振弦式频率传感器

2、测量电路 频率的测量常用两种方法，一是直读法，即将传感器 的输出电动势经放大、整形后送计数器显示其频率值，或 者用数字频率计测量；二是比较法，即将传感器输出电动
势的频率与标准振荡器发出的频率相比较， 当两者频率相
等时，标准振荡器所指频率值就为被测频率值。 常用的比 较方法有用示波器显示的李沙育图形法、 用单机指示的谐

对于深井井下压力
的测量， 一般采用间 歇振荡电路， 可使连 线最少。如图5-1-1（c）
所示， 其输出波形是
一个衰减振荡， 但频 率不变，因此可通过频
率测量得到被测非电量
的数值。
2） 连续激励方式
振弦接在放大器的正反馈回 路中， 起着选频元件的作用。 因振弦在其固有频率下具有尖锐 的阻抗特性， 所以电路只能在 振弦的固有频率上才能满足振荡 条件。 电阻R1、R2和场效应管VD1 组成负反馈电路， 自动控制 起振条件和振幅， 而由R4、 R5及VD2和C组成的电路控制场 效应管的栅极电压， 自动稳 定输出信号幅度， 并为起振 创造条件。
振法及用检零指示器测量的差频法等。
三、振弦式传感器的应用
图5-1-3是振弦式压力传感器的原 理结构图，在圆形压力膜片 l的上、 下两侧安装了两根长度相同的振弦3、 4，它们被固紧在支座2上，并加上一 定的预应力。当它们受到激励而振动 时，产生的振动频率信号分别经放大、 振荡电路10、11后到混频器12进行混 频，所得差频信号经滤波、整形电路 输出。如无外力作用时，压力膜片上、 下两根振弦所受张力相同，受激励后 产生相同的振动频率，由混频器所得 差频信号的频率为零。如有外力F垂直 作用于柱体9上时，压力膜片受压弯曲， 图5-1-3 振弦式压力传感器 使上侧振弦3的张力减小，振动频率减 低，而下侧振弦4的张力增大，振动频 1—压力膜 2—支座 3、4—振弦 率增高。由混频器输出两者振动频率 5、6—拾振器 7、8—激振器 9—柱体 的差频信号，其频率随外力增大而升 10、11—放大、振荡电路 12—混频器 13—滤波整形电路 高。
一、振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元 件， 其结构如图5-1-1所示。
1—振弦 2—绝缘 夹具 3—夹具 4—永久磁铁线圈 5—膜片 6—永久 磁铁 7—激励电 磁铁 8—软铁块
图5-1-1 振弦式传感器原理及间歇激励方式图 （a） 自激式； （b） 他激式； （c） 激励与输出波形
当一根工作长度为l， 工作段质量为m的细 弦，一端固定，另一端施加一个初始张力F时， 弦的横向振动的固有频率f可由下式计算：
1 F f 2 ml
式（5-1-1）
式（5-1-1）说明，当m、l不变，张力F变化ΔF时， 弦的自振频率也有一个变化Δf。这里的ΔF是由压力p 经膜盒产生的，测出这个频率变化，便可得压力p。根 据力与应力、应变的关系， 通过测量弦的自振频率也 可以测量应力与应变。
二、频率测量方案
1、激励方式 1） 间歇激励方式 振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。
（1） 图5-1-1（a）为自激 式： 在弦的两侧放一永久磁铁， 工作时， 弦中通以脉冲电流， 脉冲电流受磁场作用使弦起振。 起振后， 弦作为导体在磁场中运 动， 感应出交变电动势， 通过 测量感应电动势的频率， 即为振 弦的自由振动频率。
（2） 图5-1-1（b）为他激式： 在弦的两侧分别放一个激励线圈和 测量线圈。激励线圈绕在软磁铁上， 测量线圈绕在永久磁铁上， 弦上 固定一个软铁块。 给激励线圈通 以脉冲电流， 振弦便被吸放一次， 开始起振。 振弦在振动中引起测 量线圈磁路的交替变化，线圈中便 感应出交变电动势，感应电动势的 频率就等于振弦的自由振动频率。 若振弦为铁磁材料，则可省去软铁 块。
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第5章
频率式及数字式传感器
掌握振弦频率传感器、数字编
码器、感应同步器、磁栅传感器、 光栅传感的工作原理、典型测量 电路
了解其典型应用
第一讲

振弦式频率传感器
一、振弦式频率传感器的结构原理
二、频率测量方案
三、振弦式传感器的应用
频率式及数字式传感器是近年来在电子 技术、测试技术、计算机技术和半导体集成 电路技术的基础上迅速发展起来的一种较新 的传感器类型。其优点是体积小，重量轻， 结构紧凑，分辨率高，精度高，以及便于数 据传输、处理和存储。随着数字处理及计算 机技术的发展，频率式及数字式传感器将是路
当电路不振荡时，输出信号为零， 场效应管处于偏压 状态，漏源间电阻较小，负反馈较弱，有利于起振。 振荡 时，输出信号经VD2整流，电容C滤波，R4、R5分压，得到一 个与输出信号幅度成正比的负电压，使场效应管漏源间电阻 增大， 负反馈加强。 输出信号越大，负反馈越强， 更能 达到稳定输出信号幅度的作用。
图5-1-4
振弦式转矩传感器
1、2—套筒 3、4、3’、4’—支架 5、6—振弦
振弦式转矩传感器的结构 如图5-1-4所示，将套筒1、2分 别卡在被测轴的两个相邻面上， 然后将振弦5与6分别安装在套 筒上的支架3、4和3＇、4＇上， 安装时必须使振弦具有一定的 预应力。当被测轴转动传递转 矩T时，轴产生扭转变形，致使 其两相邻截面扭转一个角度， 造成振弦5受到拉力，振弦6受 到压力。在被测轴的弹性变形 范围内，轴的扭转角与外加转 矩T成正比，而振弦的张力又与 扭转角成正比。与振弦式压力 传感器一样，可以用测量传感 器输出的差频信号来测量被测 轴上所承受的转矩。