振动传感器的原理及应用1
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近来发展了一种采用压电激励、压电拾 振的新方案，见下图压电陶瓷元件直接贴 于圆柱壳的波节处，筒内完全形成真空。
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压电激励方案
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（2）振动膜式传感器
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这种传感器的Q值很高，一般约为104， 因此，输出信号的通频带很窄。膜片是振 荡器中的谐振元件，振荡器的输出是频率 变化的正弦波信号，经放大、整形、限幅 后，作为高分辨力计数器的门控信号。这 样，就提供了正比于加在膜片上压力的计 数输出。使用的数字线性化电路与振筒式 压力传感器相类似，不再赘述。
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（3）振弦夹紧装置 传感器工作时振弦处于拉紧的状态，振
弦两端必须与支架和运动部分固接，一般采 用专门的夹紧装置。对它的要求是：
① 抗滑能力好，振弦在长期受拉或反复 振动的情况下，夹头不松动；
② 加工简单，安装振弦方便，易拆卸， 能反复使用，能任意调整弦的初始频率。
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2．工作原理
要测量振弦固有频率f0的变化，必须先激发振弦起振， 其激发方法有两种：
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振动梁式传感器
下图所示为由石英晶体谐振器构成的振
梁式差压传感器。两个相对的波纹管用来接
收输入压力P1与P2，作用在波纹管有效面 积上的压力差产生一个合力，造成了一个绕
支点的力矩，该力矩由石英晶体的拉伸力或
压缩力来平衡，这样就改变了晶体的谐振频
率。频率的变化是被测压力的单值函数，从
而达到了测量目的。
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（3）振动弦式传感器
1. 结构特点 振弦式压力传感器的主要结构如下图所示
（1）振弦 振弦是把待测压力值的变化转变为频率
变化的敏感元件，对传感器的精度、灵敏 度、稳定性起决定的作用。对振弦材料的 要求是：
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① 抗拉强度高。 ② 弹性模量大。
③ 磁性和导电性能好。 ④ 线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。
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（2）磁铁 根据振弦振动的激发方式不同，可以只用
一块磁铁，或者用两块性能相同的磁铁，见 图5-14。磁场可以由永久磁铁或直流电磁铁 产生，永久磁铁一般用AlNiCo-5硬磁合金制 造。在采用电磁铁的场合，常把磁铁做成U 形，电磁线圈安置在U形磁铁的一臂，这时， 磁力线的通路是磁铁-纯铁片-振弦-磁铁，形 成一个封闭的磁回路。
（1）间歇激发法 图所示为间歇激发 的振弦压力传感器 的示意图。
（2）连续激发法
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连续激发时，振弦也是置于电磁铁的磁 场中，同时，振弦通以交变电流，由于电磁 感应，振弦受到一个垂直于磁力线的作用力， 从而激发振弦作频率等于其自振频率的周期 运动。然而，同间歇激发一样，由于阻力作 用，振弦的自振也将逐渐衰减，因此必须补 给能量以维持振弦稳定的等幅振荡。
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下面扼要叙述差压传感器的主要组件及其作 用。
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1、 振动梁谐振器
振动梁是压力传感器的敏感元件，横 跨在传感中央。石英晶体振动梁不直接固 定在产生输出力的构件上，以防止反作用 力和力矩造成基座上的能量损失，从而使 品质因素Q值降低。同时外界的有害干扰 也会
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传递进来，降低稳定性，直接影响谐振器 的性能。梁的形状选择得使其成为一种以 弯曲方式振动的两端固定梁，这种形状的 感受力的灵敏度高，即施加单位应力引起 的频率变化大。
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。
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一、概述
二、原理 1、振动筒传感器 2、振动膜式传感器 3、振动弦式传感器 4、振动梁式传感器
三、应用及产品
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（1）振动筒传感器
振动筒传感器是一种典型的敏感频率的 振动传感器，于60年代末实用。下图给出 了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器 最早使用的原理结构。其测量敏感元件是 一个恒弹合金（如3J53）制成的带有顶盖 的薄壁圆柱壳。
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（2） 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；
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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；
Fra Baidu bibliotek
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2、机械隔离器
为了避免振梁与产生力的机械系统直 接连接，在振动梁两端固定着机械隔离系 统，它包括隔离器弹性体，隔离器质量块 以及弯曲去载区。隔离系统的自振频率要 选择得比振动梁的低得多（约低几个数 级），从而能有效地消除固定件对振动梁 的影
振动传感器的 原理及应用
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一、概述
二、原理 1、振动筒传感器 2、振动膜式传感器 3、振动弦式传感器 4、振动梁式传感器
三、应用及产品
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一、概述
基于谐振技术的谐振式传感器，自身 为周期信号输出（准数字信号），只用简 单的数字电路即可转换为微处理器容易接 受的数字信号。谐振式传感器的重复性、 分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微 处理器直接结合组成数字控制系统，自然 成为当今人们研究的重点。
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谐振式传感器大体分为两类：一类是基 于机械谐振结构谐振式传感器；另一类是 MOS环振式谐振传感器。这里主要介绍基 于机械谐振结构的谐振式传感器。它们可 利用振动频率、相位和幅值作为敏感信息 的参数。由于谐振式传感器有许多优点,也
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适于多种参数测量，如压力、力、转角、 流量、温度、湿度、液位、粘度、密度和 气体成分等，所以这类传感器已迅速发展 成为一个新的传感器家族。
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振动与激励元件均由铁芯和线圈组成， 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，在圆柱壳内安置了一个起补偿作用的 温度敏感元件。
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电磁激励振动筒压力传感器原理结构
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采用电磁方式作为激励、拾振手段最突 出的优点是与壳体无接触，但也有一些不 足。如电磁转换效率低，激励信号中需引 入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定 性差，易于产生电磁耦合等。
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（1）基本结构
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由ERD组成的电— 机— 电谐振子环节， 是谐振式传感器的核心。适当地选择激励 和拾振手段，构成一个理想的ERD，对设 计谐振式传感器至关重要。
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由ERDA组成的闭环自激环节，是构成 谐振式传感器的条件。
由RDO(C)组成的信号检测、输出环节， 是实现检测被测量的手段。
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压电激励方案
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（2）振动膜式传感器
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这种传感器的Q值很高，一般约为104， 因此，输出信号的通频带很窄。膜片是振 荡器中的谐振元件，振荡器的输出是频率 变化的正弦波信号，经放大、整形、限幅 后，作为高分辨力计数器的门控信号。这 样，就提供了正比于加在膜片上压力的计 数输出。使用的数字线性化电路与振筒式 压力传感器相类似，不再赘述。
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（3）振弦夹紧装置 传感器工作时振弦处于拉紧的状态，振
弦两端必须与支架和运动部分固接，一般采 用专门的夹紧装置。对它的要求是：
① 抗滑能力好，振弦在长期受拉或反复 振动的情况下，夹头不松动；
② 加工简单，安装振弦方便，易拆卸， 能反复使用，能任意调整弦的初始频率。
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2．工作原理
要测量振弦固有频率f0的变化，必须先激发振弦起振， 其激发方法有两种：
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振动梁式传感器
下图所示为由石英晶体谐振器构成的振
梁式差压传感器。两个相对的波纹管用来接
收输入压力P1与P2，作用在波纹管有效面 积上的压力差产生一个合力，造成了一个绕
支点的力矩，该力矩由石英晶体的拉伸力或
压缩力来平衡，这样就改变了晶体的谐振频
率。频率的变化是被测压力的单值函数，从
而达到了测量目的。
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（3）振动弦式传感器
1. 结构特点 振弦式压力传感器的主要结构如下图所示
（1）振弦 振弦是把待测压力值的变化转变为频率
变化的敏感元件，对传感器的精度、灵敏 度、稳定性起决定的作用。对振弦材料的 要求是：
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① 抗拉强度高。 ② 弹性模量大。
③ 磁性和导电性能好。 ④ 线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。
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（2）磁铁 根据振弦振动的激发方式不同，可以只用
一块磁铁，或者用两块性能相同的磁铁，见 图5-14。磁场可以由永久磁铁或直流电磁铁 产生，永久磁铁一般用AlNiCo-5硬磁合金制 造。在采用电磁铁的场合，常把磁铁做成U 形，电磁线圈安置在U形磁铁的一臂，这时， 磁力线的通路是磁铁-纯铁片-振弦-磁铁，形 成一个封闭的磁回路。
（1）间歇激发法 图所示为间歇激发 的振弦压力传感器 的示意图。
（2）连续激发法
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连续激发时，振弦也是置于电磁铁的磁 场中，同时，振弦通以交变电流，由于电磁 感应，振弦受到一个垂直于磁力线的作用力， 从而激发振弦作频率等于其自振频率的周期 运动。然而，同间歇激发一样，由于阻力作 用，振弦的自振也将逐渐衰减，因此必须补 给能量以维持振弦稳定的等幅振荡。
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下面扼要叙述差压传感器的主要组件及其作 用。
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1、 振动梁谐振器
振动梁是压力传感器的敏感元件，横 跨在传感中央。石英晶体振动梁不直接固 定在产生输出力的构件上，以防止反作用 力和力矩造成基座上的能量损失，从而使 品质因素Q值降低。同时外界的有害干扰 也会
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传递进来，降低稳定性，直接影响谐振器 的性能。梁的形状选择得使其成为一种以 弯曲方式振动的两端固定梁，这种形状的 感受力的灵敏度高，即施加单位应力引起 的频率变化大。
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。
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一、概述
二、原理 1、振动筒传感器 2、振动膜式传感器 3、振动弦式传感器 4、振动梁式传感器
三、应用及产品
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（1）振动筒传感器
振动筒传感器是一种典型的敏感频率的 振动传感器，于60年代末实用。下图给出 了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器 最早使用的原理结构。其测量敏感元件是 一个恒弹合金（如3J53）制成的带有顶盖 的薄壁圆柱壳。
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（2） 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；
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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；
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2、机械隔离器
为了避免振梁与产生力的机械系统直 接连接，在振动梁两端固定着机械隔离系 统，它包括隔离器弹性体，隔离器质量块 以及弯曲去载区。隔离系统的自振频率要 选择得比振动梁的低得多（约低几个数 级），从而能有效地消除固定件对振动梁 的影
振动传感器的 原理及应用
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一、概述
二、原理 1、振动筒传感器 2、振动膜式传感器 3、振动弦式传感器 4、振动梁式传感器
三、应用及产品
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一、概述
基于谐振技术的谐振式传感器，自身 为周期信号输出（准数字信号），只用简 单的数字电路即可转换为微处理器容易接 受的数字信号。谐振式传感器的重复性、 分辨率和稳定性等非常优良，又便于和微 处理器直接结合组成数字控制系统，自然 成为当今人们研究的重点。
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谐振式传感器大体分为两类：一类是基 于机械谐振结构谐振式传感器；另一类是 MOS环振式谐振传感器。这里主要介绍基 于机械谐振结构的谐振式传感器。它们可 利用振动频率、相位和幅值作为敏感信息 的参数。由于谐振式传感器有许多优点,也
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适于多种参数测量，如压力、力、转角、 流量、温度、湿度、液位、粘度、密度和 气体成分等，所以这类传感器已迅速发展 成为一个新的传感器家族。
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振动与激励元件均由铁芯和线圈组成， 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，在圆柱壳内安置了一个起补偿作用的 温度敏感元件。
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电磁激励振动筒压力传感器原理结构
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采用电磁方式作为激励、拾振手段最突 出的优点是与壳体无接触，但也有一些不 足。如电磁转换效率低，激励信号中需引 入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定 性差，易于产生电磁耦合等。
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（1）基本结构
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由ERD组成的电— 机— 电谐振子环节， 是谐振式传感器的核心。适当地选择激励 和拾振手段，构成一个理想的ERD，对设 计谐振式传感器至关重要。
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由ERDA组成的闭环自激环节，是构成 谐振式传感器的条件。
由RDO(C)组成的信号检测、输出环节， 是实现检测被测量的手段。