頻率f與張力T及長度l有關(guān)。將被測物理量轉(zhuǎn)換為T或l的改變量，即可通過測量f而確定被測量的大小。令n＝1，即可得諧振頻率(一次振型)為9.1.2

諧振式傳感器的基本原理亦即要求振動角頻率滿足當(dāng)振弦一定時，諧振頻率f與張力T及長度27

2.振動激勵方式

為測出諧振頻率，須設(shè)法激勵振子振動。起振后，還需要及時補充能量。給振子補充能量的方式一般有兩種：連續(xù)激勵法和間歇激勵法。(1)連續(xù)激勵法

是指按振子的振動周期補充能量，使其振幅維持不變。又可分為電流法、電磁法、電荷法和電熱法等。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理2.振動激勵方式9.1.2諧振式傳感器的基本原理28

①電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始振動。若不考慮阻尼，外接線路無需再給振弦提供電流，即可依靠彈性力維持等幅振動，振動頻率即諧振頻率。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理①電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始29然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼外還有空氣阻尼等。振弦在運動過程中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該電勢通過外接閉合回路形成電流，使振弦受到大小正比于運動速度、方向和運動速度相反的磁場力的作用，此即電磁阻尼。設(shè)想將上述感應(yīng)電勢測出來，然后通過正反饋在振弦兩端加幅度相同、相位也相同的外接電勢，則不會產(chǎn)生電磁阻尼。若外接電勢略大于上述感應(yīng)電勢，還可消除其他阻尼的影響。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼外還有空氣阻尼等。30

電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，又因振弦通電，所以須考慮它與外殼絕緣問題。若絕緣材料的熱膨脹系數(shù)與振弦的熱膨脹系數(shù)差別大，則易產(chǎn)生溫度誤差。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，又因振弦通31

②電磁法，也稱線圈法。這種方法在振弦中無電流通過。用兩組電磁線圈，激振線圈用來連續(xù)激勵振弦，感應(yīng)線圈用來接收信號。通過外接電路形成正反饋，使振弦維持連續(xù)振動。1—鐵片；2—感應(yīng)線圈；3—放大器；4—激振線圈9.1.2

諧振式傳感器的基本原理②電磁法，也稱線圈法。這種方法在振弦中無電流通過329.1.2

諧振式傳感器的基本原理

③電荷法。對振子材料為石英晶體的諧振式傳感器，用金屬蒸發(fā)沉積法在石英振梁上下表面對稱地設(shè)置四個電極。左邊兩個為一組，右邊兩個為一組。當(dāng)一組電極加上某方向的電場時，因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生厚度切變，矩形梁段變成平行四邊形；電場反向，平行四邊形的傾斜也反向。+-+-9.1.2諧振式傳感器的基本原理③電荷法。對339.1.2

諧振式傳感器的基本原理

兩組電極所加電場的極性相反時，梁就呈一階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場的極性，梁向相反方向彎曲。這樣就可組成自激振蕩電路，使梁在一階彎曲狀態(tài)下起振，通過正反饋維持等幅振蕩。+-+-++--9.1.2諧振式傳感器的基本原理兩組電極所加34

④電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制作激振電阻，在一端制作壓敏拾振電阻。激振電阻中通以交變的激勵電流，產(chǎn)生橫向振動。拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用，阻值周期性變化，通過正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振動。1—硅微橋；2—激振電阻；3—拾振電阻；4—支柱；5—膜片9.1.2

諧振式傳感器的基本原理④電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制359.1.2

諧振式傳感器的基本原理(2)間歇激勵法

不是按振動周期，而是按一定的時間間隔(多個振動周期)給振子補充能量。振子在激勵脈沖作用下起振后做振幅逐漸衰減的振動，衰減到一定程度后再次激勵，使振幅再次達(dá)到最大值，重新開始下一輪衰減振動。1—鐵片；2—感應(yīng)線圈；3—永久磁鐵；4—電磁鐵9.1.2諧振式傳感器的基本原理(2)間歇激36第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例√第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理√379.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感器通過測量諧振頻率來確定被測量的大小，而諧振頻率與被測量之間通常是非線性關(guān)系。因此，分析其特性時不僅要分析其輸出輸入關(guān)系、靈敏度等，還要分析其非線性誤差。諧振式傳感器的設(shè)計則主要是振子的設(shè)計，因為它是實現(xiàn)將被測量的變化轉(zhuǎn)換為輸出頻率變化的關(guān)鍵元件。9.2諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點諧振式傳感389.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

9.2諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1諧振式傳399.2.1

諧振式傳感器的特性

1.振弦式諧振傳感器特性

對圖示振弦式傳感器，其諧振頻率如式(9.13)所示。為了方便，寫成弦的張力增加DT后9.2.1諧振式傳感器的特性1.振弦式諧振傳感器特性40將式(9.15)兩邊平方，并令Df＝f－f0，得

9.2.1

諧振式傳感器的特性將式(9.15)兩邊平方，并令Df＝f－f0，得9.2.141通常，通過選擇合適的工作點可使Df/f0<<1，從而可忽略上式中的平方項，得到近似的線性輸出輸入關(guān)系為9.2.1

諧振式傳感器的特性通常，通過選擇合適的工作點可使Df/f0<<1，從而可忽略上42忽略非線性項后，非線性誤差d和靈敏度Sn分別為9.2.1

諧振式傳感器的特性忽略非線性項后，非線性誤差d和靈敏度Sn分別為943

為了得到良好的線性關(guān)系，常常采用差動結(jié)構(gòu)。通過差頻電路測得兩弦的頻率差，則不僅能提高靈敏度，還可減小非線性。9.2.1

諧振式傳感器的特性為了得到良好的線性關(guān)系，常常采用差動結(jié)構(gòu)。通過差頻電44

2.其他諧振傳感器特性簡介(1)振梁式諧振傳感器

振梁受到壓力p作用時，其諧振頻率f和壓力p的關(guān)系為式中，a、b為常數(shù)。9.2.1

諧振式傳感器的特性2.其他諧振傳感器特性簡介式中，a、b為常數(shù)。9.2.145(2)振膜式諧振傳感器

膜片受到壓力p作用時，諧振頻率f與膜片中心靜撓度Wp的關(guān)系及Wp與p的關(guān)系分別為式中，c1、c為常數(shù)。

9.2.1

諧振式傳感器的特性(2)振膜式諧振傳感器膜片受到壓力p作用時，46(3)振筒式諧振傳感器

振筒受到壓力p作用時，諧振頻率f與壓力p的關(guān)系近似為式中，B≈[3(1－m2)/(4E)](r/h)3，稱為壓差靈敏度系數(shù)。

9.2.1

諧振式傳感器的特性(3)振筒式諧振傳感器振筒受到壓力p作用時，47(4)壓電式諧振傳感器

石英振子壓力傳感器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，端蓋是密封的，空腔被抽成真空。9.2.1

諧振式傳感器的特性(4)壓電式諧振傳感器石英振子壓力傳感器采用48

設(shè)石英振子的密度為r，中心厚度為h，則石英振子的諧振頻率為式中，E66為石英振子的切變模量，它對頻率的影響起主導(dǎo)作用。腔壁受靜態(tài)壓力p作用時，引起振子應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致振子諧振頻率變化，而諧振頻率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E66隨壓力p變化而產(chǎn)生的。9.2.1

諧振式傳感器的特性設(shè)石英振子的密度為r，中心厚度為h，則石英振子的49(5)硅微機械諧振傳感器

其諧振頻率f與軸向應(yīng)力s的關(guān)系為式中，ser為臨界歐拉應(yīng)力；f0為軸向應(yīng)力s＝0時的諧振頻率。9.2.1

諧振式傳感器的特性(5)硅微機械諧振傳感器其諧振頻率f與軸向應(yīng)50

例9.1

求圖示由兩根弦組成的差動式壓力傳感器的非線性誤差和靈敏度。當(dāng)被測壓力變化時，設(shè)上弦張力增加DT，則下弦張力減小DT，上、下弦諧振頻率f1、f2分別變?yōu)榻猓涸诔跏紶顟B(tài)下，兩弦的張力相等，諧振頻率皆為9.2.1

諧振式傳感器的特性例9.1求圖示由兩根弦組成的差動式壓力傳感器51令k＝DT/T，若滿足k<<1，則9.2.1

諧振式傳感器的特性令k＝DT/T，若滿足k<<1，則9.2.1諧振式傳感器52通過差頻電路測得兩弦的頻率差為所以，這種差動式壓力傳感器的非線性誤差和靈敏度分別為9.2.1

諧振式傳感器的特性通過差頻電路測得兩弦的頻率差為所以，這種差動式壓力傳感器的非53可見非線性誤差比單根振弦小得多，靈敏度則為單根弦的2倍。9.2.1

諧振式傳感器的特性單根振弦時非線性誤差和靈敏度分別為可見非線性誤差比單根振弦小得多，靈敏度則為單根弦的2倍。9.549.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

√9.2諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1諧振式傳559.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

1.振

子

振子設(shè)計主要從以下幾方面考慮。(1)減小非線性。①選擇合適的工作點和最佳工作頻段，也可在轉(zhuǎn)換電路中進行非線性校正；②采用差動結(jié)構(gòu)來減小非線性、提高靈敏度，同時還可減小溫度等外界因素的影響；③采用厚度切變振動模式AT切型石英晶體制作的石英振子則能得到線性的輸出輸入特性。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點1.振子569.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點(2)提高靈敏度。通過適當(dāng)選擇振子的參數(shù)來提高靈敏度。①適當(dāng)選擇物理特性參數(shù)：材料的密度r、泊松比m、彈性模量E等；②結(jié)構(gòu)參數(shù)：厚度h、半徑r、長度l等；③初始諧振頻率f0、預(yù)加載荷T0等；④壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時，其靈敏度最高。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點(2)提高靈敏579.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點(3)提高穩(wěn)定性。在諧振式傳感器中，諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q是一個極其重要的指標(biāo)。Q的定義為對阻尼系數(shù)x<<1的弱阻尼系統(tǒng)，利用諧振子的幅頻特性可得9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點(3)提高穩(wěn)589.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

式中，w1、w2對應(yīng)的幅值增益為

，稱為半功率點。因此，可根據(jù)幅頻特性曲線求振子的品質(zhì)因數(shù)及阻尼比。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點式中，w1、w2對應(yīng)599.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

顯然，Q值反映了諧振子阻尼比的大小及振動中消耗能量快慢的程度，同時也反映了幅頻特性曲線諧振峰陡峭的程度，即振子選頻能力的強弱。它越大，自激振蕩回路越易于起振，諧振頻率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作越穩(wěn)定，抗外界干擾的能力越強，重復(fù)性也就越好。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點顯然，Q值反609.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

要提高Q，必須提高振子的固有頻率f0，也就必須采用彈性模量高、剛度大、質(zhì)量小且參數(shù)穩(wěn)定的振子材料。

振弦材料可選鎢絲、鍍銀的石英絲、琴鋼絲等；振筒材料可選具有恒彈性模量的鐵鎳恒彈合金等；振膜和振梁材料可選石英晶體等。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點要提高Q，必619.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點(4)減小溫度誤差?？刹扇〉拇胧┯校孩俨捎昧銣囟认禂?shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的材料，且其彈性模量受溫度影響??；②采用電路補償；③采取恒溫措施；④傳感器設(shè)計成封閉系統(tǒng)，使傳感器機械結(jié)構(gòu)自身達(dá)到熱補償；⑤對因溫度變化而影響振子諧振頻率的部分，通過選取適當(dāng)?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點(4)減小溫62

2.磁

鐵

對需要采用磁鐵激勵振蕩或進行信號測量的諧振式傳感器，磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生，也可用直流電磁鐵。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點2.磁鐵9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點63

在電流法激勵振弦的方式中，為提高氣隙中心磁通密度，并照顧加工方便，通常用電工純鐵制成尖形的磁極，然后與永久磁鐵連在一起。圖中P為永久磁鐵，材料為AlNiCo-Ⅴ硬磁合金，F(xiàn)1、F2為磁極。P和F1、F2的接觸面及F1、F2的端部都應(yīng)研磨光潔，以減小磁阻并使磁力線分布均勻。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點在電流法激勵振弦的方式中，為提高氣隙中心磁通密度649.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

圖示為磁極形狀和尺寸，其中，g＝60、d＝0.5mm、R＝0.5mm、氣隙厚度約10mm，氣隙中磁感應(yīng)強度B≥0.07T。

在電磁法激勵振弦的方式中，磁鐵一般用AlNiCo-Ⅴ硬磁合金，激勵線圈和感應(yīng)線圈應(yīng)垂直放置，以防它們之間直接耦合。為方便線圈的安裝，磁鐵常制成U形，而把電磁線圈安裝在U形磁鐵的一臂。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點圖示為磁極形65

3.振弦夾緊裝置

振弦式傳感器工作時，振弦處于張緊狀態(tài)。因此，振弦的兩端必須與支架及運動部分固接。固接方法有兩種

①將振弦兩端與支架及運動部分焊接；

②用夾緊裝置將振弦夾緊。

一般采用第二種方法，為此需設(shè)計專門的夾緊裝置。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點3.振弦夾緊裝置9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點669.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點一個良好的振弦夾緊裝置應(yīng)滿足：①抗滑能力強，弦在長期受拉或反復(fù)激發(fā)振動的情況下，夾頭不松動；②加工簡單，安裝方便，發(fā)生故障后易于拆卸，并能重復(fù)使用；③易于調(diào)整弦的初始頻率，安裝和調(diào)頻時能保證振弦不發(fā)生轉(zhuǎn)動。目前，振弦式傳感器中常用的夾緊裝置有銷釘式、錐形栓式和剪式等幾種。它們各有優(yōu)缺點，可根據(jù)加工條件、精度要求、調(diào)頻及裝拆情況等方面來選擇，也可設(shè)計成其他形式的結(jié)構(gòu)。9.2.2諧振式傳感器的設(shè)計要點一個良好的振679.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計要點

√√9.2諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.2.1諧振式傳68第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理√√699.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

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。前者是由單獨的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，后者是由拾振環(huán)節(jié)的信號通過正反饋作為激勵信號。

為提高輸出輸入關(guān)系的線性度，對非線性嚴(yán)重的諧振式傳感器，還可將諧振頻率平方后再進行輸出。9.3諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路按激勵信號產(chǎn)生的709.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路9.3諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路719.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用間歇激勵方式的振弦式諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。如圖所示，是一種比圖9.9所示更為簡單的轉(zhuǎn)換電路形式。線圈兼有激振和拾振兩種作用，有利于減小傳感器體積。9.3.1開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路這是采用間歇激勵方式729.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路√9.3諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路739.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用連續(xù)激勵方式的諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。連續(xù)激勵方式不同，轉(zhuǎn)換電路也不同。

1.電流法轉(zhuǎn)換電路

轉(zhuǎn)換電路如圖所示，適用于振弦式傳感器。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路這是采用連續(xù)激勵方式749.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

9.1.2中曾指出，在振弦起振后的振蕩過程中，外加電流只是克服阻尼作用，不使能量損失。動能和彈性能在彈性力作用下周期性地相互轉(zhuǎn)化。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.1.2中曾指出，759.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

從另一角度，可認(rèn)為外接電路提供的電流由iC、iL兩部分組成，iL受到的磁場力FL始終和彈性力大小相等方向相反，抵消了彈性力的作用，iC受到的磁場力FC則始終和彈性力大小相等方向相同，即認(rèn)為振弦動能和彈性能的相互轉(zhuǎn)化是由磁場力FC促成的。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路從另一角度，可認(rèn)為外769.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

此時置于磁場中的振弦相當(dāng)于一個LC并聯(lián)回路，當(dāng)外接電路滿足正反饋條件時，即可產(chǎn)生振蕩。至于其他阻尼(如空氣阻尼)，就像LC并聯(lián)回路存在阻尼(如線圈電阻)一樣，由外接電路補充一定的能量即可克服。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路此時置于磁場中的振弦779.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

設(shè)磁感應(yīng)強度為B，位于磁場中的振弦長度為l，則電流iC受到的磁場力為FC＝BliC。FC的作用相當(dāng)于振弦所受的彈性力，使質(zhì)量為m的振弦產(chǎn)生大小為du/dt的加速度，滿足BliC＝mdu/dt。于是得

長度為l、速度為u的導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時將產(chǎn)生感應(yīng)電勢e＝Blu，所以

9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路設(shè)磁感應(yīng)強度為B，位789.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

將此式與電容的充電公式比較可知，振弦可等效為一只電容，其等效電容為9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路將此式與電容的充電公799.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

電流iL受到的磁場力為FL＝BliL。FL與振弦的彈性力大小相等方向相反，彈性力正比于弦的橫向剛度系數(shù)k及橫向位移y，滿足BliL＝－ky。再考慮到e＝Blu＝Bldy/dt，得9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路電流iL受到的磁場力為F809.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路將此式與電感的反電動勢公式比較可知，振弦又相當(dāng)于感性阻抗，其等效電感為9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路將此式與電感的反電動819.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

因此，位于磁場中的通電振弦，可等效為并聯(lián)的LC回路，其諧振頻率為9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路因此，位于磁場中的通829.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

若將橫向剛度k＝p2T/l代入上式，即可得到式(9.13)。即9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路若將橫向剛度k＝p2T/839.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

圖示電路中，振弦等效諧振回路作為整個振蕩電路的正反饋網(wǎng)絡(luò)。R1、R2和場效應(yīng)管V組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，R4、R5、二極管VD和電容C支路控制場效應(yīng)管的柵極電壓。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路圖示電路中，振弦等效849.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

電路停振時，輸出信號等于零，場效應(yīng)管零偏，其漏源極對R2的并聯(lián)作用使負(fù)反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了負(fù)反饋回路的作用，使回路增益大大提高，有利于起振。起振后，V截止，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)起穩(wěn)定輸出信號幅度的作用。

9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路電路停振時，輸出信號859.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

2.電磁法轉(zhuǎn)換電路如圖所示，由帶有磁鋼的電磁線圈L產(chǎn)生激勵力，可用于振弦式、振膜式、振筒式和振梁式傳感器。A為振子，RE為貼在振子上的應(yīng)變片。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路2.電磁法轉(zhuǎn)換電路869.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

應(yīng)變片檢測振子的振動信號。IC1的輸出信號經(jīng)C2、R5及C3、R6兩級相移，以滿足電路自激振蕩的要求。高增益放大器IC2使輸出信號大到一定值后飽和，以達(dá)到限幅目的。三極管V是功放。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片檢測振子的振動879.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

3.電荷法轉(zhuǎn)換電路

壓電式諧振傳感器常用差頻檢測電路。如圖所示，傳感器工作在5MHz的初始頻率上，經(jīng)倍頻器乘以40，由差頻檢測電路得到它與5MHz基準(zhǔn)振蕩器(也乘以40)的頻率差，再送入計數(shù)器。9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路3.電荷法轉(zhuǎn)換電路889.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

4.電熱法轉(zhuǎn)換電路

為提高拾振靈敏度并補償溫度的影響，在微橋一端制作四個壓敏電阻，排列方式如圖(a)所示，置于微橋一端是因為端部應(yīng)變最大。(a)電阻布置9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路4.電熱法轉(zhuǎn)換電路(a)電阻899.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路由于微橋的長度遠(yuǎn)大于其寬度，應(yīng)變主要沿長度方向。因此，只有R1和R3受壓阻效應(yīng)的影響。按圖(b)所示連接成拾振橋路，靈敏度可比單個壓敏電阻大1倍。R2和R4起溫度補償?shù)淖饔谩?b)拾振橋路(a)電阻布置9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路由于微橋的長度遠(yuǎn)大于909.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

圖(c)為自激測量系統(tǒng)。設(shè)激振電阻阻值為R，所加激勵電壓為Ucoswt，則熱激勵功率為(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路圖(c)為自激測量系919.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

Ps為恒定分量，不是激發(fā)及維持振蕩的因素；Pd為交變分量，起著激發(fā)并維持振蕩的作用。(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)其中9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路Ps為恒定分量，不是激發(fā)及維929.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)滿足正反饋條件，且w等于諧振頻率的1/2時，即可按諧振頻率振蕩。放大器要有足夠的放大倍數(shù)，以滿足自激振蕩的幅值條件，而移相器的作用是對閉環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的總相移進行調(diào)整(主要是激振器→拾振器的90左右相移)，以滿足相位條件。(c)閉環(huán)自激測量系統(tǒng)9.3.2閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路當(dāng)滿足正反饋條件，且939.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路√√9.3諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路949.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

諧振式傳感器輸出信號的頻率一般與被測量的開方成正比。即使取特性曲線較直的一段作為工作范圍，其非線性誤差也會高達(dá)5～6%左右。為提高測量精度，采用以f

2為輸出的轉(zhuǎn)換電路，則線性度可達(dá)0.5～2.5%。9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路諧振式959.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

如圖所示，諧振式傳感器輸出信號u1的頻率為f、周期T＝1/f。u1經(jīng)放大整形后得到頻率為f的方波u2。

9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路如圖所969.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

u2觸發(fā)如圖所示的CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到頻率仍為f，周期仍為T，但脈沖寬度為t的方波u3。t與f無關(guān)，是常量。

9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路u2觸979.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

u3同時控制著兩個頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路，使它們在每個周期T里輸出寬度為t、幅值分別為Ur1、Ur2的方波uo1和uo2。9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路u3同989.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路如圖所示，u3高電平期間三極管截止，場效應(yīng)管柵極低電位而導(dǎo)通，輸出等于輸入，u3低電平期間三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管柵極高電位而截止，輸出等于零。9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路頻率—999.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路低通濾波后Uo＝(Ur2t)/T，Ur2＝(Ur1t)/T。所以9.3.3以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路低通濾波后Uo＝(1009.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路√√√9.3諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1開環(huán)式轉(zhuǎn)換電路101第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理√√1029.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1039.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例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，廣泛用于大壓力的測量，也可用來測位移、扭矩、力和加速度等。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。9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例振弦式傳感器具1049.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

1.振弦式壓力傳感器

圖示是測地層壓力用的振弦式壓力傳感器。測量時底座上的膜片與所要測量的地層面接觸。壓力變化0.1MPa時，頻率變化170Hz。量程10MPa，精度約±1.5%。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9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例1.振弦式壓力傳感器11059.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

2.振弦式加速度傳感器

通過調(diào)整端蓋上的螺釘，使得無加速度作用時，質(zhì)量塊左右兩側(cè)振弦的諧振頻率相同。有水平方向加速度作用時，測出兩邊振弦的頻差即可知道加速度。1—固定弦；2—質(zhì)量塊；3—激振磁鐵；4—端蓋；5—螺釘；6—振弦；7—殼體；8—引線孔9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例2.振弦式加速度傳感器1069.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

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，既可用于火箭、導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，又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。9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例振弦式加速度傳1079.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

3.振弦式傾斜傳感器

它是利用振弦技術(shù)對傾斜角度進行檢測，內(nèi)部有一個垂直重物，用一振弦和彈性樞紐支撐著。當(dāng)被測物傾斜角度發(fā)生變化，導(dǎo)致重物的重心轉(zhuǎn)動，從而使振弦的張力發(fā)生變化。9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例3.振弦式傾斜傳感器1089.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

通過測定弦的振動頻率可知被測物的傾斜角度。美國基康公司是該類傾斜傳感器的著名生產(chǎn)廠家。圖示為其應(yīng)用。9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用舉例通過測定弦的振動頻1099.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1109.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例

用彈性圓環(huán)作為敏感元件。測力范圍107N，頻率范圍0～50Hz，可測靜態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力。有兩個振動系統(tǒng)，一個用來測量，另一個進行溫度補償。因只有單根振梁，非線性誤差較大，當(dāng)頻率變化10%時，就有3～5%的非線性誤差。1—圓環(huán)；2、9—激振器；3—振梁；4、7—拾振器；5、6—放大振蕩電路；8—振桿9.4.2振梁式傳感器應(yīng)用舉例用彈性圓環(huán)作為1119.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1129.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例

振膜式壓力傳感器的分辨力可以達(dá)到0.3～0.5kPa/Hz，精度可達(dá)0.01%，重復(fù)性可達(dá)十萬分之幾，長期穩(wěn)定性可達(dá)每年0.01～0.02%，這是一般模擬輸出的壓力傳感器所不能比擬的。因此，常用于航空航天技術(shù)中，來測量大氣參數(shù)(靜壓及動壓)，并通過計算機求飛行速度、飛行高度等飛行參數(shù)；它還常用來做為標(biāo)準(zhǔn)計量儀器，標(biāo)定其他壓力傳感器或壓力儀表。此外，它也可測液體密度、液位等參數(shù)。9.4.3振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例振膜式壓力1139.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例

壓力膜片5的支架上固定著振動膜片2，被測壓力p進人空腔之后，壓力膜片發(fā)生變形，支架角度改變，使振動膜片張緊，剛度變化，固有頻率也發(fā)生改變。1—拾振線圈；2—振動膜片；3—激振線圈；4—放大振蕩電路；5—壓力膜片；6—空腔9.4.3振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例壓力膜片51149.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1159.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例振筒式傳感器主要用于測氣體壓力和密度等物理量。如圖所示為單管式密度傳感器結(jié)構(gòu)。振筒振動時管中被測介質(zhì)的質(zhì)量必然附加在振筒的質(zhì)量上，使系統(tǒng)諧振頻率和介質(zhì)質(zhì)量有關(guān)。但管子對兩端固定塊有反作用力，將引起基座運動，導(dǎo)致測量誤差。拾振器被測流體激振器放大器固定塊固定塊9.4.4振筒式傳感器應(yīng)用舉例振筒式傳感器主1169.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例雙管式結(jié)構(gòu)可提高振動頻率的穩(wěn)定性。兩管的振動頻率相同但振動方向相反，對固定基座的作用相互抵消，不引起基座運動。振動管與外部管道采用軟性聯(lián)結(jié)(如波紋管)，以防止外部管道的應(yīng)力和熱膨脹對管子振動頻率的影響。1—波紋管；2—拾振線圈；3—激振線圈9.4.4振筒式傳感器應(yīng)用舉例雙管式結(jié)構(gòu)可提1179.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1189.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例

壓電式石英諧振傳感器具有很多優(yōu)點，如體積小，重量輕，Q值高(可達(dá)40000)，穩(wěn)定性好(靈敏度溫漂為10－5%/C)，動態(tài)響應(yīng)好，抗干擾能力強等。9.4.5壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例壓電式石英1199.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例

1.壓電式諧振壓差傳感器

用兩個相對的波紋管實現(xiàn)壓力差的傳遞，采用杠桿形成繞支點的力矩并傳遞給力敏石英振子作用力。通過改變杠桿兩臂的比值、波紋管的截面積及配重來選擇合適的壓力—頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系。殼體所包圍的空間抽成真空。1—波紋管；2—殼體；3—杠桿；4—支點；5—配重；6—力敏石英振子9.4.5壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例1.壓電式諧振壓差1209.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例

圖示為力敏石英振子的結(jié)構(gòu)。振梁居振子中央，不直接固定在產(chǎn)生輸出力的構(gòu)件上，以免諧振頻率受到基座的影響，也有利于提高Q值和穩(wěn)定性。在振梁和固定表面之間采用機械隔振器。彎曲去載區(qū)還可消除橫向力的影響。1—彎曲去載區(qū)；2—隔離器彈性體；3—振梁；4—電極；5—隔離器質(zhì)量塊；6—固定表面9.4.5壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例圖示為力敏1219.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例

2.壓電式諧振溫度傳感器

石英晶體諧振后，它的振蕩頻率與溫度之間存在一定的關(guān)系。實驗得知，X向切割或Y向切割時，其諧振頻率有較大的溫度系數(shù)。X向切割時，約－20×10－6

/℃；Y向切割時，在20×10－6

/℃到100×10－6

/℃之間。9.4.5壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例2.壓電式諧振溫度122

3.石英晶體微天平

石英晶體微天平是以表面鍍有敏感薄膜的石英晶體作為敏感元件，以AT切型石英晶體為換能元件，利用石英晶體的質(zhì)量—頻率變化關(guān)系，將待測物質(zhì)的濃度信號轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出，從而實現(xiàn)濃度檢測。具有靈敏度高、選擇性好、免標(biāo)記、操作簡便和可實時檢測輸出等特點。特別適合生物分子的檢測，可廣泛用于臨床化學(xué)、藥物分析、環(huán)境質(zhì)量檢測等諸多領(lǐng)域。9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例3.石英晶體微天平9.4.5壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例123

石英晶體微天平檢測精度非常高，石英晶振的基頻一般為4～15MHz，厚度一般為0.1～0.3mm，電極面積一般為0.5～0.6cm2。10MHz基頻的晶振，質(zhì)量變化1ng時，頻率變化1.3Hz。故普遍稱之為具有ng(10－9g)級的質(zhì)量檢測精度。9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例石英晶體微天平檢測精度非常高，石英晶振的基頻一般1249.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√√√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用1259.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例

1.微型硅諧振式壓力傳感器

下硅片中間部分的壓力膜作為一次敏感元件，直接感受被測壓力。在上硅片的中間部分制作硅微橋、激振電阻與拾振電阻。硅微橋作為二次敏感元件，間接感受被測壓力。1—微橋；2—激振電阻；3—拾振電阻；4—上硅片；5—下硅片；6—壓力膜9.4.6微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例1.微型硅諧振式1269.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例

2.微型硅諧振式氣體傳感器

不同之處是增加了氣體敏感膜。置于被測氣體之中時，微梁表面的敏感膜吸附氣體分子，微橋質(zhì)量增加，使橋的諧振頻率減小。

實驗表明，對NO2氣體來說，在0～1×10－4之間有較好的線性，濃度檢測極限達(dá)到1×10－6，當(dāng)工作頻率為19kHz時，靈敏度為1.3Hz/10－6。9.4.6微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例2.微型硅諧振式1279.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例9.4.3

振膜式壓力傳感器應(yīng)用舉例9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例9.4.5

壓電式諧振傳感器應(yīng)用舉例9.4.6

微型硅諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√√√√9.4諧振式傳感器應(yīng)用舉例9.4.1振弦式傳感器應(yīng)用128第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例√√√√第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理√√129第9章作業(yè)9.7、9.8第9章作業(yè)9.7、9.8130第9章

諧振式傳感器

諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化的裝置，也稱頻率式傳感器。

優(yōu)點：①精度高、分辨力高；②穩(wěn)定性高、可靠性高、抗干擾能力強；③適于長距離傳輸且功耗低；④能直接與數(shù)字設(shè)備相連接；⑤無活動部件，機械結(jié)構(gòu)牢固等。第9章諧振式傳感器諧振式傳感器是直接將被測量131第9章

諧振式傳感器

缺點：①要求材料質(zhì)量較高；②加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、成本較高；③其輸出頻率與被測量的關(guān)系往往是非線性的，須進行線性化處理才能保證良好的精度。

諧振式傳感器種類很多，按它們諧振的原理可分為：機械的、電的和原子的三類。常用電子振蕩器有RC振蕩電路和石英晶體振蕩電路等。第9章諧振式傳感器缺點：①要求材料質(zhì)量較高；132第9章

諧振式傳感器

1.RC振蕩器式溫度—頻率傳感器

如圖所示，它利用熱敏電阻RT測量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，振蕩頻率與RT有關(guān)。該電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一種RC文氏電橋正弦波發(fā)生器。第9章諧振式傳感器1.RC振蕩器式溫度—頻率傳感器133

2.MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器

環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個首尾相連成閉環(huán)的反相器組成，如圖所示。輸出頻率與每個門的平均延遲時間及門的數(shù)目成反比。第9章

諧振式傳感器2.MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器第9章諧振式傳感134第9章

諧振式傳感器

MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器利用了MOS管的力敏效應(yīng)。如圖所示，在應(yīng)力作用下，由于硅的壓阻效應(yīng)，MOS管源、漏極之間的溝道電阻將發(fā)生變化。從而改變反相器的延遲時間。第9章諧振式傳感器MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感135第9章

諧振式傳感器

如圖所示，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度作用下使硅梁發(fā)生彎曲變形時，在硅梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力S，從而使MOS管的特性發(fā)生改變。第9章諧振式傳感器如圖所示，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度136第9章

諧振式傳感器

加速度使得由MOS管組成的環(huán)形振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測振蕩頻率的改變可檢測加速度的大小。為了減小環(huán)境溫度的影響，可以采用如圖所示結(jié)構(gòu)。第9章諧振式傳感器加速度使得由MOS管組成的137第9章

諧振式傳感器

本章主要討論機械式諧振傳感器。它是一種頻率式數(shù)字傳感器。所謂頻率式數(shù)字傳感器是指，它能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的、便于處理的準(zhǔn)數(shù)字信號——頻率信號。第9章諧振式傳感器本章主要討論機械式諧振傳感138第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計要點9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.4

諧振式傳感器應(yīng)用舉例第9章諧振式傳感器9.1諧振式傳感器的類型與原理1399.1

諧振式傳感器的類型與原理

機械式諧振傳感器的基本組成如圖所示。振動元件是核心部件，稱為振子或諧振子?？刹捎瞄]環(huán)結(jié)構(gòu)，也可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)。補償裝置主要對溫度誤差進行補償。頻率檢測實現(xiàn)對周期信號頻率即諧振頻率的檢測，從而可確定被測量的大小。9.1諧振式傳感器的類型與原理機械式諧振傳感1409.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理9.1諧振式傳感器的類型與原理9.1.1諧振式傳感器1419.1.1

諧振式傳感器的類型

按諧振子的結(jié)構(gòu)，常見的諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，對應(yīng)的振子形狀分別為張絲狀、梁狀、膜片狀和筒狀。(a)張絲狀(b)梁狀(c)膜片狀(d)筒狀9.1.1諧振式傳感器的類型按諧振子的結(jié)構(gòu)，1429.1.1

諧振式傳感器的類型

振子材料有

①恒彈性模量的恒模材料，如鐵鎳恒彈合金等。但這種材料易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響。

②石英晶體，在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)性和極小的遲滯，特別是其品質(zhì)因數(shù)Q值極高，且不受環(huán)境溫度影響，性能長期穩(wěn)定。

③硅。9.1.1諧振式傳感器的類型振子材料有143

用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。振子常為膜片狀或梁狀，按振子上下表面形狀又分為扁平形、平凸形和雙凸形三種。其中雙凸形振子Q值最高可達(dá)106～107，因而較多采用。石英晶體的振動模式有長度伸縮、彎曲、面切變和厚度切變等，其中厚度切變是主要的應(yīng)用模式。(a)扁平形(b)平凸形(c)雙凸形9.1.1

諧振式傳感器的類型用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。144

根據(jù)能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般，在f/h＜15時，采用雙凸形。通常h取0.2～0.5mm。雙凸形晶片的優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力高，能抑制其他耦合作用。但加工較復(fù)雜。當(dāng)15＜f/h＜45時，采用平凸形，優(yōu)點是邊緣效應(yīng)小，振動活力較高，頻率溫度特性曲線一致性較好。

f/h＞45時，采用扁平形。9.1.1

諧振式傳感器的類型根據(jù)能陷理論，選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸1459.1.1

諧振式傳感器的類型

石英晶體振蕩器的基本原理

在石英晶體的電極上施加交變激勵電壓時，由于逆壓電效應(yīng)，石英晶體會產(chǎn)生機械振動。石英晶體是彈性體，它存在固有振動頻率。當(dāng)強迫振動頻率等于其固有振動頻率時會產(chǎn)生諧振。

思考題：固有頻率與諧振頻率是否相同？為什么？9.1.1諧振式傳感器的類型石英晶體振蕩器的基本原理1469.1.1

諧振式傳感器的類型

隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的興起，以硅為振子材料的硅微機械諧振傳感器越來越受到了重視。這種傳感器利用成熟的硅集成制造工藝，能得到大批量的可靠性高、靈敏度高、價格低廉、體積小、功耗低的產(chǎn)品，特別是便于構(gòu)成集成化測量系統(tǒng)。其振子常為微懸臂梁、兩端固支微梁(橋)、方膜或圓膜等形狀，尺寸在微米量級。9.1.1諧振式傳感器的類型隨著微電子技術(shù)和1479.1

諧振式傳感器的類型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理√9.1諧振式傳感器的類型與原理9.1.1諧振式傳感器148

設(shè)振子等效剛度為ke，等效振動質(zhì)量為me，則振子諧振頻率f可近似表示為

若振子受到力的作用或其中的介質(zhì)質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化，其諧振頻率也會發(fā)生變化。此即機械式諧振傳感器的基本工作原理。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理設(shè)振子等效剛度為ke，等效振動質(zhì)量為me，則振子149

1.諧振頻率以振弦式諧振傳感器為例求其諧振頻率。如圖所示，一根兩端固定，長度為l，線密度(單位長度質(zhì)量)為r的弦，受到張力T作用。設(shè)振動幅度很小，可認(rèn)為弦內(nèi)張力不因振動而變。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理1.諧振頻率9.1.2諧振式傳感器的基本原理150

在x處取長度為dx的微段?？紤]到微段的質(zhì)量為rdx，及dq＝(q/x)dx，忽略重力的影響，則y方向運動方程為xyyxqTTdxq+dq9.1.2

諧振式傳感器的基本原理化簡得在x處取長度為dx的微段?？紤]到微段的質(zhì)量為rd1519.1.2

諧振式傳感器的基本原理因弦的斜率為q＝y(tǒng)/x，所以上式可變換為

式中，u2＝T/r，u可被證明為沿弦傳播的波速。9.1.2諧振式傳感器的基本原理因弦的斜率為q＝y(tǒng)/152

假設(shè)上式的解為將式(9.4)代入式(9.3)得

9.1.2

諧振式傳感器的基本原理假設(shè)上式的解為將式(9.4)代入式(9.3)得153

因方程左邊與t無關(guān)，右邊與x無關(guān)，所以兩邊必須都等于同一常量。令這一常量為－(w/u)2，即可得兩個微分方程9.1.2

諧振式傳感器的基本原理因方程左邊與t無關(guān)，右邊與x無關(guān)，所以兩邊必須都154其一般解為9.1.2

諧振式傳感器的基本原理其一般解為9.1.2諧振式傳感器的基本原理155

任意常數(shù)A、B、C、D取決于邊界條件和初始條件。邊界條件為y(0,t)＝y(tǒng)(l,t)＝0。y(0,t)＝0要求B＝0，即解必須具有如下形式而y(l,t)＝0則要求

9.1.2

諧振式傳感器的基本原理任意常數(shù)A、B、C、D取決于邊界條件和初始條件。156亦即要求振動角頻率滿足當(dāng)振弦一定時，諧振頻率f與張力T及長度l有關(guān)。將被測物理量轉(zhuǎn)換為T或l的改變量，即可通過測量f而確定被測量的大小。令n＝1，即可得諧振頻率(一次振型)為9.1.2

諧振式傳感器的基本原理亦即要求振動角頻率滿足當(dāng)振弦一定時，諧振頻率f與張力T及長度157

2.振動激勵方式

為測出諧振頻率，須設(shè)法激勵振子振動。起振后，還需要及時補充能量。給振子補充能量的方式一般有兩種：連續(xù)激勵法和間歇激勵法。(1)連續(xù)激勵法

是指按振子的振動周期補充能量，使其振幅維持不變。又可分為電流法、電磁法、電荷法和電熱法等。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理2.振動激勵方式9.1.2諧振式傳感器的基本原理158

①電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始振動。若不考慮阻尼，外接線路無需再給振弦提供電流，即可依靠彈性力維持等幅振動，振動頻率即諧振頻率。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理①電流法。接通電源時，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始159然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼外還有空氣阻尼等。振弦在運動過程中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該電勢通過外接閉合回路形成電流，使振弦受到大小正比于運動速度、方向和運動速度相反的磁場力的作用，此即電磁阻尼。設(shè)想將上述感應(yīng)電勢測出來，然后通過正反饋在振弦兩端加幅度相同、相位也相同的外接電勢，則不會產(chǎn)生電磁阻尼。若外接電勢略大于上述感應(yīng)電勢，還可消除其他阻尼的影響。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理然而阻尼總是存在的，除電磁阻尼外還有空氣阻尼等。160

電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，又因振弦通電，所以須考慮它與外殼絕緣問題。若絕緣材料的熱膨脹系數(shù)與振弦的熱膨脹系數(shù)差別大，則易產(chǎn)生溫度誤差。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理電流法的缺點是：振弦連續(xù)激勵容易疲勞，又因振弦通161

②電磁法，也稱線圈法。這種方法在振弦中無電流通過。用兩組電磁線圈，激振線圈用來連續(xù)激勵振弦，感應(yīng)線圈用來接收信號。通過外接電路形成正反饋，使振弦維持連續(xù)振動。1—鐵片；2—感應(yīng)線圈；3—放大器；4—激振線圈9.1.2

諧振式傳感器的基本原理②電磁法，也稱線圈法。這種方法在振弦中無電流通過1629.1.2

諧振式傳感器的基本原理

③電荷法。對振子材料為石英晶體的諧振式傳感器，用金屬蒸發(fā)沉積法在石英振梁上下表面對稱地設(shè)置四個電極。左邊兩個為一組，右邊兩個為一組。當(dāng)一組電極加上某方向的電場時，因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生厚度切變，矩形梁段變成平行四邊形；電場反向，平行四邊形的傾斜也反向。+-+-9.1.2諧振式傳感器的基本原理③電荷法。對1639.1.2

諧振式傳感器的基本原理

兩組電極所加電場的極性相反時，梁就呈一階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場的極性，梁向相反方向彎曲。這樣就可組成自激振蕩電路，使梁在一階彎曲狀態(tài)下起振，通過正反饋維持等幅振蕩。+-+-++--9.1.2諧振式傳感器的基本原理兩組電極所加164

④電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制作激振電阻，在一端制作壓敏拾振電阻。激振電阻中通以交變的激勵電流，產(chǎn)生橫向振動。拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用，阻值周期性變化，通過正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振動。1—硅微橋；2—激振電阻；3—拾振電阻；4—支柱；5—膜片9.1.2

諧振式傳感器的基本原理④電熱法。用半導(dǎo)體擴散工藝，在硅微橋上表面中部制1659.1.2

諧振式傳感器的基本原理(2)間歇激勵法

不是按振動周期，而是按一定的時間間隔(多個振動周期)給振子補充能量。振子在激勵脈沖作用下起振后做振幅逐漸衰減的振動，衰減到一定程度后再次激勵，使振幅再次達(dá)到最大值，重新開始下一輪衰減振動。1—鐵片；2—感應(yīng)線圈；3—永久磁鐵；4—電磁鐵9.1.2諧振式傳感器的基本原理