第一讲 振弦式频率传感器
传感器的分类(频率式和数字式)
第5章 频率式和数字式传感器 5.2.2
1. 接触式码盘
图5-3（a）为一个四位接触式码盘。 涂黑部分为导电区， 输出为“1”，空白部分为不导电区，输出为“0”。 所有导电部 分连在一起，接高电位。 图示码盘共有四圈码道，在每圈码道 上都有一个电刷，电刷经电阻接地。 当码盘与被测物转轴一起 转动时，电刷上出现的电位对应一定的数码。若有n条码道， 则角度分辨率为
第5章 频率式和数字式传感器
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器 5.2 数字编码器 5.3 感应同步器 5.4 磁栅传感器 5.5 光栅传感器 5.6 容栅传感器 5.7 球同步器(球栅)
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器
5.1.1 振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件， 其结构
节距为W（标准为2 mm）， 机械位移x
2 x， 其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为
W
e
kU
m
sin(t
)
kU
m
sin(t
2π W
x)
（5-3）
第5章 频率式和数字式传感器 2. 鉴幅型 如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、 同相但不等幅的电
压激磁时， 则可根据感应电势的幅值来鉴别位移量，称为鉴 幅型。 正、余弦同时激磁时的总感应电势为
360 Q 2n
（5-2）
第5章 频率式和数字式传感器
图5-3 码盘式转角（a） 接触式8421码盘； （b） 接触式格雷码盘；（c) 光电式角编码器
第5章 频率式和数字式传感器 2. 光电式码盘
光电式码盘亦称脉冲式角度—数字编码器， 其结构示意图 如图5-3（c）所示。 在一个圆盘上按码道开有相等角距的缝 隙， 在码道上分为透明区和不透明区 ， 分别代表“1”和 “0”， 相当于接触式码盘的导电区和不导电区。 在开缝圆盘 两边分别安装光源及光敏元件， 相当于接触式码盘的电源和 电刷。 其测量方法与接触式码盘相似。
(完整word版)振弦式传感器
基于振弦式传感器测频系统的设计白泽生(延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000)利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。
因此，可获得非常理想的测量效果。
1 振弦式传感器的工作原理振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。
振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。
振弦的振动频率可由以下公式确定：其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。
当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。
2 测频系统的设计2.1 基本原理振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。
通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。
当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。
单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。
测频原理框图如图2所示。
2.2 系统硬件电路设计根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。
主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。
工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。
2.2.1 激振电路激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。
振弦传感器的频率及模数之间的关系
振弦传感器的频率及模数之间的关系
振弦传感器是一种常见的测量设备，用于测量物体振动的频率和模数。
频率和模数是振弦传感器最重要的参数，它们之间存在着密切的关系。
振弦传感器的频率是指物体振动的周期性重复次数，通常用赫兹（Hz）来表示。
而模数则是指振弦传感器输出信号的幅度大小，它可以用来衡量振动的强度。
频率和模数之间的关系可以通过以下几个方面来解释。
频率和模数之间存在着正相关关系。
当物体振动的频率增加时，振弦传感器所测量到的模数也会随之增大。
这是因为在高频率下，物体的振动速度较快，振弦传感器接收到的振动信号幅度会更大。
频率和模数之间也受到物体本身性质的影响。
不同物体的振动特性不同，其频率和模数之间的关系也会有所差异。
例如，柔软的材料在振动时会产生较高的模数，而硬质材料则可能产生较低的模数。
振弦传感器的灵敏度也会影响频率和模数之间的关系。
高灵敏度的振弦传感器可以更准确地测量到物体的微小振动，因此在相同频率下可以产生更高的模数。
振弦传感器的频率和模数之间存在着紧密的关系。
频率越高，模数越大，而物体的性质和传感器的灵敏度也会对这种关系产生影响。
通过准确测量和分析频率和模数之间的关系，我们可以更好地了解
物体的振动特性，为相关领域的研究和应用提供有价值的数据支持。
振弦式传感器计算公式
振弦式传感器计算公式振弦式传感器是一种常用的物理量测量装置，广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域。
它通过测量弦线的振动频率来实现对待测物理量的测量。
在实际应用中，我们需要根据传感器的参数和测量对象的特性，计算出相应的测量公式。
振弦式传感器的测量原理基于弦线的振动特性。
当一根弦线被激发后，会产生固有频率，即其自身固有的振动频率。
而这个固有频率受到弦线的长度、材质、张力等因素的影响。
因此，我们可以通过测量弦线的固有频率来推算出其他待测物理量的值。
我们需要了解振弦式传感器的特性参数。
主要包括弦线的长度L、杨氏模量E、弦线的质量线密度μ以及张力T。
这些参数都会对弦线的固有频率产生影响。
接下来，我们将介绍振弦式传感器的计算公式。
1. 弦线的固有频率f:弦线的固有频率与其长度L、杨氏模量E、质量线密度μ以及张力T有关。
可以通过以下公式进行计算：f = (1 / 2L) * √(T / μ) * (1 / √(1 + (E * A) / (T * L^2)))其中，A为弦线的横截面积。
2. 杨氏模量E的计算：杨氏模量E可以通过振动频率f、弦线的长度L、质量线密度μ以及张力T来计算：E = (4L^2 * μ * f^2) / (π^2 * A)3. 弦线的质量线密度μ计算：弦线的质量线密度μ可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及张力T来计算：μ = (π^2 * A * f^2) / (4L^2 * E)4. 弦线的张力T计算：弦线的张力T可以通过振动频率f、弦线的长度L、杨氏模量E以及质量线密度μ来计算：T = (π^2 * A * f^2 * L^2) /(μ * E)根据上述公式，我们可以根据已知的参数和测量的振动频率，计算出其他待测物理量的值。
需要注意的是，为了保证计算的准确性，我们需要提前对传感器和待测物理量进行校准，确保参数值的准确性。
总结：振弦式传感器是一种基于弦线振动特性的测量装置，通过测量弦线的固有频率来实现对待测物理量的测量。
振弦式传感器的频率敏感机理与应用
振弦式传感器的频率敏感机理与应用江 修,张焕春,经亚枝(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘 要:分析振弦式传感器的频率敏感机理,理论上说明这类传感器的传感原理。
论述这类传感器使用过程中的关键———激振方式选择的理论依据。
比较2类振弦式传感器的特点及使用要点,理论推导和实际运用结合起来,实际使用说明了理论分析的正确性。
关键词:振弦式传感器;激振;基频;频率敏感机理中图分类号:TP212.1 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2003)12-0022-03Frequency sensitivity mechanism and application ofvibrating wire sensorsJ IAN G Xiu,ZHAN G Huan2chun,J IN G Ya2zhi(Coll of Automation E ngin,N anjing U niversity of Aeronautics&Astronautics,N anjing210016,China)Abstract:Frequency sensitivity mechanism and the sensing principle of vibrating wire sensors are developed and analyzed in theory.The key to the use of the sensor———the theoretical basis of the mode of exciting the sensor to vibrate is pared the characteristic and the main points in use of two kinds of vibrating wire sen2 sors,theoretical evaluation with pratical use is combined,an exam ple shows that theoretical analysis is right.K ey w ords:vibrating wire sensors;exciting to vibrate;basic frequency;frequency sensitivity mechanism0 引 言振弦式传感器属于谐振式传感器,它具有一般谐振式传感器的优点[1,2],广泛应用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油等土木建筑物及地基内结构中,感受压力的变化引起钢弦自振频率的变化,通过测量频率可求出被测压力[3,4]。
振弦式传感器解析PPT课件
8.2.1 工作原理 8.2.2 激振装置 8.2.3 振弦传感器的误差 8.2.4 振弦式传感器应用
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2020年9月28日
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概述
✓ 振弦式传感器具有良好的测量特性，它可以做到小于0.1% 的非线性特性，0.05%的灵敏度和小于0.01%/℃的温度误差。
✓ 此外，传感器的结构和测量电路都比较简单。 ✓ 广泛应用于精密的压力、力、扭矩等测量中。
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✓ 从式（8.2.10），取f对ε的微分，则得
df 1 E E d 4l E 8l2f
（8.2.11）
✓ 式（8.2.11）为振弦的应变灵敏度表达式。
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13
88..23..22 激扭振矩装测置量原理
✓ 振弦振动有强迫振动、自由振动和自激振动三种方式。 ✓ 图8.2.2给出了振弦传感器在自激振动状态下的两种激励方
✓ 此时，振弦所感受的力为： FBlei。
✓ 它可以分为两部分：一部分Fc用来克服弦的质量m的惯性， 使它获得运动速度v；另一部分FL用来克服振弦作为一个 横向弹性元件的弹性力。
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✓ 据此，可以写出
Fc
Belic
md
dt
（8.2.1）
Bleicdt m
（8.2.2）
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✓ 振弦的等效LC谐振回路作为整个振荡电路中的正反馈网 络，由于振弦对于它的固有振动频率有着非常尖锐的阻 抗特性，电路只在其信号频率等于振弦的固有振动频率 时才能达到振荡条件。
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件PPT学习教案
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为 敏感元件
会计学
1
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。
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二、频率测量方案
1、激励方式
1）
（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。
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一、振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器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。
1—振弦 2—绝缘 夹具 3—夹具 4—永久磁铁线圈 5—膜片 6—永久 磁铁 7—激励电 磁铁 8—软铁块
图5-1-1 （a） 自激式； （b） 他激式； （c） 激励与输出波形
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2、测量电路
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。
6-3节 振弦式传感器
§6-3 振弦式传感器
设在时间 t = tx 时振弦偏离初始平横位置为δ，则其弹性反作用力 Fe 为
式中 由于
Fe=kδ
k——振弦的横向刚度系数。
d
dt
v,e Blv, Fe
Blie
, 则反电势为
e Bl d (Bl )2 die
dt k dt
(6-12) (6-13)
弦的应力不能太大或太小，太小会影响传感器的稳定性，不容易起振； 太大则又可能超过弦的屈服点，使弦产生较大的松弛，影响传感器的精度。由 于弦质量不可能完全均匀，因此使用时对弦的抗拉强度应考虑一定的安全系数。
另外，除正确地选择振弦的材料及几何尺寸外，还必须进行适当的应力 及热老化处理。实验表明，一根未经热处理的弦在长期的高应力拉伸下，会逐 渐松弛，并在高应力、高温度情况下会加速松弛的过程。当弦经过高应力和热 老化处理后，松弛过程基本上可消除。
此时，振弦的固有频率 f0 可由下式决定
f0
1 2l
T
式中
l——振弦的有效长度；
(6-7)
ρ——振弦的线密度（单位长度的质量）。
由上式可见，对于ρ为定值的振弦，其固有频率f0由张力T或有效长度l决 定。因此，张力T或长度l可用f0来测量。利用振弦的固有频率与其张力的函数
§6-3 振弦式传感器
关系，可以作成压力、力、力矩或加速度传感器；利用振弦的固有频率与其 长度l的函数关系，可以作成温度式、位移式传感器。
§ 6-3 振弦式传感器
振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧 力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。其 输入量为力，输出量为频率信号。
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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5-1-1（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）
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。
（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。
（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。
2、测量电路 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
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第5章
频率式及数ห้องสมุดไป่ตู้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。
图5-1-2 连续激励方式电路
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。
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
1 F f 2 ml
式（5-1-1）
式（5-1-1）说明，当m、l不变，张力F变化ΔF时， 弦的自振频率也有一个变化Δf。这里的ΔF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。
二、频率测量方案
1、激励方式 1）
一、振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器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。
1—振弦 2—绝缘 夹具 3—夹具 4—永久磁铁线圈 5—膜片 6—永久 磁铁 7—激励电 磁铁 8—软铁块
图5-1-1 （a） 自激式； （b） 他激式； （c） 激励与输出波形
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：
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度， 造成振弦5受到拉力，振弦6受 到压力。在被测轴的弹性变形 范围内，轴的扭转角与外加转 矩T成正比，而振弦的张力又与 扭转角成正比。与振弦式压力 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 轴上所承受的转矩。
振法及用检零指示器测量的差频法等。
三、振弦式传感器的应用
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， 图5-1-3 振弦式压力传感器 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 1—压力膜 2—支座 3、4—振弦 率增高。由混频器输出两者振动频率 5、6—拾振器 7、8—激振器 9—柱体 的差频信号，其频率随外力增大而升 10、11—放大、振荡电路 12—混频器 13—滤波整形电路 高。