谐振式传感器解析,谐振式传感器工作原理、类型、优缺点和设计及其应用

网络整理 06-05 0评

  谐振式传感器是直接将被测量的变化转换为物体谐振特性变化的装置,其工作原理基于谐振技术,利用谐振子的振动频率、相位和幅值作为敏感参数,达到对压力,位移,密度等被测参数的测量。利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器,又称频率式传感器。当被测参量发生变化时,振动元件的固有振动频率随之改变,通过相应的测量电路,就可得到与被测参量成一定关系的电信号。

  70年代以来谐振式传感器在电子技术、测试技术、计算技术和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来。其优点是体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据传输、处理和存储等。按谐振元件的不同,谐振式传感器可分为振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和压电谐振式等(见振弦式传感器、振筒式传感器、振梁式传感器、振膜式传感器、石英晶体谐振式传感器)。谐振式传感器主要用于测量压力,也用于测量转矩、密度、加速度和温度等。

  谐振式传感器解析,谐振式传感器工作原理、类型、优缺点和设计及其应用

  以机械式谐振传感器为例,振子的谐振频率 可近似用下式表示:

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  式中:──振子材料的刚度;──振子的等效振动质量。可见,振子的谐振频率与其刚度和等效振动质量有关。设其初始谐振频率为,当振子受力或其中的介质质量等发生变化时,振子的等效刚度或等效振动质量会发生变化,从而使其谐振频率发生变化。

  要使振子产生振动,就要外加激振力(激振元件),要测量振子的振动频率则需要拾振元件。由激振元件激发振子振动,由拾振元件检测振子的振动频率,另外将此信号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统,以维持振子持续振动。图1给出了谐振传感器的基本结构图:

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  图1中,由ERD组成的电—机—电谐振子环节,是谐振式传感器的核心;由ERDA组成的闭环自激环节,是构成谐振式传感器的条件;由RDO(C)组成的信号检测、输出环节,是实现检测被测量的手段。

  谐振式传感器的类型及其优缺点

  谐振式传感器的类型

  谐振式传感器的种类很多,大体分为两类:一类是基于机械谐振结构谐振式传感器;另一类是MOS环振式谐振传感器。其中机械式谐振式传感器应用最广。机械式谐振传感器的振子可以有不同的结构形式,图所示为常见的a 张丝状、b 膜片状、c 筒状、d 梁状等,相应的有振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。

  通常振子的材料采用诸如铁镍恒弹合金等具有恒弹性模量的所谓恒模材料。但这种材料较易受外界磁场和周围环境温度的影响。石英晶体在一般应力下具有很好的重复性和最小的迟滞,其谐振子的品质因素Q值极高,并且不受环境温度影响,性能长期稳定,因此采用石英晶体作为振子可制成性能更加优良的压电式谐振传感器。其振子通常采用振膜或振梁形状,但按振子上下表面形状它又分为e 扁平形、f 平凸形和g 双凸形三种,如图2所示。表1给出了各种类型机械式谐振传感器的优缺点及应用领域。

  谐振式传感器解析,谐振式传感器工作原理、类型、优缺点和设计及其应用

  谐振式传感器的优缺点与应用领域

  谐振式传感器解析,谐振式传感器工作原理、类型、优缺点和设计及其应用

  谐振式传感器的设计

  谐振式传感器的振子是把被测量的变化转换为频率变化的关键元件,它对传感器的精度、灵敏度和稳定性等有很大影响,因此对它的设计要求较高,主要可从下述几个方面进行考虑。

  (1) 减小非线性

  谐振式传感器的特性曲线几乎都是非线性的。选择合适的工作点和最佳工作频段对减小非线性非常重要。为获得较高的测量精度,必须在转换电路中进行非线性校正。

  (2) 提高灵敏度

  可通过适当选择下面振子有关参数来提高灵敏度:密度、弹性模量、泊松比等材料物理特性参数;厚度、半径、长度等结构参数;初始谐振频率,预加载荷等。压电式谐振传感器采取围压加载方式时,其灵敏度最高。

  (3) 提高稳定性

  首先,应选择强度高、参数稳定的振子材料,如石英晶体,琴钢丝,铁镍横弹合金等;其次,应选择Q值较大的振子,Q值越大,谐振频率的稳定性越高,传感器的工作也越稳定,抗外界干扰的能力越强,其重复性也就越好;再次,要尽量提高材料的弹性极限,保证在最大载荷下,材料弹性变形为材料弹性极限的1/3~1/2以下;最后,结构上最好作成一体的,否则振子与其它部分的连接必须具有很强的抗滑能力。

  (4) 减小温度误差

  由于构成传感器的材料受温度影响,均将产生温度变形,造成输出信号的不稳定。为减小温度的影响,可采取下面措施:采用零温度系数的材料,或温度系数恒定的材料,而且其弹性模量受温度影响小;采用线路补偿;采取恒温措施;传感器设计成封闭系统,使传感器机械结构自身达到热补偿;对因温度变化而影响振子谐振频率变化的传感器部分,通过选取适当的尺寸和温度系数,保持胀缩平衡。

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  谐振式传感器的应用

  谐振式传感器因输出为频率信号而具有高精度、高分辨率、高抗干扰能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接的优点;又因无活动部件而具有高稳定性和高可靠性,并可能制造出精度极高的传感器(目前可以做到精度超过万分之一)。它的缺点是,要求材料质量较高,加工工艺复杂,所以生产周期长,成本较高;另外,其输出频率与被测量往往是非线性关系,需进行线性化处理才能保证良好的精度。

  由于谐振式传感器有许多优点,已迅速发展成为一个新的传感器家族,可用于多种参数的测量,例如压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。谐振式传感器主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。

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