【正文】 fSffffff?DD?D????????? D???????? D?d 諧振式傳感器的特性 ).( 1692200 TTffff D????????? D+D 為了得到良好的線性關(guān)系 ， 常常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu) 。 T12341— 鐵片； 2— 感應(yīng)線圈； 3— 永久磁鐵； 4— 電磁鐵 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 √ √ 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 √ 諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 諧振式傳感器通過(guò)測(cè)量諧振頻率來(lái)確定被測(cè)量的大小 ， 而 諧振頻率與被測(cè)量之間通常是非線性關(guān)系 。 激振電阻中通以交變的激勵(lì)電流 ， 產(chǎn)生橫向振動(dòng) 。 + + 諧振式傳感器的基本原理 兩組電極所加電場(chǎng)的極性相反時(shí) ， 梁就呈一階彎曲狀態(tài)；變換這兩組電極上電場(chǎng)的極性 ， 梁向相反方向彎曲 。 T12341— 鐵片； 2— 感應(yīng)線圈；3— 放大器； 4— 激振線圈 諧振式傳感器的基本原理 諧振式傳感器的基本原理 ③ 電荷法 。 諧振式傳感器的基本原理 ② 電磁法 ， 也稱 線圈法 。 設(shè)想將上述感應(yīng)電勢(shì)測(cè)出來(lái) ， 然后通過(guò) 正反饋 在振弦兩端加幅度相同 、 相位也相同的外接電勢(shì) ， 則不會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼 。 接通電源時(shí) ， 振弦內(nèi)的沖擊電流使振弦開(kāi)始振動(dòng) 。 給振子補(bǔ)充能量的方式一般有兩種： 連續(xù)激勵(lì)法 和 間歇激勵(lì)法 。 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(zhǎng)度 l有關(guān) 。 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(jí) 。 石英晶體是彈性體 ， 它存在固有振動(dòng)頻率 。 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 。 用石英晶體振子可制成性能優(yōu)良的壓電式諧振傳感器 。 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 。 可采用閉環(huán)結(jié)構(gòu) ， 也可采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu) 。 它是一種 頻率式數(shù)字傳感器 。 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 。 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 。 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 。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(cè)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 。 常用電子振蕩器有 RC振 蕩電路和石英晶體振蕩電路等 。 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 。 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 。 所謂頻率式數(shù)字傳感器是指 ， 它能直接將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的 、 便于處理的準(zhǔn)數(shù)字信號(hào) —— 頻率信號(hào) 。 補(bǔ)償裝置主要對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償 。 但這種材料易受外界磁場(chǎng)和周圍環(huán)境溫度的影響 。 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 。 一般 ，在 f/h≤15時(shí) ， 采用雙凸形 。 當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等于其固有振動(dòng)頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振 。 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(dòng)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(dòng)質(zhì)量發(fā)生變化 ， 其諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化 。將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為 T或 l的改變量 ， 即可通過(guò)測(cè)量f而確定被測(cè)量的大小 。 (1)連續(xù)激勵(lì)法 是指 按振子的振動(dòng)周期補(bǔ)充能量 ， 使其振幅維持不變 。 若不考慮阻尼 ， 外接線路無(wú)需再給振弦提供電流 ， 即可依靠彈性力 維持等幅振動(dòng) ， 振動(dòng)頻率即諧振頻率 。 若外接電勢(shì)略大于上述感應(yīng)電勢(shì) ， 還可消除其他阻尼的影響 。 這種方法在振弦中無(wú)電流通過(guò) 。 對(duì)振子材料為石英晶體的諧振式傳感器 ， 用金屬蒸發(fā)沉積法在石英振梁上下表面對(duì)稱地設(shè)置四個(gè)電極 。 這樣就可組成自激振蕩電路 ，使梁在一階彎曲狀態(tài)下起振 ， 通過(guò)正反饋維持等幅振蕩 。 拾振電阻受到交變的應(yīng)力作用 ， 阻值周期性變化 ， 通過(guò)正反饋電路使硅微橋按諧振頻率振動(dòng) 。 因此 ， 分析其特性時(shí)不僅要分析其輸出輸入關(guān)系 、 靈敏度等 ， 還要分析其非線性誤差 。 通過(guò)差頻電路測(cè)得兩弦的頻率差 ， 則不僅能提高靈敏度 ，還可減小非線性 。 ph2 rl 諧振式傳感器的特性 (4)壓電式諧振傳感器 石英振子壓力傳感器采用 厚度切變 振動(dòng)模式 AT切型 石英晶體制成 ， 用一整塊石英加工出振子和圓筒 ， 端蓋是密封的 ， 空腔被抽成真空 。 1432hl5p 諧振式傳感器的特性 諧振式傳感器的特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 諧振式傳感器的特性 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) √ 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 子 振子設(shè)計(jì)主要從以下幾方面考慮 。 通過(guò)適當(dāng)選擇振子的參數(shù)來(lái)提高靈敏度 。 Q的定義為 ).(每周因阻尼損耗的能量 每周平均存儲(chǔ)的能量 269?Q 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 對(duì)阻尼系數(shù) x1的弱阻尼系統(tǒng) ， 利用諧振子的幅頻特性可得 ?1A ()??1 ? 2?00AmA/m212/2/mA 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 式中 ， ? ?2對(duì)應(yīng)的幅值增益為 ， 稱為 半功率點(diǎn) 。 ).(/)/().()/(12 2892792100mffQAQD???????x 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 要提高 Q， 必須提高振子的固有頻率 f0， 也就必須采用彈性模量高 、 剛度大 、 質(zhì) 量小且參數(shù)穩(wěn)定的振子材料 。 鐵 對(duì)需要采用磁鐵激勵(lì)振蕩或進(jìn)行信號(hào)測(cè)量的諧振式傳感器 ， 磁場(chǎng)可由 永久磁鐵 產(chǎn)生 ， 也可用 直流電磁鐵 。 PF1 F 2 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 諧振式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在 電磁法激勵(lì)振弦 的方式中 ， 磁鐵一般用AlNiCoⅤ 硬磁合金 ， 激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈應(yīng)垂直放置 ， 以防