振弦式传感器解析PPT课件
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(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。
振动的检测及传感器 ppt课件
汽车安全气囊、防抱死系统
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42
5.电容式加速度传感器
具有灵敏度高、零频响应、环境适应性 好等特点，尤其是受温度的影响比较小； 但不足之处表现在信号的输入与输出为 非线性， 量程有限， 受电缆的电容影响， 在实际应用中电容式加速度传感器较多 地用于低频测量，其通用性不如压电式 加速度传感器， 且成本也比压电式加速度传感器高得多
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6
II. 对设备激振，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械 阻抗等
可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临 界转速转速工作范围
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7
4.机械振动的类型
a.从产生振动的方式来分： 自由振动：仅受初始条件（初始位移、初始速 度）激励而引起的振动
受迫振动：系统在持续外力激励下的振动
T
T:扫描周期 fmax,fmin：上下限频率
可以快速测试研究对象的频率特性
具有类似正弦的形式，但频率变化，属于瞬态激振
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21
(2)脉冲锤击激励
方法：用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力， 使之发生振动。
锤击力脉冲：在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线， 近似半正弦波。 1.有效频率范围取决于脉冲持续时间，锤头垫越硬，时 间越短，频率范围越大：锤头垫的材料频带宽度 2.锤头配重的质量和敲击速度激振力的大小
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48
三.传感器的标定
1.绝对法 被校准传感器固定在校准振动台上
激光干涉仪直接测量振动台的振幅
与被校准传感器的输出比较 2.相对法
螺栓安装方法利用钻孔螺纹连接加速度振动传感
器和设备。在测试和调试的时候，通常也称之为
“背对背”安装。传感器通过螺栓连接在一起，
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5.电容式加速度传感器
具有灵敏度高、零频响应、环境适应性 好等特点，尤其是受温度的影响比较小； 但不足之处表现在信号的输入与输出为 非线性， 量程有限， 受电缆的电容影响， 在实际应用中电容式加速度传感器较多 地用于低频测量，其通用性不如压电式 加速度传感器， 且成本也比压电式加速度传感器高得多
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II. 对设备激振，以求得被测对象的动态性能，如固有频率、阻尼、机械 阻抗等
可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临 界转速转速工作范围
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4.机械振动的类型
a.从产生振动的方式来分： 自由振动：仅受初始条件（初始位移、初始速 度）激励而引起的振动
受迫振动：系统在持续外力激励下的振动
T
T:扫描周期 fmax,fmin：上下限频率
可以快速测试研究对象的频率特性
具有类似正弦的形式，但频率变化，属于瞬态激振
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(2)脉冲锤击激励
方法：用脉冲锤对被测系统进行敲击，施加一个脉冲力， 使之发生振动。
锤击力脉冲：在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线， 近似半正弦波。 1.有效频率范围取决于脉冲持续时间，锤头垫越硬，时 间越短，频率范围越大：锤头垫的材料频带宽度 2.锤头配重的质量和敲击速度激振力的大小
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三.传感器的标定
1.绝对法 被校准传感器固定在校准振动台上
激光干涉仪直接测量振动台的振幅
与被校准传感器的输出比较 2.相对法
螺栓安装方法利用钻孔螺纹连接加速度振动传感
器和设备。在测试和调试的时候，通常也称之为
“背对背”安装。传感器通过螺栓连接在一起，
《振弦式传感器》PPT课件
2021/4/25
第四章 非电量的电测技术
8
3、频率稳定性
f241l2 E vllK
f
dfdE E3dl f 2 2l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传 感器的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
2021/4/25
第四章 非电量的电测技术
9
三、振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计
2021/4/25
第四章 非电量的电测技术
3
1、间歇激发 当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线
圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自 由振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输 出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量 感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。
2021/4/25
第四章 非电量的电测技术
4
2、连续激发
连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励， 另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后， 接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励 线圈1以维持振弦的连续振荡。
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
2021/4/25
第四章 非电量的或改变鼓皮 的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。
2021/4/25
第四章 非电量的电测技术
1
一、工作原理和测量电路 （一）工作原理
顾名思义，传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，
称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变
振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐
运用：测量混凝土表面的应变， 主要设计用于安装到混凝土结 构上，如:混凝土结构、桩；梁； 桥；锚筋；隧洞衬砌；吊索。 在混凝土结构上以及使用区间 有限的部位仅需一个小截面即 可安装。
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
一振弦式频率传感器的结构原理图511振弦式传感器原理及间歇激励方式图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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第2页/共13页
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
第9页/共13页
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。
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。
振动传感器的原理及应用.ppt
CA-YZ-123VC(A)-20型水密三轴低频振 动传感器
（1）工作原理
该传感器室内封装信号调节器的压阻式振动传感器。
压阻式振动敏感元件设计为整体硅结构，有带多根梁 的硅框架支撑一块京味戏加工而成的硅质量块。大硅 框架受到震动作用时。由于惯性力硅块相对于
框架运动时造成梁内的应力变化，从而使梁内
的抗干扰性强，稳定性好。
一、概述 二、原理 1、振动筒传感器 2、振动膜式传感器 3、振动弦式传感器 4、振动梁式传感器 三、应用及产品
（1）振动筒传感器
振动筒传感器是一种典型的敏感频率的 振动传感器，于60年代末实用。下图给出 了一种用于绝压测量的振动筒压力传感器 最早使用的原理结构。其测量敏感元件是 一个恒弹合金（如3J53）制成的带有顶盖 的薄壁圆柱壳。
VIB-10b便携式智能振动测量仪
但大多数便携式振动测量仪只有测量、
显示及少量的存储等功能，测量人员通
过检测运行设备的振动值后，还需根据
被测设备的类型、功率及允许的振动限
值来判断该设备的工况（良好、正常、
异常），这在设备品种繁杂、测量点较多 的情况下，使用就不太方便。基于上述原 因，本公司又开发出一种既能测量、显示， 又能马上把测量值与振动标准对比给出设 备状态结果的智能振动测量仪 ——VIB-10b 便携式智能振动测量仪。
环境指标：
温度范围： -30℃～120℃ 相对湿度：至95%不冷凝，且周围无强电 磁场干扰 物理指标： 外形尺寸：φ35×72mm 安装方式：双头螺钉固定 重 量：0.3Kg
选型说明 形式选择A□：2—— 一体化； 3*——航空 插座 引线长度B□：1*——0.5米； 2——3米； 3——5米
出的优点是与壳体无接触，但也有一些不
振动传感器的原理及应用ppt课件
给出一个运行状态好坏的评价。仪器这一功 能的增加给给使用人员带来了很大的方便， 也符合国际上开发便携式振动测量仪的潮流。
VIB-5振动测量仪
——上海嘉仪信息科技有限公司
VIB-5振动测量仪具有操作简单，携 带方便等特点，可测量振动的加速度， 速度和位移，并且全部使用触摸式按键 操作。
加速度
测量范围 速 度
振动梁式传感器
下图所示为由石英晶体谐振器构成的振 梁式差压传感器。两个相对的波纹管用来接 收输入压力P1与P2，作用在波纹管有效面 积上的压力差产生一个合力，造成了一个绕 支点的力矩，该力矩由石英晶体的拉伸力或 压缩力来平衡，这样就改变了晶体的谐振频 率。频率的变化是被测压力的单值函数，从 而达到了测量目的。
（3）振动弦式传感器
1. 结构特点 振弦式压力传感器的主要结构如下图所示
（1）振弦 振弦是把待测压力值的变化转变为频率
变化的敏感元件，对传感器的精度、灵敏 度、稳定性起决定的作用。对振弦材料的 要求是：
① 抗拉强度高。 ② 弹性模量大。
③ 磁性和导电性能好。 ④ 线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。
位移
加速度
频率范围 速 度
位移
精 度 显 示 电 源 自动关断功 能 体 积 质 量
技术参数 0.1--199.9m/s2（峰值）
0.1--199.9mm/s（真有效值） 0.001--1.999mm（峰峰值） LO档10Hz～1KHz Hi档1KHz～10KHz
10Hz--1000Hz 10Hz--1000Hz （读数值的±5%） ±2个字 3位半液晶显示 电池（6F22）9V 松开按键约60秒种电源自动断 186 x 70 x 32（mm） 约300克
物理指标：
8.2振弦式传感器
R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳 定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压 状态，场效应管漏源极对 R2 的并联作用使反馈电压近似 等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，使回路的正 增益大大提高，有利于起振。
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由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过
测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
图 8.2.1（ b）中的 R1 、 R2 和场效应管组成负反馈网络，
返
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8.2.2 8.3.2 激振装置 扭矩测量原理
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
式的原理图。
（1）磁电式变换器 如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图
a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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。
R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
的频率，根据频率变化测定膜片所受压
力的大小。
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由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过
测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
图 8.2.1（ b）中的 R1 、 R2 和场效应管组成负反馈网络，
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8.2.2 8.3.2 激振装置 扭矩测量原理
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
式的原理图。
（1）磁电式变换器 如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图
a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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。
R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
的频率，根据频率变化测定膜片所受压
力的大小。
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振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器：（vibratingwiresensor）它是一种谐振传感器，以拉紧的金属钢弦为敏感元件。
当弦的长度确定时，其固有振动频率的变化可以表示钢弦的拉力。
根据这一特性原理，可以通过一定的物理（机械）结构制作传感器（如应变传感器、压力传感器、位移传感器等)，从而实现被测物理量与频率值的一一对应关系，通过测量频率值的变化量来计算被测物理量的变化量。
振弦传感器
振弦传感器读数模块：指根据振弦传感器特性设计的传感器激励模块、读数模块。
集成度高、功能模块化、数字界面的一系列特性可以完成振弦传感器的激励、信号检测、数据处理、质量评价等特殊针对性功能转换传感器频率和温度物理量模数，然后通过数字界面实现数据交互。
振弦传感器读数模块是振弦传感器和数字化、信息化之间的核心转换单元。
振弦传感器采集模块
基于不同测量原理的传感器在测量过程中使用的线数也不同。
这是我们经常看到的2线系统、3线制、4线制、5线制。
电流传感器:常见的有2线、3线、4线系统。
线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。
电压传感器：更常见的是3、4线系统。
线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。
振弦传感器：2线制（仅测量频率），3线制（频率）+温度）。
RS485传感器：4线制。
差阻传感器：可使用3线、4线5线测量，线越多，理论精度越高。
电位器传感器：2、3线制。
NTC热敏电阻/电阻传感器：2线制。
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8.2 振弦式传感器
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
2
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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2020年9月28日
12
✓ 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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2020年9月28日
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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2020年9月28日
7
✓ 据此，可以写出
Fc
Belic
md
dt
（8.2.1）
Bleicdt m
（8.2.2）
2020年9月28日
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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。
✓ R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
✓ R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳 定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。
式中，ic为对应于力Fc的电流。感应电动势e等于
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.3）
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2020年9月28日
8
✓ 由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路 中电容的作用，其等效电容为：
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.4）
✓ 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变形位移，它
式的原理图。 ✓ （1）磁电式变换器
如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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2020年9月28日
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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2020年9月28日
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（2）电磁式变换器
✓ 图8.2.2b为电磁式变换器的原理图，其中有两个磁钢和 两个线圈。线圈1激励振弦振动，线圈2拾振并产生感应 电动势。
✓ 图中线圈2检测到的电动势e被送到放大器输入端，经放 大后送到电磁铁线圈1以补充能量。
✓ 只要放大器输出电流能满足构成振荡器的振幅和相位条 件，振弦由于及时得到恰当的能量补充将维持连续振动， 振动频率即为弦的固有频率。
✓ 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压 状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似 等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，使回路的正 增益大大提高，有利于起振。
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2020年9月28日
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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2020年9月28日
10
✓ 由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中
的电感，其等效电感为
L B 2le2 k
（8.2.7）
✓ 振弦上流过的电流i=ic+iL。于是，弦的振动频率就可以按 一般LC回路来计算，即
1/ LC k/m （8.2.8）
✓ 这个结果与从二阶振动系统求得的结果一致。
✓ 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器， 电路输出信号频率与作用力的大小有关，可以通过测量 输出信号的频率来测量作用力。
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2020年9月28日
5
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图8.2.1 振弦式传感器工作原理 (a) 结构示意 (b)电路原理图
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2020年9月28日
6
✓ 振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。
✓ 如图8.2.1（a），一根有效长度为le的振弦在磁感应强 度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生和电 路i流过。
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2020年9月28日
3
8.2.1 工作原理
✓ 振弦式传感器的工作原理如图8.2.1所示。 ✓ 传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属振弦和
振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同 的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 ✓ 改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振荡频率的变 化。 ✓ 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。
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2020年9月28日
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✓ 由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。
✓ 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过 测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
✓ 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络， 起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和 C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。
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✓ 振弦的横向刚度系数与弦的张力T的关系为
k2T/l
✓ 代入式（8.2.式（8.2.9）可以换算成下式
（8.2.9）
f 1 1 E 2l 2l
（8.2.10）
✓ 式中，σ为弦内的机械应力；ρ为弦的材料密度；E为弦 材料的弹性模量；ε为弦的应变。
的弹性力为：
FL k
（8.2.5）
式中，k为振弦的横向刚度系数。
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✓ 根据以下三式
d
dt
， e Ble ，和 FL BeliL
可得
eBed d ltB ked ld F tLB k 2le2d d itL （8.2.6）
式中，iL为对应于力FL的电流。
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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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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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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。
✓ R1、R2和场效应管组成负反馈网络，起着控制起振条件 和振荡幅值的作用。
✓ R4、R5、DV2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳 定输出信号幅值的作用，并为起振创造条件。
式中，ic为对应于力Fc的电流。感应电动势e等于
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.3）
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✓ 由式（8.2.3）可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路 中电容的作用，其等效电容为：
eBelBm 2le2 icdt
（8.2.4）
✓ 当振弦偏离初始平衡位置时，有一个横向变形位移，它
式的原理图。 ✓ （1）磁电式变换器
如图8.2.2a所示。振弦也作为振荡电路的一部分位于磁场 中，当振弦通入电流后就产生振动，并输出一个信号，经 放大后又正反馈给振弦使其连续振动。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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（2）电磁式变换器
✓ 图8.2.2b为电磁式变换器的原理图，其中有两个磁钢和 两个线圈。线圈1激励振弦振动，线圈2拾振并产生感应 电动势。
✓ 图中线圈2检测到的电动势e被送到放大器输入端，经放 大后送到电磁铁线圈1以补充能量。
✓ 只要放大器输出电流能满足构成振荡器的振幅和相位条 件，振弦由于及时得到恰当的能量补充将维持连续振动， 振动频率即为弦的固有频率。
✓ 当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压 状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似 等于零，从而大大削弱了电路负反馈作用，使回路的正 增益大大提高，有利于起振。
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图8.2.2 振弦传感器的自激振动方式原理图 a) 磁电式变换器 b）电磁式变换器
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✓ 由式（8.2.6）可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中
的电感，其等效电感为
L B 2le2 k
（8.2.7）
✓ 振弦上流过的电流i=ic+iL。于是，弦的振动频率就可以按 一般LC回路来计算，即
1/ LC k/m （8.2.8）
✓ 这个结果与从二阶振动系统求得的结果一致。
✓ 综上所述，无论是磁电式变换器，还是电磁式变换器， 电路输出信号频率与作用力的大小有关，可以通过测量 输出信号的频率来测量作用力。
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图8.2.1 振弦式传感器工作原理 (a) 结构示意 (b)电路原理图
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✓ 振弦在电路中可以等效为一个并联的LC回路。
✓ 如图8.2.1（a），一根有效长度为le的振弦在磁感应强 度为B的磁场中振动时，振弦上有感应电动势e产生和电 路i流过。
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8.2.1 工作原理
✓ 振弦式传感器的工作原理如图8.2.1所示。 ✓ 传感器是由一根放置在永久磁铁两极之间的金属振弦和
振荡放大电路组成。金属弦承受着拉力，并且根据不同 的拉力大小和不同长度有着不同的固有振荡频率。 ✓ 改变拉力的大小可以得到相应的振弦固有振荡频率的变 化。 ✓ 在图8.2.1（b）中，它可以等效为一个并联的LC回路。
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✓ 由于振弦的Q值很高，电路只有在振弦的固有振动频率上 才能满足振荡条件。
✓ 因此，电路的输出信号频率就严格地控制在振弦的固有 振动频率，而与作用力的大小有关。这样，就可以通过 测量输出信号的频率来测量力、压力、扭矩变形等。
✓ 图8.2.1（b）中的R1、R2和场效应管组成负反馈网络， 起着控制起振条件和振荡幅度的作用，而R4、R5、VD和 C控制场效应管的栅极电压，作为稳定输出信号幅值之用。
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✓ 振弦的横向刚度系数与弦的张力T的关系为
k2T/l
✓ 代入式（8.2.式（8.2.9）可以换算成下式
（8.2.9）
f 1 1 E 2l 2l
（8.2.10）
✓ 式中，σ为弦内的机械应力；ρ为弦的材料密度；E为弦 材料的弹性模量；ε为弦的应变。
的弹性力为：
FL k
（8.2.5）
式中，k为振弦的横向刚度系数。
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✓ 根据以下三式
d
dt
， e Ble ，和 FL BeliL
可得
eBed d ltB ked ld F tLB k 2le2d d itL （8.2.6）
式中，iL为对应于力FL的电流。
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