《数字式传感器》PPT课件(I)

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1、第十章数字式传感器谐振式传感器10.1原理与类型10.2特性和设计要点10.3转换电路10.4应用举例310.1原理与类型谐振式传感器是直接将被测量变化转换为物体谐振频率变化的装置，故也称为频率式传感器。输出信号为数字信号。410.1原理与类型特点：1.谐振式传感器因输出为频率信号而具有高精度、高分辨率、高抗干扰能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接的优点；2.因无活动部件而具有高稳定性和高可靠性，并可能制造出精度极高的传感器(目前可以做到精度超过万分之一)。缺点：要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周

2、期长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保证良好的精度。510.1原理与类型种类：按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原子的三类。这里分析机械式谐振传感器。610.1原理与类型工作核心：将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中振动部分被称为振子。应用：测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。机械振子的基本类型78振弦式振筒式910振梁式111213差动式振弦传感器原理14电流法电路15161.基本原理振子即机

3、械振动系统的谐振频率f可近似用下式表示(式中：k──振子材料的刚度；me──振子的等效振动质量。17基本工作原理：振子的谐振频率f与其刚度k和等效振动质量me有关，设其初始谐振频率为f0。那么，如果振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，从而使其谐振频率发生变化。变化之间的关系一般是非线性的。18工作过程：要使振子产生振动，就要外加激振力(激振元件)，要测量振子的振动频率则需要拾振元件，它们之间的关系如图所示。由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信

4、号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统，以维持振子持续振动。192.类型1)结构形式：图所示为常见的a张丝状、b膜片状、c筒状、d梁状等。因此相应的有振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。20材料:1.通常振子的材料采用诸如铁镍恒弹合金等具有恒弹性模量的所谓恒模材料。但这种材料较易受外界磁场和周围环境温度的影响。2.石英晶体21谐振式传感器的几种类型机械振子的基本类型2210.2特性和设计要点1.振弦式谐振传感器特性对于振弦式传感器，当振弦受张力T作用时，其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率f为(

5、式中l----振弦的线密度；l----振弦的有效振动长度。当弦的张力增加T时，由上式可得弦的振动频率f为23因为T/T<<1，所以可将上式中括弧里的项展开为幂级数，则上式为(单根振弦测压力时的非线性误差d为(为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。24差动式振弦传感器原理252.振膜式谐振传感器特性当膜片受压力

6、p作用而产生变形时，其等效刚度发生变化，膜片的谐振频率f变化。膜片受力而产生静挠度，其谐振频率f与膜片的中心静挠度Wp的关系可表示为膜片的中心静挠度Wp与均布压力p的关系可表示为式中c1、c──为与膜片尺寸、材料有关的常数；r、h、m──膜片的半径、厚度、泊松比。26输入输出特性是近似抛物线的非线性关系。振膜压力传感器输入输出特性压力－频率关系曲线27令f=f-f0，将公式两边平方之后整理得通常f/f0<<1，所以上式中的偶次项可以忽略。实际中(Wp/h)<<1，而c的值又不大，所以公式中的c(WP/h)3项

7、可以忽略，然后将Wp/h代入上式，可得忽略高次项后的线性输入输出关系如下这时，它的非线性误差d为灵敏度k为283.振筒式谐振传感器特性当筒受压力差p作用而引起筒上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，振筒的谐振频率f变化。根据材料力学可知，振动频率与压力的关系一般可以表示成下式式中a、b、c──与振子材料物理性质和结构参数有关的常数，可由实验求得，一般系数c很小，故项可忽略。29当系数a和b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，由上式可得式中:──压差灵敏度系数，与振筒的材料性质及尺寸有关；r、h、

8、、E──振筒的内半径、厚度、泊松比、弹性模量。可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频率之间近似成抛物线关系。30由上式得到因为f/f0<<1，相比之下(f/f0)2可忽略，所以该传感器的输入输出特性可近似成如下线性关系这时，它的非线性误差d为灵敏度k为31四、振梁式谐振传感器特性对石英振梁式传感器，当梁受压力p作用而引起梁上的应力发生变化时，其等效刚度发生变化，使