第一讲-振弦式频率传感器.ppt

1、,河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系,第5章 频率式及数字式传感器,掌握振弦频率传感器、数字编码器、感应同步器、磁栅传感器、光栅传感的工作原理、典型测量电路 了解其典型应用,第一讲 振弦式频率传感器,一、振弦式频率传感器的结构原理 二、频率测量方案 三、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一种很有前途的传感器品种。,振弦式传感器

2、是以被拉紧了的细弦作为敏感元件， 其结构如图5-1-1所示。,一、振弦式频率传感器的结构原理,当一根工作长度为l， 工作段质量为m的细弦，一端固定，另一端施加一个初始张力F时， 弦的横向振动的固有频率f可由下式计算：,式（5-1-1）,式（5-1-1）说明，当m、l不变，张力F变化F时，弦的自振频率也有一个变化f。这里的F是由压力p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， 通过测量弦的自振频率也可以测量应力与应变。,（1） 图5-1-1（a）为自激式： 在弦的两侧放一永久磁铁， 工作时， 弦中通以脉冲电流， 脉冲电流受磁场作用使弦起振。 起振后， 弦作为导体在磁

3、场中运动， 感应出交变电动势， 通过测量感应电动势的频率， 即为振弦的自由振动频率。,二、频率测量方案,1、激励方式,1） 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。,（2） 图5-1-1（b）为他激式： 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，测量线圈绕在永久磁铁上， 弦上固定一个软铁块。 给激励线圈通以脉冲电流， 振弦便被吸放一次，开始起振。 振弦在振动中引起测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，则可省去软铁块。,对于深井井下压力的测量， 一般采用间歇振荡电路， 可使连线最少。如图5-

4、1-1（c）所示， 其输出波形是一个衰减振荡， 但频率不变，因此可通过频率测量得到被测非电量的数值。,2） 连续激励方式,图5-1-2 连续激励方式电路,振弦接在放大器的正反馈回路中， 起着选频元件的作用。 因振弦在其固有频率下具有尖锐的阻抗特性， 所以电路只能在振弦的固有频率上才能满足振荡条件。,电阻R1、R2和场效应管VD1组成负反馈电路， 自动控制起振条件和振幅， 而由R4、R5及VD2和C组成的电路控制场效应管的栅极电压， 自动稳定输出信号幅度， 并为起振创造条件。,当电路不振荡时，输出信号为零， 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。 振荡时，输出信号经VD2

5、整流，电容C滤波，R4、R5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增大， 负反馈加强。 输出信号越大，负反馈越强， 更能达到稳定输出信号幅度的作用。,频率的测量常用两种方法，一是直读法，即将传感器的输出电动势经放大、整形后送计数器显示其频率值，或者用数字频率计测量；二是比较法，即将传感器输出电动势的频率与标准振荡器发出的频率相比较， 当两者频率相等时，标准振荡器所指频率值就为被测频率值。 常用的比较方法有用示波器显示的李沙育图形法、 用单机指示的谐振法及用检零指示器测量的差频法等。,2、测量电路,三、振弦式传感器的应用,图5-1-3 振弦式压力传感器 1压力膜 2支座

6、 3、4振弦 5、6拾振器 7、8激振器 9柱体 10、11放大、振荡电路 12混频器 13滤波整形电路,图5-1-3是振弦式压力传感器的原理结构图，在圆形压力膜片 l的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦3、4，它们被固紧在支座2上，并加上一定的预应力。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、振荡电路10、11后到混频器12进行混频，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、下两根振弦所受张力相同，受激励后产生相同的振动频率，由混频器所得差频信号的频率为零。如有外力F垂直作用于柱体9上时，压力膜片受压弯曲，使上侧振弦3的张力减小，振动频率减低，而下侧振弦4的张力增大，振动频率增高。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高。,图5-1-4 振弦式转矩传感器 1、2套筒 3、4、3、4支架 5、6振弦,振弦式转矩传感器的结构如图5-1-4所示，将套筒1、2分别卡在被测轴的两个相邻面上，然后将振弦5与6分别安装在套筒上的支架3、4和3、4上，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矩T时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角