振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件PPT课件.ppt

河南工业职业技术学院电气工程系第第5 5章章 频率式及数字式传感器频率式及数字式传感器Ø掌握振弦频率传感器、数字编掌握振弦频率传感器、数字编码器、感应同步器、磁栅传感器、码器、感应同步器、磁栅传感器、光栅传感的工作原理、典型测量光栅传感的工作原理、典型测量电路电路Ø了解其典型应用了解其典型应用第一讲第一讲 振弦式频率传感器振弦式频率传感器v一、一、振弦式频率传感器振弦式频率传感器的结构原理的结构原理v二、二、频率测量方案频率测量方案v三、三、振弦式传感器的应用振弦式传感器的应用 频率式及数字式传感器是近年来在电子频率式及数字式传感器是近年来在电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来的一种较新电路技术的基础上迅速发展起来的一种较新的传感器类型其优点是体积小，重量轻，的传感器类型其优点是体积小，重量轻，结构紧凑，分辨率高，精度高，以及便于数结构紧凑，分辨率高，精度高，以及便于数据传输、处理和存储随着数字处理及计算据传输、处理和存储随着数字处理及计算机技术的发展，频率式及数字式传感器将是机技术的发展，频率式及数字式传感器将是一种很有前途的传感器品种。

一种很有前途的传感器品种　　振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件，件， 其结构如图其结构如图5-1-15-1-1所示一、振弦式频率传感器的结构原理一、振弦式频率传感器的结构原理图图5-1-1 5-1-1 振弦式传感器原理及间歇激励方式图振弦式传感器原理及间歇激励方式图（（a a）） 自激式；自激式； （（b b）） 他激式；他激式； （（c c）） 激励与输出波形激励与输出波形 1—振弦振弦 2—绝缘绝缘夹具夹具 3—夹具夹具 4—永久磁铁线圈永久磁铁线圈5—膜片膜片 6—永久永久磁铁磁铁 7—激励电激励电磁铁磁铁 8—软铁块软铁块 当一根工作长度为当一根工作长度为l，， 工作段质量为工作段质量为m的细的细弦，一端固定，另一端施加一个初始张力弦，一端固定，另一端施加一个初始张力F时，时， 弦的横向振动的固有频率弦的横向振动的固有频率f可由下式计算：可由下式计算： 式（式（5-1-1）） 式（式（5-1-15-1-1）说明，当）说明，当m、、l不变，张力不变，张力F F变化变化ΔFΔF时，时，弦的自振频率也有一个变化弦的自振频率也有一个变化ΔΔf。

这里的这里的ΔFΔF是由压力是由压力p经膜盒产生的，测出这个频率变化，便可得压力经膜盒产生的，测出这个频率变化，便可得压力p根据力与应力、应变的关系，据力与应力、应变的关系， 通过测量弦的自振频率也通过测量弦的自振频率也可以测量应力与应变可以测量应力与应变 　　 （（1 1）） 图图5-1-15-1-1（（a a）为自激式：）为自激式： 在弦的两侧放一永久磁铁，在弦的两侧放一永久磁铁， 工作工作时，时， 弦中通以脉冲电流，弦中通以脉冲电流， 脉冲脉冲电流受磁场作用使弦起振电流受磁场作用使弦起振 起振起振后，后， 弦作为导体在磁场中运动，弦作为导体在磁场中运动， 感应出交变电动势，感应出交变电动势， 通过测量感通过测量感应电动势的频率，应电动势的频率， 即为振弦的自即为振弦的自由振动频率由振动频率 二、频率测量方案二、频率测量方案1 1、激励方式、激励方式1 1）） 间歇激励方式间歇激励方式　　振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式　　振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式　　（（2 2）） 图图5-1-15-1-1（（b b）为他激式：）为他激式： 在弦的两侧分别放一个激励线圈和在弦的两侧分别放一个激励线圈和测量线圈。

激励线圈绕在软磁铁上，测量线圈激励线圈绕在软磁铁上，测量线圈绕在永久磁铁上，测量线圈绕在永久磁铁上， 弦上弦上固定一个软铁块固定一个软铁块 给激励线圈通给激励线圈通以脉冲电流，以脉冲电流， 振弦便被吸放一次，振弦便被吸放一次，开始起振开始起振 振弦在振动中引起测振弦在振动中引起测量线圈磁路的交替变化，线圈中便量线圈磁路的交替变化，线圈中便感应出交变电动势，感应电动势的感应出交变电动势，感应电动势的频率就等于振弦的自由振动频率频率就等于振弦的自由振动频率若振弦为铁磁材料，则可省去软铁若振弦为铁磁材料，则可省去软铁块 　对对于于深深井井井井下下压压力力的的测测量量，， 一一般般采采用用间间歇歇振振荡荡电电路路，， 可可使使连连线线 最最 少少 如如 图图 5-1-5-1-1 1（（c c））所所示示，， 其其输输出出波波形形是是一一个个衰衰减减振振荡荡，， 但但频频率率不不变变，，因因此此可可通通过过频频率率测测量量得得到到被被测测非非电量的数值电量的数值 2 2）） 连续激励方式连续激励方式图图5-1-2 连续激励方式电路连续激励方式电路 振弦接在放大器的正反馈回振弦接在放大器的正反馈回路中，路中， 起着选频元件的作用。

起着选频元件的作用 因振弦在其固有频率下具有尖锐因振弦在其固有频率下具有尖锐的阻抗特性，的阻抗特性， 所以电路只能在所以电路只能在振弦的固有频率上才能满足振荡振弦的固有频率上才能满足振荡条件 电阻电阻R R1 1、、R R2 2和场效应管和场效应管VDVD1 1组成负反馈电路，组成负反馈电路， 自动控制自动控制起振条件和振幅，起振条件和振幅， 而由而由R R4 4、、R R5 5及及VDVD2 2和和C C组成的电路控制场效组成的电路控制场效应管的栅极电压，应管的栅极电压， 自动稳定自动稳定输出信号幅度，输出信号幅度， 并为起振创并为起振创造条件 当电路不振荡时，输出信号为零，当电路不振荡时，输出信号为零， 场效应管处于偏压场效应管处于偏压状态，漏源间电阻较小，负反馈较弱，有利于起振状态，漏源间电阻较小，负反馈较弱，有利于起振 振荡振荡时，输出信号经时，输出信号经VDVD2 2整流，电容整流，电容C C滤波，滤波，R R4 4、、R R5 5分压，得到一分压，得到一个与输出信号幅度成正比的负电压，使场效应管漏源间电阻个与输出信号幅度成正比的负电压，使场效应管漏源间电阻增大，增大， 负反馈加强。

负反馈加强 输出信号越大，负反馈越强，输出信号越大，负反馈越强， 更能更能达到稳定输出信号幅度的作用达到稳定输出信号幅度的作用  频频率率的的测测量量常常用用两两种种方方法法，，一一是是直直读读法法，，即即将将传传感感器器的的输输出出电电动动势势经经放放大大、、整整形形后后送送计计数数器器显显示示其其频频率率值值，，或或者者用用数数字字频频率率计计测测量量；；二二是是比比较较法法，，即即将将传传感感器器输输出出电电动动势势的的频频率率与与标标准准振振荡荡器器发发出出的的频频率率相相比比较较，， 当当两两者者频频率率相相等等时时，，标标准准振振荡荡器器所所指指频频率率值值就就为为被被测测频频率率值值 常常用用的的比比较较方方法法有有用用示示波波器器显显示示的的李李沙沙育育图图形形法法、、 用用单单机机指指示示的的谐谐振法及用检零指示器测量的差频法等振法及用检零指示器测量的差频法等 2 2、测量电路、测量电路三、振弦式传感器的应用三、振弦式传感器的应用图图5-1-35-1-3 振弦式压力传感器振弦式压力传感器1—1—压力膜压力膜 2— 2—支座支座 3 3、、4—4—振弦振弦 5 5、、6—6—拾振器拾振器 7 7、、8—8—激振器激振器 9— 9—柱体柱体 10 10、、11—11—放大、振荡电路放大、振荡电路 12— 12—混频器混频器 13—13—滤波整形电路滤波整形电路 图图5-1-35-1-3是是振弦式压力传感器的原振弦式压力传感器的原理结构图理结构图，在圆形压力膜片，在圆形压力膜片 l l的上、的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦下两侧安装了两根长度相同的振弦3 3、、4 4，它们被固紧在支座，它们被固紧在支座2 2上，并加上一上，并加上一定的预应力。

当它们受到激励而振动定的预应力当它们受到激励而振动时，产生的振动频率信号分别经放大、时，产生的振动频率信号分别经放大、振荡电路振荡电路1010、、1111后到混频器后到混频器1212进行混进行混频，所得差频信号经滤波、整形电路频，所得差频信号经滤波、整形电路输出如无外力作用时，压力膜片上、输出如无外力作用时，压力膜片上、下两根振弦所受张力相同，受激励后下两根振弦所受张力相同，受激励后产生相同的振动频率，由混频器所得产生相同的振动频率，由混频器所得差频信号的频率为零如有外力差频信号的频率为零如有外力F F垂直垂直作用于柱体作用于柱体9 9上时，压力膜片受压弯曲，上时，压力膜片受压弯曲，使上侧振弦使上侧振弦3 3的张力减小，振动频率减的张力减小，振动频率减低，而下侧振弦低，而下侧振弦4 4的张力增大，振动频的张力增大，振动频率增高由混频器输出两者振动频率率增高由混频器输出两者振动频率的差频信号，其频率随外力增大而升的差频信号，其频率随外力增大而升高图图5-1-4 5-1-4 振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器1 1、、2—2—套筒套筒 3 3、、4 4、、3’3’、、4’—4’—支架支架 5 5、、6—6—振弦振弦 振弦式转矩传感器的结构振弦式转矩传感器的结构如如图图5-1-4所示，将套筒所示，将套筒1、、2分别分别卡在被测轴的两个相邻面上，卡在被测轴的两个相邻面上，然后将振弦然后将振弦5与与6分别安装在套分别安装在套筒上的支架筒上的支架3、、4和和3＇、＇、4＇上，＇上，安装时必须使振弦具有一定的安装时必须使振弦具有一定的预应力。

当被测轴转动传递转预应力当被测轴转动传递转矩矩T时，轴产生扭转变形，致使时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角度，其两相邻截面扭转一个角度，造成振弦造成振弦5受到拉力，振弦受到拉力，振弦6受受到压力在被测轴的弹性变形到压力在被测轴的弹性变形范围内，轴的扭转角与外加转范围内，轴的扭转角与外加转矩矩T成正比，而振弦的张力又与成正比，而振弦的张力又与扭转角成正比与振弦式压力扭转角成正比与振弦式压力传感器一样，可以用测量传感传感器一样，可以用测量传感器输出的差频信号来测量被测器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的转矩轴上所承受的转矩。