【正文】 傳感器原理與應(yīng)用 第 9章 諧振式傳感器 第 9章 諧振式傳感器 諧振式傳感器是 直接將被測量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振頻率變化 的裝置 ， 也稱 頻率式傳感器 。 優(yōu)點(diǎn) ： ① 精度高 、 分辨力高； ② 穩(wěn)定性高 、可靠性高 、 抗干擾能力強(qiáng)； ③ 適于長距離傳輸且功耗低； ④ 能直接與數(shù)字設(shè)備相連接； ⑤ 無活動部件 ， 機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固等 。 第 9章 諧振式傳感器 缺點(diǎn) ： ① 要求材料質(zhì)量較高； ② 加工工藝復(fù)雜 、 生產(chǎn)周期長 、 成本較高； ③ 其輸出頻率與被測量的關(guān)系往往是非線性的 ， 須進(jìn)行線性化處理才能保證良好的精度 。 諧振式傳感器種類很多 ， 按它們諧振的原理可分為： 機(jī)械的 、 電的和原子的三類 。 常用電子振蕩器有 RC振 蕩電路和石英晶體振蕩電路等 。 第 9章 諧振式傳感器 — 頻率傳感器 如圖所示 ， 它利用熱敏電阻 RT測量溫度 。 RT作為 RC振蕩器的一部分 ， 振蕩頻率與 RT有關(guān) 。 該電路是由運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一種 RC文氏電橋 正弦波發(fā)生器 。 環(huán)形振蕩器最基本的形式是由奇數(shù)個(gè)首尾相連成閉環(huán)的反相器組成 ， 如圖所示 。 輸出頻率與每個(gè)門的平均延遲時(shí)間及門的數(shù)目成反比 。 第 9章 諧振式傳感器 第 9章 諧振式傳感器 MOS環(huán)振式數(shù)字加速度傳感器利用了 MOS管的力敏效應(yīng) 。 如圖所示 ， 在應(yīng)力作用下 ， 由于硅的壓阻效應(yīng) ， MOS管源 、 漏極之間的溝道電阻將發(fā)生變化 ， 從而改變反相器的延遲時(shí)間 。 第 9章 諧振式傳感器 如圖所示 ， 當(dāng)質(zhì)量塊在加速度作用下使硅梁發(fā)生彎曲變形時(shí) ， 在硅梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力 S，從而使 MOS管的特性發(fā)生改變 。 第 9章 諧振式傳感器 為了減小環(huán)境溫度的影響 ， 可以采用如圖所示結(jié)構(gòu) 。 第 9章 諧振式傳感器 本章主要討論 機(jī)械式諧振傳感器 。 它是一種 頻率式數(shù)字傳感器 。 所謂頻率式數(shù)字傳感器是指 ， 它能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的 、 便于處理的準(zhǔn)數(shù)字信號 —— 頻率信號 。 第 9章 諧振式傳感器 諧振式傳感器的類型與原理 諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 諧振式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 諧振式傳感器應(yīng)用舉例 諧振式傳感器的類型與原理 機(jī)械式諧振傳感器的基本組成如圖所示 。 振動元件是核心部件 ， 稱為 振子 或 諧振子 。 可采用閉環(huán)結(jié)構(gòu) ， 也可采用開環(huán)結(jié)構(gòu) 。 補(bǔ)償裝置主要對溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償 。 頻率檢測實(shí)現(xiàn)對周期信號頻率即諧振頻率的檢測 ， 從而可確定被測量的大小 。 諧振式傳感器的類型與原理 諧振式傳感器的類型 諧振式傳感器的基本原理 諧振式傳感器的類型 按諧振子的結(jié)構(gòu) ， 常見的諧振式傳感器可分為振弦式 、 振梁式 、 振膜式 和 振筒式 ， 對應(yīng)的振子形狀分別為張絲狀 、 梁狀 、 膜片狀和筒狀 。 lTrphph2rllph (a)張絲狀 (b)梁狀 (c)膜片狀 (d)筒狀 諧振式傳感器的類型 振子材料有 ① 恒彈性模量的恒模材料 ， 如鐵鎳恒彈合金等 。 但這種材料易受外界磁場和周圍環(huán)境溫度的影響 。 ② 石英晶體 ， 在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)性和極小的遲滯 ， 特別是其品質(zhì)因數(shù) Q值極高 ， 且不受環(huán)境溫度影響 ， 性能長期穩(wěn)定 。 ③ 硅 。 用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器 。 振子常為膜片狀或梁狀 ， 按振子上下表面形狀又分為 扁平形 、 平凸形 和 雙凸形 三種 。 其中雙凸形振子 Q值最高可達(dá) 106～ 107， 因而較多采用 。石英晶體的振動模式有 長度伸縮 、 彎曲 、 面切變 和厚度切變 等 ， 其中厚度切變是主要的應(yīng)用模式 。 h(a)扁平形 (b)平凸形 (c)雙凸形 諧振式傳感器的類型 根據(jù) 能陷理論 ， 選擇諧振子外形的主要依據(jù)是徑向尺寸 f和晶片厚度 h之比值的大小 。 一般 ，在 f/h≤15時(shí) ， 采用雙凸形 。 當(dāng) 15＜ f/h≤45時(shí) ，采用平凸形 f/h＞ 45時(shí) ， 采用扁平形 。 諧振式傳感器的類型 諧振式傳感器的類型 石英晶體振蕩器的基本原理 在石英晶體的電極上施加交變激勵電壓時(shí) ，由于 逆壓電效應(yīng) ， 石英晶體會產(chǎn)生機(jī)械振動 。 石英晶體是彈性體 ， 它存在固有振動頻率 。 當(dāng)強(qiáng)迫振動頻率等于其固有振動頻率時(shí)會產(chǎn)生諧振 。 思考題：固有頻率與諧振頻率是否相同 ？ 為什么 ？ 諧振式傳感器的類型 隨著 微電子技術(shù) 和 微機(jī)械加工技術(shù) 的興起 ， 以硅為振子材料的 硅微機(jī)械諧振傳感器 越來越受到了重視 。 這種傳感器利用成熟的硅集成制造工藝 ， 能得到大批量的可靠性高 、 靈敏度高 、 價(jià)格低廉 、 體積小 、 功耗低的產(chǎn)品 ， 特別是便于構(gòu)成集成化測量系統(tǒng) 。 其振子常為微懸臂梁 、 兩端固支微梁 (橋 )、方膜或圓膜等形狀 ， 尺寸在 微米 量級 。 諧振式傳感器的類型與原理 諧振式傳感器的類型 諧振式傳感器的基本原理 √ 設(shè)振子 等效剛度 為 ke， 等效振動質(zhì)量 為 me，則振子諧振頻率 f可近似表示為 若振子受到力的作用或其中的介質(zhì)質(zhì)量發(fā)生變化 ， 導(dǎo)致振子的等效剛度或等效振動質(zhì)量發(fā)生變化 ， 其諧振頻率也會發(fā)生變化 。 此即機(jī)械式諧振傳感器的基本工作原理 。 )(π21eemkf ? 諧振式傳感器的基本原理 如圖所示 ， 一根兩端固定 ， 長度為 l， 線密度 (單位長度質(zhì)量 )為 r的弦 ， 受到張力 T作用 。 其諧振頻率 (一次振型 )為 lTxy 諧振式傳感器的基本原理 )(212π21ru? Tllf ???)(212π21ru? Tllf ???當(dāng)振弦一定時(shí) ， 諧振頻率 f與張力 T及長度 l有關(guān) 。將被測物理量轉(zhuǎn)換為 T或 l的改變量 ， 即可通過測量f而確定被測量的大小 。 諧振式傳感器的基本原理 為測出諧振頻率 ， 須設(shè)法激勵振子振動 。 起振后 ， 還需要及時(shí)補(bǔ)充能量 。 給振子補(bǔ)充能量的方式一般有兩種： 連續(xù)激勵法 和 間歇激勵法 。 (1)連續(xù)激勵法 是指 按振子的振動周期補(bǔ)充能量 ， 使其振幅維持不變 。 又可分為 電流法 、電磁法 、 電荷法 和 電熱法 等 。 諧振式傳感器的基本原理 ① 電流法 。 接通電源時(shí) ， 振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開始振動 。 若不考慮阻尼 ， 外接線路無需再給振弦提供電流 ， 即可依靠彈性力 維持等幅振動 ， 振動頻率即諧振頻率 。 N S放大正反饋T 諧振式傳感器的基本原理 然而阻尼總是存在的 ， 除 電磁阻尼 外還有 空氣阻尼 等 。 振弦在運(yùn)動過程中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢 ， 該電勢通過外接閉合回路形成電流 ， 使振弦受到大小正比于運(yùn)動速度 、 方向和運(yùn)動速度相反的磁場力的作用 ， 此即電磁阻尼 。 設(shè)想將上述感應(yīng)電勢測出來 ， 然后通過 正反饋 在振弦兩端加幅度相同 、 相位也相同的外接電勢 ， 則不會產(chǎn)生電磁阻尼 。 若外接電勢略大于上述感應(yīng)電勢 ， 還可消除其他阻尼的影響 。 諧振式傳感器的基本原理