- 傳感器原理-諧振式傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/9/28
諧振式傳感器（resONator sensor），是指利用諧振原理將被測量變化轉換成諧振頻率變化的傳感器。基于諧振技術的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準數字信號），只用簡單的數字電路即可轉換為微處理器容易接受的數字信號。諧振式傳感器的重復性、分辨率和穩定性等非常優良，又便于和微處理器直接結合組成數字控制系統，是當今人們研究的重點。
諧振式傳感器 諧振式傳感器（resONator sensor），是指利用諧振原理將被測量變化轉換成諧振頻率變化的傳感器。基于諧振技術的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準數字信號），只用簡單的數字電路即可轉換為微處理器容易接受的數字信號。諧振式傳感器的重復性、分辨率和穩定性等非常優良，又便于和微處理器直接結合組成數字控制系統，是當今人們研究的重點。
諧振式傳感器的優點與應用
諧振式傳感器具有體積小、重量輕、結構緊湊、分辨率高、精度高 以及便于數據傳輸、處理和存儲等優點。主要用于測量壓力，也用于測量轉矩、密度、加速度和溫度等。
諧振式傳感器的特征優勢
相對其它類型的傳感器，諧振式傳感器的本質特征與獨特優勢是：
① 輸出信號是周期的，被測量能夠通過檢測周期信號而解算出來。 這一特征決定了諧振式傳感器便于與計算機連接，便于遠距離傳輸；
② 傳感器系統是一個閉環結構，處于諧振狀態。這一特征決定了傳感器系統的輸出自動跟蹤輸入；
③ 諧振式傳感器的敏感元件即諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和分辨率；
④ 相對與諧振子的振動能量，系統的功耗是極小量。這一特征決定了傳感器系統的抗
干擾性強，穩定性好。
諧振式傳感器的種類
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。
1、振弦式傳感器 以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小,通過相應的測量電路,就可得到與拉力成一定關系的電信號。振弦的固有振動頻率f與拉力T的關系為，式中l為振弦的長度，ρ為單位弦長的質量。振弦的材料與質量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩定性。鎢絲的性能穩定、硬度、熔點和抗拉強度都很高,是常用的振弦材料。此外,還可用提琴弦、高強度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機構組成。振弦一端固定、一端連接在受力機構上。利用不同的受力機構可做成測壓力、扭矩或加速度等的各種振弦式傳感器。
2、振筒式傳感器 以振動的金屬薄圓筒為敏感元件的諧振式傳感器。振筒的固有振動頻率決定于筒的形狀、大小、材料的彈性模量、筒的應力和周圍介質的性質。被測參量的變化使得筒的某一物理特性被改變，從而改變了筒的固有振動頻率，通過測量筒的振動頻率即可達到測量被測參量的目的。振筒式傳感器已經發展到較高水平，主要用于測量氣體壓力和密度等。
3、 振梁式傳感器 以彈性梁為敏感元件的諧振式傳感器。振梁的固有振動頻率隨它兩端所受的力而變化，通過相應的測量電路就可獲得與被測力成一定關系的頻率信號。振梁一般連接于彈性受力機構上以感受被測壓力。振梁式傳感器用于測量靜態或緩變壓力。
4、振膜式傳感器 以圓形恒彈性合金膜片為敏感元件的諧振式傳感器。膜片的固有振動頻率隨膜片上所受壓力的變化而變化，通過相應的測量電路就可獲得與被測壓力成一定關系的頻率信號。振膜式傳感器廣泛用于壓力測量，它由空腔、壓力膜片、振動膜片、激勵線圈、拾振線圈和放大振蕩電路組成。在空腔受壓力影響時,壓力膜片即發生變形,裝在壓力膜片支架上的振膜則因支架角度改變而發生剛度變化。膜片的振動頻率取決于振膜的剛度、壓力膜片和支架的剛度。在振膜的兩側分別放置激勵線圈和拾振線圈。工作時，激勵線圈接通交變電流而使膜片產生振動，拾振線圈則將所感應的振動信號送往放大振蕩電路，該信號經放大后又正反饋給激勵線圈，使振膜保持它固有頻率的振動。激勵線圈和拾振線圈還可以用兩個壓電元件代替，其結構也可做成使振膜直接感受被測壓力。作為拾振器的壓電元件利用正壓電效應將振動信號送往放大器，該信號經放大后又正反饋到作為激振器的壓電元件，利用逆壓電效應產生振動激勵以維持膜片的振動。為提高穩定性，壓電元件的固有振蕩頻率應遠離振膜的固有振蕩頻率，并設置高頻衰減網絡抑制高頻振蕩。
諧振式傳感器設計要點
① 諧振子的選擇及其振動特性（即振動模態，包括諧振頻率和振 型）的分析、計算，確定諧振子的實際結構、參數及所敏感的振動特征參數。這部分工作的核心是建立諧振式傳感器的模型，優化出一個高Q值、高靈敏度的諧振子；
② 檢測源、激勵源的選擇以及諧振子的配合問題。主要包括它們與諧振子的相對位置的選擇與激勵能量大小的確定；
③ 檢測信號的接收、處理、轉換及按幅相條件設計的。對于靈敏頻率的諧振式傳感器要在滿量程內綜合考慮，而敏感幅值比、相位差的諧振式傳感器要合理設計出“雙閉環”系統，并選擇好參考位置。
④ 引入恰當的補償機制，解算檢測信號，給出被測量。
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