第十章谐振式传感器讲述.ppt

三、振筒式传感器 测量对象：气体的压力和密度。 振筒式压力传感器 拾振器 谐振敏感元件 激励器 振管式密度传感器（单管式） 双管式密度传感器 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。 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。 第十章 谐振式传感器 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。 机械式谐振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。 k——振子材料的刚度； me——振子的等效振动质量。 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。 ?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。 激振元件 振子 拾振元件 放大器 被测量 频率输出 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、双凸形）等。 谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式等。 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 ρl——振弦的线密度； l——振弦的有效振动长度。 张力增加ΔT，振弦的振动频率变为 因为ΔT/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δ为 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(9-3)中的偶次幂项相抵消，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。 二、振膜式谐振传感器 对于右图所示的振膜式传感器，当膜片受压力p作用而产生变形时，其等效刚度发生变化，膜片的谐振频率f变化。 膜片受力而产生静挠度，其谐振频率f与膜片的中心静挠度Wp的关系可表示为 膜片的中心静挠度Wp与均布压力p的关系可表示为 式中c1、c──分别为与膜片尺寸、材料有关的常数； r、h、?──膜片的半径（m）、厚度（m）、泊松比（mm/mm）。 忽略高次项后的线性输入输出关系如下 非线性误差?为 灵敏度k为 三、振筒式谐振传感器 对右图所示的振筒式传感器，当筒受压力差p作用而引起筒上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率f变化。根据材料力学可知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式 式中 a、b、c ──与振子材料物理性质和结构参数有关的常量，可由实验求得，一般系数c很小，故项可忽略。 当系数a和b满足条件 和 时，由上式可得 式中 ──压差灵敏度系数，与振筒的材料性质及尺寸有关； 式中r、h、?、E ——振筒的内半径（m）、厚度（m）、泊松比（mm/mm）、弹性模量（Pa）。 可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频率之间近似成抛物线关系，如图所示。 传感器的输入输出特性可近似成如下线性关系 非线性误差?为 压力与输出频率关系曲线 灵敏度k为 四、振梁式谐振传感器 对于右图所示的振梁式传感器，当梁受压力p作用而引起梁上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，使振梁的谐振频率f变化。谐振频率f与压力p的关系可表示为 式中a、b──由振子材料物理特性和结构尺寸决定的常量。