最新9谐振传感器教学讲义PPT.ppt

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1、9谐振传感器谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数字技术，便于与计算机结合。频率和周期是能获得最高测量精度的物理参数，并且不会因传输而降低其精度，适合于长距离传输，因而具有精度高、可靠性好的特点。此外，谐振型传感器无活动元件，是一种整体式的传感器，有牢固的机械结构，可靠性和稳定性很好。谐振式传感器的本质特征与独特优势是：①输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机连接，

2、便于远距离传输；②传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；③谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定其具有高的灵敏度和分辨率；④相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。谐振状态及其评估谐振现象幅频特性曲线相频特性曲线谐振子的机械品质因数Q定义：意义：Q反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢，也反映了幅频特性曲线陡峭的程度，即选频的能力，而且Q值高，说明系统的谐振频率和固有频率接近，系统比较稳定，重复

3、性好。显然Q值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢的程度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐振敏感元件选频能力的强弱。高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设计谐振式传感器的核心问题。提高Q值的途径选择Q值高的材料，石英、单晶硅等采用较好的工艺，减少谐振子内部压力阻止谐振子与外界振动的偶合优化谐振子的工作环境，使其不受被测介质的影响一般实际的谐振子较其材料的Q值下降1-2个数量级频率输出谐振式传感器的测量方法频率测量法测量1秒内出现的脉

4、冲数，误差为1Hz，要提高分辨率，提高测量时间，影响动态性能，适合测量高频信号周期测量法测量重复信号完成一个循环所需的时间。适合测量低频谐振弦式压力传感器特性方程间歇激发当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。连续激发连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应

5、电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。传感器的特性分析1、灵敏度灵敏度k与材料系数K成正比而与弦的振动频率成反比。材料系数K——材料的材质；几何尺寸弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑非线性振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输出-输入特性如下图所示。为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度误差和非线性误差。频率稳定性振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传感

6、器的频率稳定性，而两者的影响是相反的。振弦式传感器的应用1、振弦式混凝土表面应变计运用：测量混凝土表面的应变，主要设计用于安装到混凝土结构上，如:混凝土结构、桩；梁；桥；锚筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土结构上以及使用区间有限的部位仅需一个小截面即可安装。振弦式沉降仪运用：用于测量和控制纵向运动，水坝和河堤沉降；建筑地基和储油罐的沉降和隆起；海填埋的施工控制；桥墩和桥拱座的沉降；掩埋场的监测；振动筒压力传感器振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器，于60年代末实用。图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器

7、最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金(如3J53)制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔，被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱壳内腔安置了一个起补偿作用的感温元件。外形振筒谐振筒压力传感器[～0.015％]采用电磁方式作为激励、拾振手段最突出的优点是与壳体无接触，但也有一些不足。如电磁转换效率低，激励信号中需引入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定性差，易于产生电磁

8、耦合等。近来发展了一种采用压电激励、压电拾振的新方案，见图。压电陶瓷元件直接贴于圆柱壳的波节处，筒内完全形成真空。谐振膜式压力传感器谐振式压力传感器就是利用压力变化来改变物体的谐振频率，从而通过测量频率变化来间接测量压力。谐振式压力传感器输出为频率信号，测量精度高，并且适用于长距离传输而不会降低其精度。谐振式压力传感器无活动元件，是一种整体式传感器，其信号输