8.2振弦式传感器.ppt

8.2 振弦式传感器 8.2.1 工作原理 8.2.2 激振装置 8.2.3 振弦传感器的误差 8.2.4 振弦式传感器应用 概述 振弦式传感器具有良好的测量特性，它可以做到小于0.1%的非线性特性，0.05%的灵敏度和小于0.01%/℃的温度误差。 此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。 广泛应用于精密的压力、力、扭矩等测量中。 8.2.1 工作原理 振弦式传感器的工作原理如图8.2.1所示。 传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属振弦和振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振荡频率的变化。 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。 由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。 图8.2.1 振弦式传感器工作原理 (a) 结构示意 (b)电路原理图 振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。 如图8.2.1（a），一根有效长度为le的振弦在磁感应强度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生和电路i流过。 此时，振弦所感受的力为： 。 它可以分为两部分：一部分Fc用来克服弦的质量m的惯性，使它获得运动速度v；另一部分FL用来克服振弦作为一个横向弹性元件的弹性力。 据此，可以写出 （8.2.1） （8.2.2） 式中，ic为对应于力Fc的电流。感应电动势e等于 （8.2.3） 由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，其等效电容为： （8.2.4） 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变形位移，它的弹性力为： （8.2.5） 式中，k为振弦的横向刚度系数。 根据以下三式 ， ，和 可得 式中，iL为对应于力FL的电流。 由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，其等效电感为 振弦上流过的电流i=ic+iL。于是，弦的振动频率就可以按一般LC回路来计算，即 （8.2.8） 这个结果与从二阶振动系统求得的结果一致。 振弦的横向刚度系数与弦的张力T的关系为 代入式（8.2.8），则弦的振动频率可以写成 式（8.2.9）可以换算成下式 式中，σ为弦内的机械应力；ρ为弦的材料密度；E为弦材料的弹性模量；ε为弦的应变。 从式（8.2.10），取f对ε的微分，则得 （8.2.11） 式（8.2.11）为振弦的应变灵敏度表达式。 8.3.2 扭矩测量原理 振弦的等效LC谐振回路作为整个振荡电路中的正反馈网络，由于振弦对于它的固有振动频率有着非常尖锐的阻抗特性，电路只在其信号频率等于振弦的固有振动频率时才能达到振荡条件。 R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件和振荡幅值的作用。 R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。 图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器 （2）电磁式变换器 图8.2.2b为电磁式变换器的原理图，其中有两个磁钢和两个线圈。线圈1激励振弦振动，线圈2拾振并产生感应电动势。 图中线圈2检测到的电动势e被送到放大器输入端，经放大后送到电磁铁线圈1以补充能量。 只要放大器输出电流能满足构成振荡器的振幅和相位条件，振弦由于及时得到恰当的能量补充将维持连续振动，振动频率即为弦的固有频率。 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器，电路输出信号频率与作用力的大小有关，可以通过测量输出信号的频率来测量作用力。 8.2.3 振弦传感器的误差 1. 非线性误差 从式 可知，振弦式传感器的输出信号频率与作用力的关系是非线性的。 当振弦的初始作用力为T0和被测力为