一种利用机械共振原理的新型压力传感器_黄美超

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1、一种利用机械共振原理的新型压力传感器_黄美超一种利用机械共振原理的新型压力传感器引言常用的遥测流体压力的电气机械式压力传感器,由机械敏感元件和电气变换器两大部分组成。机械敏感元件(例如波纹管或膜片)用于将压力转变为静态位移,电气变换器(例如应变片或差动变压器)用于将位移转变为电压或电流。这些常用的压力传感器有下列两大缺点:(i)机械敏感元件总是在承受着来自前后两个方向的压力,所以,在经历一个较长的时间之后,元件不可避免地发生蠕变。(2)当必须要求压力传感器体积很小时,传感器内部的机械元件的位移必然是很小的。这就要求

2、放大器有很大的增益。为了克服第二个缺点,采用过各种各样的频率调制式传感器,因为频率比电压或电流更容易进行精确的测量。但是,至今为止,还没有一种传感器能够把上述两个缺点一起克服掉。本文提出一种新型的电气机械式压力传感器,它的输出信号是取决于压力的共振频率。然后,用一个包含该压力传感器的振荡电路将共振频率测量出来。工作原理虽然本传感器的工作原理适用于广阔的压力范围和各种流体介质,但本文只讨论本传感器在接近于大气压时的性能。图1是传感器的结构形式。一块有效质量为m的刚性板—振动平板四周是弹性支承膜,构成密闭腔的一个侧面壁

3、。在密闭腔的刚性侧壁上开有一个小孔,流体便通过小孔以待侧的压力进入空腔中。由绝热过程的声学理论得知,空腔内流体的刚度由下式给出:办扎、(创只S卜长泉t‘)、、雕(体积v),,,弹咋扶阅英刁辰动平板(询积5)图1压力传感器p压力v空腔的体积s振动平板的有效面积忽略弹性支承膜的刚性,则共振频率为:。。=(kv/m)’/’=(二见)’/’s(2)所以,振荡周期T和归一化压力p之间的关系为:TZ=(2二/。。)2二常数/p(3)因此,观测T值就可测出归一化的压力P.在附录中,我们将推导出更为精确的表达式。T和p之间的精

4、确关系是:T“二A+B/p(4)上式中,A和B是常数,A由弹性支承膜的特性决定。必须注意,由于小孔和空腔的影响,存在另一个共振频率。、:r、一frp‘S八‘l‘叼J卜一.—一石一,vpLh,(5)k二_三旦52式中:r流体的比热系数(1)式中:p流体的密度L、小孔的长度51,小孔的截面积。为了避免对主要共振生产不良的影响,共振频率w、应比w。小得多。也就是说,小孔应该尽可能的小和尽可能的长。图2是用来测定w。的振荡电路,它包括一个电气机械式传感器,一个机械电气式传感器和一个放大器。电气机械式传感器用于使振动板发生

5、振动;机械电气式传感器则用来检测振动平板的振动或空腔内的声压力。这三个单元构成一个同相反馈电路。在实用中,常常要用两块弹性支承膜和两个空腔(见图2),目的是避免振动板发生不对称的振动。这和常用的直接辐射式扬声器膜片相似。同时也是为了在不减小体积v的情况下增加kv。有效体积用下式表示:V二v,vZ/(v:+vZ)(6)V比V,和V:都小。恤JJ诱L仲0.7~)耘耘破娜跳腻减减卜卜·呀呀尸.叫取」」篡篡篡鬓鬓『~亩Jlo。、、,,J、扎〔中0.20.)图3模型1的剖视图实验研究模型1图3所示的实验模型用电动传声器的零件

6、制成。两块聚对苯二酸乙烯(Polyethylenete-r叩hthalate)膜片平行对接,中间隔一个金属环,由一个动圈式传感元件驱动。涂有铝层的艺艺艺蓉蓉愁愁份概概蒸f共共共111一!汤汤丫不万万万二.2用普通的动圈式送话器零件做成,总质量为63克0.03微秒。当压力由1.0大气压变到1.6大气压时,输出信号的周期相应变化13.3%。这个数值小于由(2)式算出的26%。为了与精确的表达式(4)作比较,把实验数据改换一种格式再画出来,从而得图5:由图5可见,如果选定适当的常数A和B,则曲线和数式十分吻合。另外还做过

7、几个实验,所用模型与图3的类似,结果发现:(1)本传感器所需的功率比通常用的声学器件所需的功率小,因为它是在共振状态下受驱动。(2)传感器的响应时间小于几毫秒。公爸匆谬田翁矛妞拚但图2包含压力传感器的振荡电路(小孔内空气的质量和机械阻力分别记作mh和rh弯形膜片的位移被一个静电元件转变为电信号。由于驱动力和弯形膜片位移之间有90”的相位差,所以,上述同相反馈电路需要一个附加的微分电路。二极管限幅器其输出不是正弦波而是类似于方波。可用于上述振荡电路,因为传感器的频率选择性很尖锐。测得弹性支承膜和空腔的刚度分别列为:k

8、e=0.58X10.达因/厘米(7)kv=14x10。达因/厘米(8)由此可见,ke显著地小于kv。输出信号的周期和空气压力之间的关系示于图4。在几分钟时间内,周期的漂移量小于尹尹伽.,护,、。!。。.4、ZZZJJJ\耳谴丁丁丁丁\\’\\\司司司司r奋JJJ家家外外外外外外外外外外外外外}}}.......2.。(l的宇宇宇压力〔大气