振弦式传感器 (2)

由上式可见，振弦的长度 和材料弹性模量 受温度的影响 直接影响传感器的稳定性，而两者的影响是相反的。
4.9.3 振弦式传感器的应用
• 除了振弦式传感器外，还有振筒式、振梁式和振膜式等传 感器，它们统称为谐振式传感器。它们的工作原理与特性 相似或相同，是20世纪70年代发展起来的。由于是频率式 传感器，频率测量的精度最高（可达10－13数量级），由 此成为最有发展前途的传感技术之一。它们被广泛应用于 测量机械扭矩、振动、位移、速度、加速度、力、应力、 压力、流体流量以及成分分析等。由于篇幅所限，仅介绍 振弦式压力传感器。
2.连续激发及测量电路 为了克服间歇激发振荡幅值逐渐减小 的缺点，可采用连续激发方式，其原理见图4-108。
图4-108 连续激发及测量电路 a）连续激发结构示意图 b）测量电路
4.9.2 振弦传感器的特性
• 灵敏度
式（4-126） 两边平方
f
2
1 4l 2
El
vl
K
2 fdf Kd
k df K
4.9 振弦式传感器
4.9.1 工作原理及测量电路 4.9.2 振弦传感器的特性 4.9.3 振弦式传感器的应用
4.9.1 工作原理及测量电路
工作原理
• 振弦式传感器的工作原理可用图4-106说明。由图可见，
在支点与活动支点间拉紧一根长度为l 、质量为m 的细弦，
当细弦受张力
F
作用时，其固有频率
f
• 由于简单振弦式传感器非线性严重，常用差动振弦式压力 传感器，其原理示意图见图4-110。
图4-110 差动振弦传感器
Do you have made a progress today ?
m
1 8
3 F
F
1 8
2 F
由上式可见，差动传感器的 线性度得到极大的改善。
图4-110 差动振弦传感器
• 频率稳定性
环境温度的变化是频率稳定性的主要影响因素。由式（4-
127）可知，体积密度 v 以及由F 引起的l 不随环境温度
变化。对式（4-127）两边取对数再微分得：
f
df f
dE E 3 dl 2 2l
d 2 f
材料系数K
K 1 E ES
4l 2 v 4l 2
l
l
• 由上式可见，灵敏度k 与材料系数K 成正比，而与弦的振 动频率成反比。材料系数K与材料的材质和几何尺寸有关， 减小弦丝的长度和增加弦丝的横截面积是提高灵敏度行之 有效的方法。但是弦丝长度 l 不能太短，一般 l 12 ~ 20mm 为宜，或l / d 300 ~ 500，其中d 为弦丝的直径。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 非线性误差
设被测张力为 F0时初始频率为f0，被测张力为F1 F0 F 时 振动频率为 f1，则：
f1
1 2
F0 F 1 ml 2
F0 ml
1 F F0
f0
1 F F0
f0
1
1 F f0 (1 F ) 2
F2
F0
f1
F时
f0 (1
1 2
F
1 8
2 F
1 16
3 F
)
f2
f0 (1
1 2
F
1 8
2 F
1 16
3 F
)
其二次方非线性误差为：
m
由上式可见， F愈大， m愈大。
1 8
f
0
2 F
1 2
f0 F
1 4
F
图4-109 输入输出特性
• 为改善非线性，常采用差动振弦传感器，见图4-110。
f
f1
f2
f0 ( F
1 8
3 F
)
于是可得其三次方非线性误差为：
为：
f
1
F
2 ml
f 1 ESl 1 El
2l l 2l vl
f (F)
传感器的振荡频率 f 与弦 图4-106 振弦式传感器的工作原理 所受张力F成单值函数关系。
弦的激发方式及测量电路
弦的激发方式有间歇激发和连续激发两种。 1.间歇激发及测量电路 间歇激发及测量电路见图4-107。
图4-107 间歇激发及测量电路 a）间歇激发及测量电路 b）振荡信号的波形