传感器(第6版)第10章 谐振式传感器

2l l
2l l
T
第一节 原理与类型
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
f
f0[1
1 2
T T
1 ( T )2 1 ( T )3 ] 8 T 16 T
f0[11 2T T1 ( T )2] 8T
单根振弦测压力时的非线性误差δ为
f0
1 ( T )2 8T
第二节 应用举例
双管式的特点： ①两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。 ②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。 ③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。 ④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。
图10-3 差动式振弦传感器原理
第一节 原理与类型
（二）振膜式谐振传感器
1
f f0[1 c1(Wp / h)]2
Wp
/ h c(Wp
/ h)3
3(1 2 )
16
r4 Eh4
p
f
3 f0c1(1 2 )r4
32Eh4
p
1 ( f )
2 f0
第一节 原理与类型
（三）振筒式谐振传感器
②标 准 计 量 仪 器 对 其 他 压 力 传 感器标定。
1、微型应变片 2、平膜片(振子)3、电磁线圈 4、环状壳体5、压力室6、参考压力腔 7、基座8、导管
图10-8 振膜式压力传感器原理结构
第二节 应用举例
（三）振筒式传感器 优点：迟滞误差和漂移误差小，稳定性好，分辨率高以及轻便、成本低。 测量对象：气体的压力和密度。
1 (T )
f0
1 2
( T T
)
4T
第一节 原理与类型
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 (10-3) 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。
或等效振动质量发生变化，从而使其谐振频率发生变化。
第一节 原理与类型
谐振式传感器的组成 ①振子； ②激振元件：对振子施加激振力； ③拾振元件：测量振子的振动频率。
被测量
激振元件
振子
放大器
拾振元件 频率输出
第一节 原理与类型
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、
图10-9 振管式密度传感器（单管式） 图10-10 双管式密度传感器
第二节 应用举例
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。
双凸形）等。 谐振式传感器类型：振弦式、振膜式、振筒式、振梁式、压电式等。
图10-2 机械振子的基本类型
第一节 原理与类型
（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
f1 T
2l l
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
f 1 T T 1 T ( 1 T )
（五）压电式式谐振传感器 特点：振子和圆筒由一整块石英加工； 空腔为真空；振子两边一对电极连接 外电路组成振荡电路。 原理：静态压力p→静应力→切变模 量E66→固有频率f0 公式：
f0
1 2h
E66
图10-6 压敏石英振子结构原理图
第十章 谐振式传感器
第二节 应用举例
一、典型的谐振式传感器 （一）振弦式力传感器 ①测量锚索/锚杆加载或长期工作时的应力变化； ②工作原理：承压筒载荷转换为筒体应变。
第十章 谐振式传感器
第一节 原理与类型 第二节 应用举例
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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。
第十章 谐振式传感器
第一节 原理与类型
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：
f 1 k
2 me
k——振子材料的刚度； me——振子的等效振动质量。 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。
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
p a( f f0 ) b( f f0 )2 c( f f0 )3
f f0 1 Bp
f
f0B 2
p
1
( f
)
2 f0
第一节 原理与类型
（四）振梁式谐振传感器
p a( f 1) b( f 1)2 a f b( f )2
f0
f0
f0
f0
f
f0 a
p
b
( f
)
a f0
第一节 原理与类型
第二节 应用举例
（四）振梁式压力传感器 ①测力范围10e7N，固有频率动态范围为50Hz,故可测静态力和准静态 力； ②包含两个振动系统； ③由于这种传感器只有单根振梁，因此，非线性误差较大，当频率变 化10%，就有3%~5%的非线性误差。
第二节 应用举例
（五）压电谐振式压力传感器
图 10-7 振弦式锚索测力计结构原理
第二节 应用举例
（二）振膜式压力传感器
性能优异： ①高 的 稳 定 性 、 重 复 性 和 较 高 灵敏度（0.3~0.5kPa/Hz）； ②测量精度可达0.01%，重复性 达十万分之几，稳定性每年 0.01%~ 0.02% 。 应用： ①航 空 航 天 领 域 测 大 气 参 数 （静压及动压）、飞行高度、 飞行速度等；