9谐振传感器解析
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2
df dE 3 dl f E f 2 2 l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传感器 的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
第11章 谐振式传感器
振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计 运用：测量混凝土表面的应变，主 要设计用于安装到混凝土结构上， 如:混凝土结构、桩；梁；桥；锚 筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土 结构上以及使用区间有限的部位 仅需一个小截面即可安装。
幅频特性曲线
第11章 谐振式传感器
相频特性曲线
第11章 谐振式传感器
谐振子的机械品质因数Q
定义：
意义：Q反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢， 也反映了幅频特性曲线陡峭的程度，即选频的能力，而且Q值高， 说明系统的谐振频率和固有频率接近，系统比较稳定，重复性好。
第11章 谐振式传感器
优化谐振子的工作环境，使其不受被测介质的影响
一般实际的谐振子较其材料的Q值下降1-2个数量级
第11章 谐振式传感器
频率输出谐振式传感器的测量方法 频率测量法
测量1秒内出现的脉冲数，误差为1Hz，要
提高分辨率，提高测量时间，影响动态性能，适合测 量高频信号 周期测量法 测量重复信号完成一个循环所需的时间。
1 El f 2 K 4l vl
2
1 E K 2 4l v
l l
2 fdf Kd
df K k d 2 f
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——材料的材质；几何尺寸
• 弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器
谐振传感器的重要组成部分是一个能作机械谐振 运动的振动元件，由于人们在设计传感器时使元件的 谐振频率对施加在元件上的外力非常敏感，而外力又 可由温度、压强等待测物理量依某种机制转换得来， 因此通过测量元件的谐振频率就可以对待测的物理量 作精确的测量，这就是谐振式传感器的基本工作原理
第11章 谐振式传感器
闭环自激系统 被测量
C补偿
R谐振 敏感 D信号 检测 O E激励 闭环系统的实现条件 频域 时域 A放大 输出
第11章 谐振式传感器
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
谐振状态及其评估
谐振现象
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
适合测量低频
第11章 谐振式传感器
谐振弦式压力传感器
特性方程
1 f = 2l
E l vl
第11章 谐振式传感器
间歇激发
当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使 磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在 线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势 的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即 可测量振弦张力的大小。
非线性
振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输出-输入
特性如下图所示。
源自文库
为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。
也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根 振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度 误差和非线性误差。
第11章 谐振式传感器
频率稳定性
1 El f 2 K 4l vl
显然Q值反映了谐振子振 动中阻尼比的大小及消耗 能量快慢的程度。同时也 反映了幅频特性曲线谐振 峰的陡峭的程度，即谐振 敏感元件选频能力的强弱。
第11章 谐振式传感器
高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性 能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设
计谐振式传感器的核心问题。
提高Q值的途径 选择Q值高的材料，石英、单晶硅等 采用较好的工艺，减少谐振子内部压力 阻止谐振子与外界振动的偶合
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的本质特征与独特优势是： ①输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而
解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算
机连接，便于远距离传输； ②传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特 征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入； ③谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性， 决定其具有高的灵敏度和分辨率； ④相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这 一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。
第11章 谐振式传感器
振弦式沉降仪
运用：用于测量和控制纵向 运动，水坝和河堤沉降；
建筑地基和储油罐的沉降
和隆起；海填埋的施工控 制；桥墩和桥拱座的沉降；
掩埋场的监测；
第11章 谐振式传感器
振动筒压力传感器
振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器， 于60年代末实用。图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力 传感器最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金 (如3J53)制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁 心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正 交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔， 被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱 壳内腔安置了一个起补偿作用的感温元件。
第11章 谐振式传感器
连续激发
连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个 用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2 接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振 弦的连续振荡。
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
传感器的特性分析 1、灵敏度
1 f = 2l E l vl
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有 频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的
输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数
字技术，便于与计算机结合。 频率和周期是能获得最高测量精度的物理参数，并且 不会因传输而降低其精度，适合于长距离传输，因而 具有精度高、可靠性好的特点。此外，谐振型传感器 无活动元件，是一种整体式的传感器，有牢固的机械 结构，可靠性和稳定性很好。
第11章 谐振式传感器
11.1谐振式传感器理论
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的组成
要实现一个谐振式传感器，需要做三个方面的工作：第 一，激励振动元件使之发生谐振；第二，在振动元件 和待测物理量之间实现耦合，使元件的谐振频率随待 测物理量的变化而变化；第三，拾取出振动元件的谐 振频率，利用谐振频率与待测物理量之间的耦合关系， 实现对待测量的间接测量。
df dE 3 dl f E f 2 2 l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传感器 的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
第11章 谐振式传感器
振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计 运用：测量混凝土表面的应变，主 要设计用于安装到混凝土结构上， 如:混凝土结构、桩；梁；桥；锚 筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土 结构上以及使用区间有限的部位 仅需一个小截面即可安装。
幅频特性曲线
第11章 谐振式传感器
相频特性曲线
第11章 谐振式传感器
谐振子的机械品质因数Q
定义：
意义：Q反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢， 也反映了幅频特性曲线陡峭的程度，即选频的能力，而且Q值高， 说明系统的谐振频率和固有频率接近，系统比较稳定，重复性好。
第11章 谐振式传感器
优化谐振子的工作环境，使其不受被测介质的影响
一般实际的谐振子较其材料的Q值下降1-2个数量级
第11章 谐振式传感器
频率输出谐振式传感器的测量方法 频率测量法
测量1秒内出现的脉冲数，误差为1Hz，要
提高分辨率，提高测量时间，影响动态性能，适合测 量高频信号 周期测量法 测量重复信号完成一个循环所需的时间。
1 El f 2 K 4l vl
2
1 E K 2 4l v
l l
2 fdf Kd
df K k d 2 f
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——材料的材质；几何尺寸
• 弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器
谐振传感器的重要组成部分是一个能作机械谐振 运动的振动元件，由于人们在设计传感器时使元件的 谐振频率对施加在元件上的外力非常敏感，而外力又 可由温度、压强等待测物理量依某种机制转换得来， 因此通过测量元件的谐振频率就可以对待测的物理量 作精确的测量，这就是谐振式传感器的基本工作原理
第11章 谐振式传感器
闭环自激系统 被测量
C补偿
R谐振 敏感 D信号 检测 O E激励 闭环系统的实现条件 频域 时域 A放大 输出
第11章 谐振式传感器
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
谐振状态及其评估
谐振现象
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
适合测量低频
第11章 谐振式传感器
谐振弦式压力传感器
特性方程
1 f = 2l
E l vl
第11章 谐振式传感器
间歇激发
当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使 磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在 线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势 的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即 可测量振弦张力的大小。
非线性
振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输出-输入
特性如下图所示。
源自文库
为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。
也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根 振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度 误差和非线性误差。
第11章 谐振式传感器
频率稳定性
1 El f 2 K 4l vl
显然Q值反映了谐振子振 动中阻尼比的大小及消耗 能量快慢的程度。同时也 反映了幅频特性曲线谐振 峰的陡峭的程度，即谐振 敏感元件选频能力的强弱。
第11章 谐振式传感器
高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性 能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设
计谐振式传感器的核心问题。
提高Q值的途径 选择Q值高的材料，石英、单晶硅等 采用较好的工艺，减少谐振子内部压力 阻止谐振子与外界振动的偶合
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的本质特征与独特优势是： ①输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而
解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算
机连接，便于远距离传输； ②传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特 征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入； ③谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性， 决定其具有高的灵敏度和分辨率； ④相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这 一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。
第11章 谐振式传感器
振弦式沉降仪
运用：用于测量和控制纵向 运动，水坝和河堤沉降；
建筑地基和储油罐的沉降
和隆起；海填埋的施工控 制；桥墩和桥拱座的沉降；
掩埋场的监测；
第11章 谐振式传感器
振动筒压力传感器
振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器， 于60年代末实用。图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力 传感器最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金 (如3J53)制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁 心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正 交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔， 被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱 壳内腔安置了一个起补偿作用的感温元件。
第11章 谐振式传感器
连续激发
连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个 用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2 接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振 弦的连续振荡。
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
传感器的特性分析 1、灵敏度
1 f = 2l E l vl
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有 频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的
输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数
字技术，便于与计算机结合。 频率和周期是能获得最高测量精度的物理参数，并且 不会因传输而降低其精度，适合于长距离传输，因而 具有精度高、可靠性好的特点。此外，谐振型传感器 无活动元件，是一种整体式的传感器，有牢固的机械 结构，可靠性和稳定性很好。
第11章 谐振式传感器
11.1谐振式传感器理论
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的组成
要实现一个谐振式传感器，需要做三个方面的工作：第 一，激励振动元件使之发生谐振；第二，在振动元件 和待测物理量之间实现耦合，使元件的谐振频率随待 测物理量的变化而变化；第三，拾取出振动元件的谐 振频率，利用谐振频率与待测物理量之间的耦合关系， 实现对待测量的间接测量。