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1、一种利用机械共振原理的新型压力传感器引言体积(常用的遥测流体压力的电气机械式压力传、雕办扎&,由机械只%卜感器敏感元件和电气变换器两大部分创&、、,,,。长泉∋‘弹咋扶阅英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,电气变换器例如刁辰动平板询积)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#点图压力传感器!机械敏感元件总是在承受着来自前∗压力后两,,(个方向的压力所以在经历一个较长的空腔的体积,。+时间之后元件不可避免地发生蠕变振动平板的有效面积∀当必须要求压力传感器体积很小忽略弹性支承膜的刚性,则共振频率为,
2、时传感器内部的机械元件的位移必然是很小。,(’’,’’。−.∃.二见.+∀的。这就要。求放大器有很大的增益,,∗之间为了克服第二个缺点采用过各种各样的所以振荡周期/和归一化压力的关系,频率调制式传感器因为频率比电压或电流更为。,,0,二。。∀二容易进行精确的测量但是至今为止还没有/∀.常数.∗1。,一种传感器能够把上述两个缺点一起克服掉因此观测/值就可测出归一化的压力23本文提出一,种新型的电气机械式压力传感在附录中我们将推导出更为精确的表达,。。器它的输出信号是取决于压力的共振频率式/和∗之间的精确关系是,“二5然后用一个包含该压力传感器的振荡电路将/46.∗7
3、。,,共振频率测量出来上式中4和6是常数4由弹性支承膜的特性。工作原理决定,,虽然本传感器的工作原理适用于广阔的压必须注意由于小孔和空腔的影响存在,另一个共振频率。、力范围和各种流体介质但本文只讨论本传感。8、一8‘‘‘器在接近于大气压时的性能9∗%:叼;卜3一石八,)一一。&(∗<=,图#是传感器的结构形式一块有效质量—为∃的刚性板振动平板四周是弹性支承式中∗流体的密度,—。<、小孔的长度膜构成密闭腔的一个侧面壁在密闭腔的刚,。,流)#小孔的截面积性侧壁上开有一个小孔体便通过小孔以待侧的。为了避免对主要共振生产不良的影响,共压力进入空腔中、。。,,空腔内流体振频率?应比?小得多
4、也就是说小孔应由绝热过程的声学理论得知。的刚度由下式给出该尽可能的小和尽可能的长。,二>∀图∀是用来测定?的振荡电路它包括−三旦)#,一个电气机械式传感器一个机械电气式传感。式中8器和一个放大器电气机械式传感器用于使振流体的比热系数≅动板发生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3恤ΧΔ;诱<仲Ε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,耘·破娜跳腻减个空腔见图∀目的是避免振动板发生不卜呀尸3叫取」。这和对称的振动常用的直接辐射式扬声器膜。同时也(片相似是为了在不减小体积的情况。(篡鬓下增加−有效体积用下式表示二(,(0(5
5、(0ΒΑ.;。、、3『Ε亩:Φ,;、扎〔中Χ∀Χ3。Α比Α,和Α都小图1模型#的剖视图,用普通的动圈式送话器零件做成总质量为Β1克实验研究Χ3Χ1微秒。当压力由#3Χ大气压变到#3Β大气压模型#3。时,1Μ输出信号的周期相应变化#1这个数图1所示的实验模型用电动传声器的零件。。∀Φ:Η∋=Γ:ΗΙΗ∋Ηϑ值小于由式算出的∀ΒΜ制成两块聚对苯二酸乙烯2Γ7,8Κ,为了与精确的表达式作比较把实叩=∋=:Κ∋Η膜片平行对接中间隔一个金属,),。验数据改换一种格式再画出来从而得图环由一个动圈式传感元件驱动涂有铝层的)可见,4和6,由图如果选定适当的常数则。,曲线和数式十分
6、吻合另外还做过几个实验1,所用模型与图的类似结果发现#本传感器所需的功率比通常用的声艺,愁份概蒸9共学器件所需的功率小因为它是在共振状态下一#Λ汤蓉丫不万。受驱动3∀。二∀传感器的响应时间小于几毫秒3尹。。37、0;伽,,。图∀包含压力传感器的振荡电路小孔内空气的拚田矛妞但翁爸匆公谬护、Λ质=&量和机械阻力分别记作∃和8=&’丁弯形膜片的位移被一个静电元件转变为电信&。”耳谴号由于驱动力和弯形膜片位移之间有ΝΧ的8奋&;司33∀。:相位差,,上述同相反馈电路需要一个附外的宇家所以。二Ρ加的微分电路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〔大气压。压
7、力为传感器的频率选择性很尖锐7“”图第一模型压力传感电路的渝入输出关系测得弹性支承膜和空腔的刚度分别列为Η,3Π3−Χ)Ο#ΧΔ∀达因.厘米图所示的传感器有如下特点(,#7Θ#Χ。Ο。−达因.厘米#传感器总是工作在共振状态,Η(。−显著地小于−。由此可见∀驱动力不一定要正弦波输,出信号的周期和空气压力之间的关系示现在提出一种新型的电气机械式传感。,于图7在几分钟,,时间内周期的漂移量小于器实际上它是一种没有偏磁的电磁式传感一.。
