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諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

振動傳感器 2020-06-01 276 0

  諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉換為物體諧振特性變化的裝置,其工作原理基于諧振技術,利用諧振子的振動頻率、相位和幅值作為敏感參數,達到對壓力,位移,密度等被測參數的測量。利用諧振元件把被測參量轉換為頻率信號的傳感器,又稱頻率式傳感器。當被測參量發生變化時,振動元件的固有振動頻率隨之改變,通過相應的測量電路,就可得到與被測參量成一定關系的電信號。

  70年代以來諧振式傳感器在電子技術、測試技術、計算技術和半導體集成電路技術的基礎上迅速發展起來。其優點是體積小、重量輕、結構緊湊、分辨率高、精度高以及便于數據傳輸、處理和存儲等。按諧振元件的不同,諧振式傳感器可分為振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和壓電諧振式等(見振弦式傳感器、振筒式傳感器、振梁式傳感器、振膜式傳感器、石英晶體諧振式傳感器)。諧振式傳感器主要用于測量壓力,也用于測量轉矩、密度、加速度和溫度等。

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  以機械式諧振傳感器為例,振子的諧振頻率 可近似用下式表示:

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  式中:──振子材料的剛度;──振子的等效振動質量。可見,振子的諧振頻率與其剛度和等效振動質量有關。設其初始諧振頻率為,當振子受力或其中的介質質量等發生變化時,振子的等效剛度或等效振動質量會發生變化,從而使其諧振頻率發生變化。

  要使振子產生振動,就要外加激振力(激振元件),要測量振子的振動頻率則需要拾振元件。由激振元件激發振子振動,由拾振元件檢測振子的振動頻率,另外將此信號經放大后輸送到激振元件中形成閉環系統,以維持振子持續振動。圖1給出了諧振傳感器的基本結構圖:

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  圖1中,由ERD組成的電—機—電諧振子環節,是諧振式傳感器的核心;由ERDA組成的閉環自激環節,是構成諧振式傳感器的條件;由RDO(C)組成的信號檢測、輸出環節,是實現檢測被測量的手段。

  諧振式傳感器的類型及其優缺點

  諧振式傳感器的類型

  諧振式傳感器的種類很多,大體分為兩類:一類是基于機械諧振結構諧振式傳感器;另一類是MOS環振式諧振傳感器。其中機械式諧振式傳感器應用最廣。機械式諧振傳感器的振子可以有不同的結構形式,圖所示為常見的a 張絲狀、b 膜片狀、c 筒狀、d 梁狀等,相應的有振動弦式、振動膜式、振動筒式、振動梁式等諧振傳感器之分。

  通常振子的材料采用諸如鐵鎳恒彈合金等具有恒彈性模量的所謂恒模材料。但這種材料較易受外界磁場和周圍環境溫度的影響。石英晶體在一般應力下具有很好的重復性和最小的遲滯,其諧振子的品質因素Q值極高,并且不受環境溫度影響,性能長期穩定,因此采用石英晶體作為振子可制成性能更加優良的壓電式諧振傳感器。其振子通常采用振膜或振梁形狀,但按振子上下表面形狀它又分為e 扁平形、f 平凸形和g 雙凸形三種,如圖2所示。表1給出了各種類型機械式諧振傳感器的優缺點及應用領域。

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  諧振式傳感器的優缺點與應用領域

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  諧振式傳感器的設計

  諧振式傳感器的振子是把被測量的變化轉換為頻率變化的關鍵元件,它對傳感器的精度、靈敏度和穩定性等有很大影響,因此對它的設計要求較高,主要可從下述幾個方面進行考慮。

  (1) 減小非線性

  諧振式傳感器的特性曲線幾乎都是非線性的。選擇合適的工作點和最佳工作頻段對減小非線性非常重要。為獲得較高的測量精度,必須在轉換電路中進行非線性校正。

  (2) 提高靈敏度

  可通過適當選擇下面振子有關參數來提高靈敏度:密度、彈性模量、泊松比等材料物理特性參數;厚度、半徑、長度等結構參數;初始諧振頻率,預加載荷等。壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時,其靈敏度最高。

  (3) 提高穩定性

  首先,應選擇強度高、參數穩定的振子材料,如石英晶體,琴鋼絲,鐵鎳橫彈合金等;其次,應選擇Q值較大的振子,Q值越大,諧振頻率的穩定性越高,傳感器的工作也越穩定,抗外界干擾的能力越強,其重復性也就越好;再次,要盡量提高材料的彈性極限,保證在最大載荷下,材料彈性變形為材料彈性極限的1/3~1/2以下;最后,結構上最好作成一體的,否則振子與其它部分的連接必須具有很強的抗滑能力。

  (4) 減小溫度誤差

  由于構成傳感器的材料受溫度影響,均將產生溫度變形,造成輸出信號的不穩定。為減小溫度的影響,可采取下面措施:采用零溫度系數的材料,或溫度系數恒定的材料,而且其彈性模量受溫度影響小;采用線路補償;采取恒溫措施;傳感器設計成封閉系統,使傳感器機械結構自身達到熱補償;對因溫度變化而影響振子諧振頻率變化的傳感器部分,通過選取適當的尺寸和溫度系數,保持脹縮平衡。

  諧振式傳感器解析,諧振式傳感器工作原理、類型、優缺點和設計及其應用

  諧振式傳感器的應用

  諧振式傳感器因輸出為頻率信號而具有高精度、高分辨率、高抗干擾能力、適于長距離傳輸、能直接與數字設備相連接的優點;又因無活動部件而具有高穩定性和高可靠性,并可能制造出精度極高的傳感器(目前可以做到精度超過萬分之一)。它的缺點是,要求材料質量較高,加工工藝復雜,所以生產周期長,成本較高;另外,其輸出頻率與被測量往往是非線性關系,需進行線性化處理才能保證良好的精度。

  由于諧振式傳感器有許多優點,已迅速發展成為一個新的傳感器家族,可用于多種參數的測量,例如壓力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。諧振式傳感器主要用于航空、航天、計量、氣象、地質、石油等行業中。

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