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
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
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。
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 一种很有前途的传感器品种。
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Biblioteka Baidu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。

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。
（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。
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
图5-1-2 连续激励方式电路
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。
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。