第09讲 谐振式传感器.ppt

谐振式传感器 ? 一 概述 ? 二 谐振式传感器的理论基础 ? 三 振弦式谐振传感器 ? 四 振膜式谐振传感器 ? 五 振筒式谐振传感器 ? 六 振梁式谐振传感器 ? 七 压电式谐振传感器 八 应用举例 一 概述 基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出（准数字信号），只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自然成为当今人们研究的重点。 谐振式传感器大体分为两类：一类是基于机械谐振结构谐振式传感器；另一类是MOS环振式谐振传感器。本章主要介绍基于机械谐振结构的谐振式传感器。它们可利用振动频率、相位和幅值作为敏感信息的参数。由于谐振式传感器有许多优点，也适于多种参数测量，如压力、力、转角、流量、温度、湿度、液位、粘度、密度和气体成分等，所以这类传感器已迅速发展成为一个新的传感器家族。 二 谐振式传感器的理论基础 1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势 谐振式传感器的基本结构 由ERD组成的电— 机— 电谐振子环节，是谐振式传感器的核心。适当地选择激励和拾振手段，构成一个理想的ERD，对设计谐振式传感器至关重要。 由ERDA组成的闭环自激环节，是构成谐振式传感器的条件。 由RDO(C)组成的信号检测、输出环节，是实现检测被测量的手段。 实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动特性时，可以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下图）。图中k，m，c分别为等效刚度、等效质量和等效阻尼。其自由振动的运动方程为： 式中 ， ， kx分别为系统的惯性力、阻尼力和弹性力，它们分别表征维持系统运动状态的能力、消耗系统能量的程度和改变系统运动状态的能力。 单自由度振动系统 自由振动的解为 代入，有 由于谐振式传感器使用的振动系统总是有振荡的，故解应写为 式中i为虚数单位； ωn为系统的固有频率，取决于谐振敏感元件的固有特征；ε为系统的等效阻尼比； ωd为系统的振荡频率。 于是解为 式中A0， φ0由系统的初始条件确定。 由式可知： 增大时，系统的衰减加快，消耗能量快； ε增大时，系统的振荡周期增长；当ε→0时，(当ε=0时， )。这时系统处于简谐振动状态；振动频率只ωd与系统的固有状态有关。 当系统受到周期激励力作用时，由于周期函数可以展开为Fourier级数，若考虑为时，系统的振动方程为： 该方程的解包括两部分：一部分是系统初始条件引起的，其运动形式同上式；另一部分由外界激励引起的稳态解，可写为 式中C0是幅值为B的恒静力对系统产生的位移；A( ω)， φ( ω)分别称为系统的幅频特性和相频特性。下图给出了他们的示意图。 当 时，A( ω)达到最大值，有 这时系统的相角偏移为 由上面分析可知：谐振式传感器闭环自激的频率点必然接近于谐振敏感元件的固有频率。下面讨论闭环自激的条件。 首先从时域进行分析，见下图。从信号激励器来考虑，某一瞬时作用于谐振子上的信号为，于是信号检测器的输入信号满足 当 时，u2可写为： 当u2经检测器、放大器、激励器后，输出为可写为 于是满足下式时，系统以频率ω产生闭环自激。 称此为系统可自激的时域幅值、相位条件。 简言之，只要放大器能不断给系统补充由于阻尼所消耗的能量，同时通过调节移相器又能保证在每个周期同相位迭加，那么该系统就能进行等幅自激振荡。再从复频域分析，见图5-5。其中R(s)，E(s)，A(s)，D(s)分别为谐振子、激励器、放大器和拾振器的传递函数，s为拉氏算子。满足下式时，系统将以频率ω产生闭环自激。 时域分析 频域分析 称此为系统可自激的复频域幅值、相位条件。以上考虑的是在一点处的闭环自激条件，对于谐振式传感器，应在其整个工作频率范围( ωL， ωH)内均满足闭环自激条件。这就给设计传感器的放大器提出了特殊要求。 由上述分析可知：对于谐振式传感器，从检测信号的角度，它的输出可以写为 为归一化周期函数，满足：当 时， 。这里T为周期，A、ω、φ分别为检测信号的幅值、振频和相位，称为传感器检测信号x(t)的特征参数。 ，