振弦式传感器解析PPT课件

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2020年9月28日
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✓ 由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。
✓ 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过 测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
✓ 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络， 起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和 C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。
式的原理图。 ✓ （1）磁电式变换器
如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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图8.2.1 振弦式传感器工作原理 (a) 结构示意 (b)电路原理图
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✓ 振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。
✓ 如图8.2.1（a），一根有效长度为le的振弦在磁感应强 度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生和电 路i流过。
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✓ 振弦的横向刚度系数与弦的张力T的关系为
k2T/l
✓ 代入式（8.2.8），则弦的振动频率可以写成
f 1 T 2 ml
✓ 式（8.2.9）可以换算成下式
（8.2.9）
f 1 1 E 2l 2l
（8.2.10）
✓ 式中，σ为弦内的机械应力；ρ为弦的材料密度；E为弦 材料的弹性模量；ε为弦的应变。
✓ 此时，振弦所感受的力为： FBlei。
✓ 它可以分为两部分：一部分Fc用来克服弦的质量m的惯性， 使它获得运动速度v；另一部分FL用来克服振弦作为一个 横向弹性元件的弹性力。
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✓ 据此，可以写出
Fc
Belic
md
dt
（8.2.1）
Bleicdt m
（8.2.2）
✓ 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压 状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似 等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，使回路的正 增益大大提高，有利于起振。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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✓ 从式（8.2.10），取f对ε的微分，则得
df 1 E E d 4l E 8l2f
（8.2.11）
✓ 式（8.2.11）为振弦的应变灵敏度表达式。
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88..23..22 激扭振矩装测置量原理
✓ 振弦振动有强迫振动、自由振动和自激振动三种方式。 ✓ 图8.2.2给出了振弦传感器在自激振动状态下的两种激励方
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8.2.1 工作原理
✓ 振弦式传感器的工作原理如图8.2.1所示。 ✓ 传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属振弦和
振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同 的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 ✓ 改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振荡频率的变 化。 ✓ 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。
式中，ic为对应于力Fc的电流。感应电动势e等于
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.3）
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✓ 由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路 中电容的作用，其等效电容为：
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.4）
✓ 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变形位移，它
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✓ 由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中
的电感，其等效电感为
L B 2le2 k
（8.2.7）
✓ 振弦上流过的电流i=ic+iL。于是，弦的振动频率就可以按 一般LC回路来计算，即
1/ LC k/m （8.2.8）
✓ 这个结果与从二阶振动系统求得的结果一致。
的弹性力为：
FL k
（8.2.5）
式中，k为振弦的横向刚度系数。
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✓ 根据以下三式
d
dt
， e Ble ，和 FL BeliL
可得
eBed d ltB ked ld F tLB k 2le2d d itL （8.2.6）
式中，iL为对应于力FL的电流。
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（2）电磁式变换器
✓ 图8.2.2b为电磁式变换器的原理图，其中有两个磁钢和 两个线圈。线圈1激励振弦振动，线圈2拾振并产生感应 电动势。
✓ 图中线圈2检测到的电动势e被送到放大器输入端，经放 大后送到电磁铁线圈1以补充能量。
✓ 只要放大器输出电流能满足构成振荡器的振幅和相位条 件，振弦由于及时得到恰当的能量补充将维持连续振动， 振动频率即为弦的固有频率。
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✓ 振弦的等效LC谐振回路作为整个振荡电路中的正反馈网 络，由于振弦对于它的固有振动频率有着非常尖锐的阻 抗特性，电路只在其信号频率等于振弦的固有振动频率 时才能达到振荡条件。
✓ R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
✓ R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳 定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。
✓ 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器， 电路输出信号频率与作用力的大小有关，可以通过测量 输出信号的频率来测量作用力。
8.2 振弦式传感器
8.2.1 工作原理 8.2.2 激振装置 8.2.3 振弦传感器的误差 8.2.4 振弦式传感器应用
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概述
✓ 振弦式传感器具有良好的测量特性，它可以做到小于0.1% 的非线性特性，0.05%的灵敏度和小于0.01%/℃的温度误差。
✓ 此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。 ✓ 广泛应用于精密的压力、力、扭矩等测量中。