第9章 諧振式傳感器

傳感器原理與應(yīng)用第9章

諧振式傳感器第9章諧振式傳感器

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

優(yōu)點(diǎn)：①精度高、分辨力高；②穩(wěn)定性高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；③適于長(zhǎng)距離傳輸且功耗低；④能直接與數(shù)字設(shè)備相連接；⑤無(wú)活動(dòng)部件，機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固等。第9章

諧振式傳感器

缺點(diǎn)：①要求材料質(zhì)量較高；②加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本較高；③其輸出頻率與被測(cè)量的關(guān)系往往是非線性的，須進(jìn)行線性化處理才能保證良好的精度。第9章

諧振式傳感器諧振式壓力傳感器第9章

諧振式傳感器高精度諧振式壓力傳感器第9章

諧振式傳感器諧振式壓力變送器第9章

諧振式傳感器

諧振式傳感器種類(lèi)很多，按諧振原理可分為：機(jī)械的、電的和原子的三類(lèi)。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

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(cè)量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，振蕩頻率與RT有關(guān)。

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(gè)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(gè)門(mén)的平均延遲時(shí)間及門(mén)的數(shù)目成反比。第9章

諧振式傳感器第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(shí)間。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(shí)，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

本章主要討論機(jī)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(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的、便于處理的準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)——頻率信號(hào)。第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理

機(jī)械式諧振傳感器的基本組成如圖所示。振動(dòng)元件是核心部件，稱(chēng)為振子或諧振子?？刹捎瞄]環(huán)結(jié)構(gòu)，也可采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)償裝置主要對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型

按諧振子的結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的諧振式傳感器可分為振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，對(duì)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(lèi)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(chǎng)和周?chē)h(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(zhǎng)期穩(wěn)定。

③硅。

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(dòng)模式有長(zhǎng)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(lèi)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f和晶片厚度h之比值的大小。一般，當(dāng)f/h≤15時(shí)，采用雙凸形；當(dāng)15＜f/h≤45時(shí)，采用平凸形；當(dāng)f/h＞45時(shí)，采用扁平形。9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型

隨著微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的興起，以硅為振子材料的硅微機(jī)械諧振傳感器越來(lái)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(jià)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(cè)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(jí)。9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型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(dòng)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(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化，其諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化。此即機(jī)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

1.諧振頻率如圖所示，一根兩端固定，長(zhǎng)度為l，線密度(單位長(zhǎng)度質(zhì)量)為r的弦，受到張力T作用。其諧振頻率(一次振型)為：9.1.2

諧振式傳感器的基本原理當(dāng)振弦一定時(shí)，諧振頻率f與張力T及長(zhǎng)度l有關(guān)。將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為T(mén)或l的改變量，即可通過(guò)測(cè)量f而確定被測(cè)量的大小。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理

2.振動(dòng)激勵(lì)方式

為測(cè)出諧振頻率，須設(shè)法激勵(lì)振子振動(dòng)。起振后，還需要及時(shí)補(bǔ)充能量。給振子補(bǔ)充能量的方式一般有兩種：連續(xù)激勵(lì)法和間歇激勵(lì)法。(1)連續(xù)激勵(lì)法

是指按振子的振動(dòng)周期補(bǔ)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

①電流法。接通電源時(shí)，振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開(kāi)始振動(dòng)。若不考慮阻尼，外接線路無(wú)需再給振弦提供電流，即可依靠彈性力維持等幅振動(dòng)，振動(dòng)頻率即諧振頻率。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。振弦在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)通過(guò)外接閉合回路形成電流，使振弦受到大小正比于運(yùn)動(dòng)速度、方向和運(yùn)動(dòng)速度相反的磁場(chǎng)力的作用，此即電磁阻尼。9.1.2

諧振式傳感器的基本原理設(shè)想將上述感應(yīng)電勢(shì)測(cè)出來(lái)，然后通過(guò)正反饋在振弦兩端加幅度相同、相位也相同的外接電勢(shì)，則不會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼。若外接電勢(shì)略大于上述感應(yīng)電勢(shì)，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

電流法的缺點(diǎn)是：振弦連續(xù)激勵(lì)容易疲勞，又因振弦通電，所以須考慮它與外殼絕緣問(wèn)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

②電磁法，也稱(chēng)線圈法。這種方法在振弦中無(wú)電流通過(guò)。激振線圈用來(lái)連續(xù)激勵(lì)振弦，感應(yīng)線圈用來(lái)接收信號(hào)。通過(guò)外接電路形成正反饋，使振弦維持連續(xù)振動(dòng)。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9.1.2

諧振式傳感器的基本原理

③電荷法。對(duì)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(duì)稱(chēng)地設(shè)置四個(gè)電極，分為左、右兩組。當(dāng)一組電極加上某方向的電場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)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

兩組電極所加電場(chǎng)的極性相反時(shí)，梁就呈一階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場(chǎng)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(guò)正反饋維持等幅振蕩。+-+-++--

④電熱法。用半導(dǎo)體擴(kuò)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(lì)電流，產(chǎn)生橫向振動(dòng)。拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用，阻值周期性變化，通過(guò)正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振動(dòng)。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9.1.2

諧振式傳感器的基本原理(2)間歇激勵(lì)法

不是按振動(dòng)周期，而是按一定的時(shí)間間隔(多個(gè)振動(dòng)周期)給振子補(bǔ)充能量。振子在激勵(lì)脈沖作用下起振后做振幅逐漸衰減的振動(dòng)，衰減到一定程度后再次激勵(lì)，使振幅再次達(dá)到最大值，重新開(kāi)始下一輪衰減振動(dòng)。1—鐵片；2—感應(yīng)線圈；3—永久磁鐵；4—電磁鐵9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.1.1

諧振式傳感器的類(lèi)型9.1.2

諧振式傳感器的基本原理√√第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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√9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)諧振式傳感器通過(guò)測(cè)量諧振頻率來(lái)確定被測(cè)量的大小，而諧振頻率與被測(cè)量之間通常是非線性關(guān)系。因此，分析其特性時(shí)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(jì)則主要是振子的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)將被測(cè)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(jì)要點(diǎn)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(jì)要點(diǎn)

9.2.1

諧振式傳感器的特性

1.振弦式諧振傳感器特性

對(duì)圖示振弦式傳感器，其諧振頻率如式(9.13)所示。為了方便，寫(xiě)成：弦的張力增加DT后：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通常，通過(guò)選擇合適的工作點(diǎn)可使Df/f0<<1，從而可忽略上式中的平方項(xiàng)，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忽略非線性項(xiàng)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

為了得到良好的線性關(guān)系，常常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)差頻電路測(cè)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

2.其他諧振傳感器特性簡(jiǎn)介(1)振梁式諧振傳感器

振梁受到壓力p作用時(shí)，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)振膜式諧振傳感器

膜片受到壓力p作用時(shí)，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(3)振筒式諧振傳感器

振筒受到壓力p作用時(shí)，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。

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，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

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。腔壁受靜態(tài)壓力p作用時(shí)，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(5)硅微機(jī)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(shí)的諧振頻率。9.2.1

諧振式傳感器的特性9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(jì)要點(diǎn)

√9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.振子

振子設(shè)計(jì)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(diǎn)和最佳工作頻段，也可在轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行非線性校正；②采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)減小非線性、提高靈敏度，同時(shí)還可減小溫度等外界因素的影響；③采用厚度切變振動(dòng)模式AT切型石英晶體制作石英振子，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(jì)要點(diǎn)(2)提高靈敏度。通過(guò)適當(dāng)選擇振子的參數(shù)來(lái)提高靈敏度。①物理特性參數(shù)，包括材料的密度r、泊松比m、彈性模量E等；②結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括厚度h、半徑r、長(zhǎng)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(shí)，其靈敏度最高。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)(3)提高穩(wěn)定性。諧振式傳感器中，諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。Q的定義為：9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)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(jì)要點(diǎn)

式中，w1、w2對(duì)應(yīng)的幅值增益為

，稱(chēng)為半功率點(diǎn)。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(jì)要點(diǎn)

Q值反映了諧振子阻尼比的大小及振動(dòng)中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陡峭的程度，即振子選頻能力的強(qiáng)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(qiáng)，重復(fù)性也就越好。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(jì)要點(diǎn)(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小；②采用電路補(bǔ)償；③采取恒溫措施；④傳感器設(shè)計(jì)成封閉系統(tǒng)，使傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)自身達(dá)到熱補(bǔ)償；⑤對(duì)因溫度變化而影響振子諧振頻率的部分，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。

2.磁鐵

對(duì)需要采用磁鐵激勵(lì)振蕩或進(jìn)行信號(hào)測(cè)量的諧振式傳感器，磁場(chǎng)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(jì)要點(diǎn)9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電磁法激勵(lì)振弦的方式中，磁鐵一般用AlNiCo-Ⅴ硬磁合金，激勵(lì)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。

3.振弦?jiàn)A緊裝置

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

①將振弦兩端與支架及運(yùn)動(dòng)部分焊接；

②用夾緊裝置將振弦?jiàn)A緊。

一般采用第二種方法，為此需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的夾緊裝置。9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)9.2.2

諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)目前，振弦式傳感器中常用的夾緊裝置有銷(xiāo)釘式、錐形栓式和剪式等幾種。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)加工條件、精度要求、調(diào)頻及裝拆情況等方面來(lái)選擇，也可設(shè)計(jì)成其他形式的結(jié)構(gòu)。9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(jì)要點(diǎn)

√√第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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√√9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

按激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的方式可將轉(zhuǎn)換電路分為開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式兩種。前者是由單獨(dú)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，后者是由拾振環(huán)節(jié)的信號(hào)通過(guò)正反饋?zhàn)鳛榧?lì)信號(hào)。

為提高輸出輸入關(guān)系的線性度，對(duì)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(jìn)行輸出。9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開(kāi)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9.3.1

開(kāi)環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用間歇激勵(lì)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(jiǎn)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

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開(kāi)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√9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

這是采用連續(xù)激勵(lì)方式的諧振傳感器的轉(zhuǎn)換電路。連續(xù)激勵(lì)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

圖中，振弦等效諧振回路作為整個(gè)振蕩電路的正反饋網(wǎng)絡(luò)。R1、R2和場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓。9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路

電路停振時(shí)，輸出信號(hào)等于零，場(chǎng)效應(yīng)管零偏，其漏源極對(duì)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(hào)幅度的作用。

9.3.2

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(lì)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

應(yīng)變片檢測(cè)振子的振動(dòng)信號(hào)。IC1的輸出信號(hào)經(jīng)C2、R5及C3、R6兩級(jí)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(hào)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

3.電荷法轉(zhuǎn)換電路

壓電式諧振傳感器常用差頻檢測(cè)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(cè)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(jì)數(shù)器。9.3.2

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(bǔ)償溫度的影響，在微橋一端制作四個(gè)壓敏電阻，排列方式如圖(a)所示，置于微橋一端是因?yàn)槎瞬繎?yīng)變最大。(a)電阻布置9.3.2

閉環(huán)式轉(zhuǎn)換電路由于微橋的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，應(yīng)變主要沿長(zhǎng)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。R2和R4起溫度補(bǔ)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

圖(c)為自激測(cè)量系統(tǒng)。設(shè)激振電阻阻值為R，所加激勵(lì)電壓為Ucoswt，則熱激勵(lì)功率為：(c)閉環(huán)自激測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量系統(tǒng)其中：9.3.2

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(shí)，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(duì)閉環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)的總相移進(jìn)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(cè)量系統(tǒng)9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開(kāi)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√√9.3.3

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(hào)的頻率一般與被測(cè)量的開(kāi)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(huì)高達(dá)5～6%左右。為提高測(cè)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

諧振式傳感器輸出信號(hào)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

u2觸發(fā)CMOS單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，得到頻率仍為f，周期仍為T(mén)，但脈沖寬度為t的方波u3。t與f無(wú)關(guān)，是常量。

9.3.3

以頻率的平方為輸出的轉(zhuǎn)換電路

u3同時(shí)控制著兩個(gè)頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路，使它們?cè)诿總€(gè)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

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(chǎng)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(chǎng)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)換電路低通濾波后Uo＝(Ur2t)/T，Ur2＝(Ur1t)/T。所以：9.3

諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路9.3.1

開(kāi)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√√√第9章

諧振式傳感器9.1

諧振式傳感器的類(lèi)型與原理9.2

諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)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√√√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9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例振弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、測(cè)量范圍大、靈敏度高、測(cè)量電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于大壓力的測(cè)量，也可用來(lái)測(cè)位移、扭矩、力和加速度等。它的缺點(diǎn)是對(duì)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

1.振弦式壓力傳感器

圖示是測(cè)地層壓力用的振弦式壓力傳感器。測(cè)量時(shí)底座上的膜片與所要測(cè)量的地層面接觸。9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

2.振弦式加速度傳感器

通過(guò)調(diào)整端蓋上的螺釘，使得無(wú)加速度作用時(shí)，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(shí)，測(cè)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—?dú)んw；8—引線孔9.4.1

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(cè)量范圍大、耐沖擊等特點(diǎn)，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(cè)量、地震測(cè)量、爆破振動(dòng)與地基振動(dòng)測(cè)量。9.4.1

振弦式傳感器應(yīng)用舉例

3.振弦式傾斜傳感器

當(dāng)被測(cè)物傾斜角度發(fā)生變化，導(dǎo)致重物的重心轉(zhuǎn)動(dòng)，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

美國(guó)基康公司是該類(lèi)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4.振弦式錨索測(cè)力計(jì)

BGK-4900振弦式錨索測(cè)力計(jì)如圖所示。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9.4.2

振梁式傳感器應(yīng)用舉例

用彈性圓環(huán)作為敏感元件，可測(cè)靜態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力。有兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)用來(lái)測(cè)量，另一個(gè)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因只有單根振梁，非線性誤差較大。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

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9.4.3

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(wàn)分之幾，長(zhǎng)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，用來(lái)測(cè)量大氣參數(shù)(靜壓及動(dòng)壓)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)求飛行速度、飛行高度等飛行參數(shù)；它還常用來(lái)做為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器，標(biāo)定其他壓力傳感器或壓力儀表。此外，它也可測(cè)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

壓力膜片5的支架上固定著振動(dòng)膜片2，被測(cè)壓力p進(jìn)人空腔之后，壓力膜片發(fā)生變形，支架角度改變，使振動(dòng)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(dòng)膜片；3—激振線圈；4—放大振蕩電路；5—壓力膜片；6—空腔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9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例振筒式傳感器主要用于測(cè)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(dòng)時(shí)管中被測(cè)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(duì)兩端固定塊有反作用力，將引起基座運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量誤差。拾振器被測(cè)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)用舉例雙管式結(jié)構(gòu)可提高振動(dòng)頻率的穩(wěn)定性。兩管的振動(dòng)頻率相同但振動(dòng)方向相反，對(duì)固定基座的作用相互抵消，不引起基座運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)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(duì)管子振動(dòng)頻率的影響。9.4.4

振筒式傳感器應(yīng)用舉例

振筒式壓力傳感器如圖所示，精度可以達(dá)到0.015%。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