当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

振弦式压力传感器




振 弦 式 压 力 传 感 器

文 锵
( 山 东省 海 洋仪 器 仪表 研 究 所 )

提要

:

本 丈 分 析 了振 弦 式 压 力 传 感 器 的 工 作 原 理




非 线 性 等 问题

r />
,

并介 绍 了 用

它 来刚 温 的设 计 方法



,



的 钨丝 作 振弦
7 00。 高斯以 上



磁 钢 的磁 感 应 强 度 B 应 在
压 力敏 感 元 件膜 片




,

要 求非

力 学参 数 非 电量 电测 振 弦 式 压 力 传感
由于有 其独 特 的 优 点 而 引 起 人们 的注 它 结构 简 单
,
,

线 性误 差 和 弹 性 滞 后 小
2 弦 振 动 方程
.

重复 性 好



要 求放

大 器 有较 高 的输 人 阻 抗和 开 环 增 益







使 用方 便
:
,

,

灵 敏 度高

,



与振 弦 方 程


耗小
级)

能 在 多方 面 应 用

精 密 测量 压 力 (可


二 端 固定

,

长为 L 的 有 界 弦 在 x

y平

达5 0 个 大 气压 以 上 )
,

微小 位移 (小 至 微 米

而 上 作 自由振 动 方 程 为

物 体 不平 度


,

运动 物 体 速 度


加速
其解 为
y
“ u






风压

气 压 以及 在 海洋 调 查 中 的 应 用
,

卫 a
X “‘ n “’

,

是一 种 通 用 性 较 强 的 传感 器 对该 传 感器 的 详 细 介 绍


可 参见 文 末有
,

关文 献

本 文 简 单 介绍 了 其工 作 原 理
,

着重
当在 t)
。 时




x

,

分析 了 它 的 非 线 性 问 题
,

最 后 根据 对 它的 温


给 以外 力 F ( t )
,

,

或 者再
:

度补 偿方 法 提 出利 用 它 来作 测 温 传 感 器 的 设 想 并举 例 说明 其 设 计 方法
,

考 虑 弦张 力
形 式不 同
,

空 气阻 尼 力 等

弦 振 动 方程 的
x

而 最 终 解 则均 为驻 波 形式


振弦 式 传 感器 的 各种 应 用
提 出 的 用 作测 温 外
压形 式 出 现 发点


,

除本 文所

y

“u
。 )
n

?

“,

,

均 以 膜 片 (膜 盒 ) 受

,

故 有 关 的实 验 分 析 即 以 此 为 出

式 中角 频 率

=

等 /孟 婴 L 石


“‘ n









若 以工 程 颇 们 M 一。 ,


1
.



率 表示

,

并只 考虑 基 波频 串 f
:


。 ,

则得振弦

振 弦 式 传 感 器 工 作原 理
传 感登 组 成
,

方程





止L



振弦 式 传 感器 的 结 构 十分 简 单 所示


如图 1


ZL 丫

皿三 厂
p


(1 )

弦丝可 用 均 匀而 柔软 的 金 属 丝
,
.

考虑

式 中a

。 、

p



分 别 为 振 弦 的 内 应 力 和体 密


到 强 度和 稳定 性

3 m m 我们 选 用 直 径为 o 0





式 ( 1 ) 即为 振 弦 工 作的 基本 原 理

一外 -

{ } {{ {

加压 P

,

膜 片 挠 度A o

M

,

在 传 感器 整 个 工
,

作 过程 中是很 小 的 (微 米 级 )
(l


于 是 根 据小
r

林2 )


划毗
a) (

有@ △



。,

,

畏 Jb

膜 片材料 被 青 铜的 泊 松 比 “ 二
△。
M 二

。 , 7

?

振弦式 压力 传感器 结构

在 不 足 以 使弦 松 弛 到停 振范 围内
△L
,

一 念
11

巧M
.

P





。3

,



p

,

弦 长 改变
.
,
,

=

△。 。 由 虎克定 律


,

弦 内应 力为

:
,

6

:


_ ,



c _ E L E △ 已 兰号 兰三 氛 L

一 塑
) 得
f卜 P 日
r

△。 鱿 一 , 等 L

、 二 二 ( l ) (此 代 、人 式 月 ~ ”
, 、
、 一‘





1 ) 的 内应 力 由 于 振 弦 形 变 时式 (
a

,

变为



=

(a



一 口 ,

f 吞=

(2 )


日= 0 0 4


E 备
.

式 中丫, 为 膜 片工 作半 径



,

E

M

为膜 片材料 弹 性模 量



料 弹 性模 量

L c 振 荡 器型
:


七 P


.

i f

巧M

(8 )

,

h为
,

膜 片 材 料厚
E


为 弦丝 材

式 (2 )

( 8 ) 可 用 以 设 计 该 传感
,

根据 实际 测 量 要 求 (频 率 变化 范 围 )
,

选 取 传感 器 参 数

根据 式 (

2 )



(3 ) 来

考 虑频 率 响应
2 p
.



b ) 电路 组 成 (



f方 程 的非 城 性
,

图l
1

振 弦式 传感 器 的 结 构 与 电 路 组 成 振弦
,

由式 ( 2 ) 可 见


f, 与 p 是 非 线 性 关

下 夹具


,

2

4

一 一 膜片
,

丝 松 紧 调 节机构

7

— — 反 馈放 大 器 — ( ) — 外壳 支 架
,

恒磁 钢



3 8

.

振弦 卜
6






表 1 为实 测值

,

可见 其 测 量 灵 敏 度


s

,

一一弦





公 云

Af

。 卜 。。 ‘ 也 是 非 线性 的
,



J


1
.



传 感 器 的非 线 性给 测 量
带 来 了麻 烦
(1 )




互换
,



计算等

非 线 性 及 其 解 决 办法
f方 程

为 了 克服 非线 性
:

可 以从 几 个

p



方 面 来 着 手解 决
Ao
M

振 弦 式 传 感 器 一 般 是 以 受 压 形 式 来进 行
测 量的
p
=
,

故 下 面讨 论 外 压 (加 于 膜 片 上 的 均


根据 不 同形状 的 膜 片 有 不 同 的 , 〕 〔 8 〕 〔 9〕 与 P 的非线 性 关 系 〔 可
,
,

p 匀 分 布 力或 集 中 力 ) P 与 振 频 f 的 关 系

设计 膜片 使能 与p



f 的非 线性 互 相 补 偿 ,

0时,

fp

,

f

。 ,

弦丝 被 张 紧
c

,

膜片回
M =

( 2 ) 利 用 计算 机软 件 进 行 校 直 , ( 3 ) 用 二 个 相 同 的振 弦
,

’ M 与弦 丝 张 力 T 复 弹力F

平衡

:

T

T

c



利 用这 二个

一8 日 一





,

性汀 凡 丁

敬拱今



衰1

P 一f 的 实 侧 位

P 上式 中 卫 ‘

l 鱼 吐(
f尝

,

日(p

+

△P )

,


,

分 飞
相 同 的p


于 是展 开 上 式可 得
△‘ 一f


(

1 一



匹七渔 边
Zf 含


f尝



1



p 渔 查功 二 旦
Zf





=



“p

△‘ 一

f 关系 进 行
,



自校 正







硬件

△p

(4 )


第一 种 方法
难 与传 感 器 的 p

设 计 膜片 很 麻 烦
f相 对 应
,

,

而 且很
,

当 传感器





一 振 弦 材 料 和尺
,



第二 种 方 法


寸 , 膜 片 材 料和 特 征 确 定 后

从 经 济 上 来讲 有 困 难

因为 很难 做 到每 个 传 第
,



,

因此 由式 ( 4 ) 可 见

与 f 便 是常 日 传 感 器 的 频变
,



感 器都 配 上 一 台 微 计 算 机或 单板 (片 ) 机 三 种 方 法 是现 实 可 行 的 方法


△ f p 与 外压 力 △ p 是 成 线 性 关 系 的

线 性误

因此 我 们 介绍 这 个

差 分别 由二 条 振 弦 工 作 时 各 自构 成
e w e w


:

沙 、 s e l了

3

.

自校 正 法 原理


e w …令
“! <
f关 系 的

日(P

+

△P )
(6 )

它 是 用 二 个 具有 相 同 p

f恋

振弦
,

来互 相 补 偿



, 由式 ( 2 ) f
,

= 、/

不 万 百而
p ,
,

“: <

当压 力 P 变 化 △P 时 下降
,

频 率 变 化 为 △f


可见
,


,

日(p



A P)

f资
=

们 若 使二 个振 弦 频 变 时一 个 为 上 升
于 是 频 差△f 为
么f
p

一 个为 为 使 线 性误 差 6


p

6

:


+

6 : 减小

,

应使

=

八f


p :



Af

p Z

初始 频 率f 提 高



丫{
f




(。 一 么p ) 。

值减小 日 4 自校 正 方 法 的 实现 : 公 式 ( 4 ) 的 实现 如 上 所 述 需 加 二 个
,

二 几 百 i 万花石 了
-

性 能相 同 的振 弦 (具 有相 同 的 p



f 曲线 )

,

并 使 它们 在 加 压 △ p 时



,

频 率 以 相 反 方 向变


这 可 以利 用



双弦法


来实现
,



为 了使 我所重
,

△ fp

=

f



I 〔 丫
丫 /
?1

(P 日



△P )

有 相反 方 向 的 频 率 变 化
(点 ) 的相 应 结 构
,

,

应 设 计加 压 处
,

f含

作 为 一个 例 子

力测 波 仪 组 研 制 的重 力测 波 仪
法 来改善 非 线性
原 理如 图
2

就 曾 用双 弦 其

1



哑f 含
,



如)〕
P 日
,

达 到 了 较满意 的 结 果


所示

它的正




反 二个 振 弦 传
f: )


在 振 弦正 常 工 作 范 围 内

f ’ l



因此

感 器 包括 重 块 m 是 一 样 的 f 器 的正 向 频率 调 得 一 样 (

调 试 时 二 个 传感
:

=

也可根

一89 一

2



浦沮 原理
,

长 为L
变化 △ t 时
3
,

线 胀 系 数 为 a 的 材料

,

当温 度

长 度变 化 为 么L
=

么L

a

L △t
:

如图

所示

,

设 L 的长 度 及 其 他 材 料 与 尺


、 寸 己 迭 它 (L 材 料 待定 了

,

当进行 温 度 补
:


偿时
选得

,

有 △L
;

;

=

△L
4

,



△L

+

△L 3

,

由 此

a

值 而 选 到 L 的 材料

为 了利 用它 来


测温
} 目 2 双 找 川 吏度 们


,

就 须要 有
。 t “



过补 偿
A L:




此 时要 求支 架
3

总 伸 长 △L 为
AL


AL



+

么L

+

△L
, :

4



据 测 量 要求
八 F 也变 化
,

,

调成 f

:

年 f:

测 量 时f;




f 经
,

Z

于 是 可 求 出所需 材 料 的 线 胀 系 数 a
a 、=

混 频 后 检 出 差频 八 P

,

随 着 加 速 度 的变 化



从 而 可测 得 加 速 度 值



+

△L + △L ; L △t
‘ 、

:

3

+

△L

;

t

(6 )


,



测 温 原理
,

式 中过 补偿 值八 L
定的


是 根 振在 被 测 温 度变 化

日 前 使 振 弦 式 传 感 器 来 测 量 的物 理 量 无 论是 测 加 速 度


范 围 A 七内 所要 求传 感 器 频 率变 化 值 A f 来 确

测气 王

,

测 深 度 都是 利 用


被测 的 最 对 膜 片的 压 力 变 化 而 获 得的

现在
, , ’ 。

我 们 介 火{利 用 报 弦 式 传 感 器 来 测 温 的 原 理
卜 它 是 从 对 传 感 器迸 行 温 度 辛 件 中想 到 的
1


温 度 补偿
,

J端 固 定 在 外 壳 支 架 上 由 于振 弦 刃

各材
a


L

‘ ,

△L

.


-L J
必公

‘“’



料 均 有 温 度 线 怅 系数
改 变 从 而 女 芝 了f
,

a

.

故 温 度的 变 化 使

。。

我 所郑 万 鸣 同 志 提 出 了
,

利 用 材 料 的 线 怅 系数
即 实 现 了这 种


根 抿 各 部件 的 不 同 线


]


!

‘L ‘

:

,

么L ,

沪 口、

胀 方 向 来 克 服 温 度 影 响的 方法

文 献 〔6 〕
。 。

) 习3 温 度 于 1 偿计 算

材 料 互 补法
.



的 温 度补 偿
.

表 2 为在 静态 输 出 时 温 变 补 偿 前 后 的情 况 可见
“ 10

3



测 温 传感 器 设 计

,

补 偿后 的 温 度效 应 只 有 1 0 2


x

现 在 举 例 说 明振 弦 式 测 温 传 感 器 的 设 计



/

c

,

:

是令 人 满 意的



方法



表2
若 卜 偿 后 顷率 (林 )


要 求 设 计一 个振 弦式 测 温 传 感 器 下 面 条件
一 竹 为
:



满足
O

(l ) f J 温范围 I i (2 )

:

o



一 + 30

C


测 温 灵敏度 在按表






)
,

10

赫/ C


我 们 利 用 上 面 介 绍 过 的 一 个 传感 器 的 有

关 参数 来 设 计
49
. . . . . . . . . . 口叨. . . .
. 1. , , , r



2

补 偿时


L
=


O

m n l

,

a

4

=

11
6m


10






/ C

,

A t

30

C

,

故AL
借外 压 力 P
万 o

‘ 二

o

.

l o

m

为确定 A L

‘ 、,

必 须

.

静态 输 出

,

时的 传 感 嘿 输 电



测 得有 关参 数

我 们 测得 该 传感 器 的 压 力

一90 一

p



膜 片 挠 度。 M 及 相 应 频率 f的关 系 如 表


3

这一 点是 很大 的 好处



一 般测 温 传感 器都 要
,

所示

考 虑 线 路 的 温 度 稳 定性
衰 4

进 行 复 杂 的温 度补

鹤 丝 振 弦 的 祖 定 性

P (kg /

c

m

Z

)

O
O

1
3

30



1

不万万下丁不厂
\


{

!

{





}

52



!

6 16 0
6 16 0

1

5 0 93

由表 3 可 见
。M变


,

当 △f
,


:

32 80赫时
=


,

对 应的

24 小

化 为81


.

9协






瓮 鄂
,

品丝竺二二止竺二 j 翌‘匕竺二
偿 以提 高 测 温 精 确 度和 重复 性



, ,

52 76

}

{

50 9 3

1 0 9 赫/
‘、

C 满 足 要求

因此

要求 过 补 偿
(6 ) 算



而 振 弦 式测

值 么L
a

=
.

1 8
6




9 林即 可




于是 由 式

温 传 感 器 的 电 路 本身 对振 荡 频 率的 影 响 几 乎 可 以不 考 虑
弦 振 动 能量
戈伸缩 )
,

得 李 66

x

lo



/ C 的 材料 作 测 温 传 感 器


因 为 电 路 的 主 要 作 用 是 供给 振
而 传 感 器 外 壳本 身 的 温 度影 响


支架 即可
.

不 同的 是 应 把膜 片 换 成 无 弹 性 挠


度的薄底 座

:

却 正 好 是 我们 所 要利 用 的 是功 耗 小
, ,

用振 弦 式 传感 器 来 测温
、 。

,

有其 特 殊 的 优





电路 简单



而 且材料 和

尺 寸一 经 确定 一 是 重 复 性 好 因为 只 要 材料 选 定 其线
a

容 易大 量 加 工
,

,

成 本低




当然 振弦 式 测 温 传感器 也 有 它 不 足 之 处
,

胀 系 数 在材 料 经 过 一般 效 应 处理 后 是 很 稳 定的
,

例 如非 线性 问 题

互 换 性 问题 等


非线

因 此 测 量 的 重 复 性好
。 、 。

,

在 实验 室 标 定
,

性 问 题 也 可 用 前 述 自校 正法 来 解决



,

容 易提 高测 量 精 确 度

二 是 稳 定 性 好 因为 a 值 不 会 变
于 振 弦 钨 丝 的频 率稳 定 性也 很 高


而 关

结 束 语
振 弦 式压 力 传感 器 不 但 如 一 般 文献 所 介 绍 可 用 于 侧量 压 力 量 的 变 化 还 可 用 它 来侧
,

我 们 曾对

不 同 长 度的 钨 丝 进 行 长 期连 续 工 作的 稳 定 性

试验
作后 室温

,

如表 4 所示
,

,

经 过15 9 个小 时 连 续 工


量温 度

,

,

并 且 用 自校 正 法 来 克 服 或 改 善 非 线


,

振 弦 的 频率 基 本不 变

试 验条 件 是

:

为正 确 设 计 和扩 大 应 用这 类 传 感器 提 供 期 望在 测 温


静态 输出




了 理 论 和 实 验依 据


非 线 性校


三 是 传 感 器 本 身 不 必 再 考虑 温 度影 响

正 等 方面

,

能 看到 专 家和 同 行 们 的新 成 果

今 考
〔1 〕 孙 厚钧
2 〕 〔 梁 昆渺




《电 测 与 仪 表 》1 9 7
3
.

一 种 适 甩 于数 字 化 超测 系 统 的 传 感 器

1

.

数学 物 理 方 法
数 学 物 理 方法
安戈
?

人 民 教 育 出 版社

19 6 0

〔3 )

R

?

柯朗

科学 出 版 社

19 7 7

〔4 3 安 德 列
5 〕 徐 文锵 〔

电 工 电讯工 程 师 数学

人 民 邮电 出版 仕
80


1, 7 9

论 重力测 皮 仪 寮 理 《海 洋 汉 器 》1 0
,

4

〔6 」 徐文 锵

高情 度 深度 计研 制 报告 1 9 6 6 波 纹圆板的 特征 关 系式 力 学学 报 1 9 7
人CC
8
.

〔7 〕 刘 人 怀
8 〕d 〔
?

1

A

?

航 空 仪 丧零 件部 件 及 其计 算

国 防工 业 出版 社

19 6 5

一91 一

s 。n 〔。 〕 s T i功 。 卜 k
. .

o

。。

连3
。e

.

钟0

1

0 0

材s 及 y

。 . h 。。t 犷 o r Pla t o s 一 K r l 吕e r 士

an

d s h e llo

.

1 0 〕 A B T O M a T N K a H T 。浦 。 M e 盆 几H N 兀a 〔
.



1 961 ,
,

7

,



.

.

4

.

2 1 〕 M ir o 一 M e a 〔
.

。u r e

二 。t 。 T

h几 ie a l N

o

te T

N



12 9 13

k 仪 茨 与自动 化袋置 1 9 5 2 第 三 期 西 l 工3

安工 业 自 动 化 仪 表研 究 所 编 辑

A

v ib r a t in g



w

ir e p r e s

sure

T r a n sd

u ee r

Xu
(S h a
n

W
o

en

q ia
g
ra

n

g
In
. ‘ r “ m e n ta t i o n

d

o n

吕 In

s

t it u t

e

f o

ce an o

P hi c

)

A b s tr a e t
An
p
a n a

ly 日 1 3
a n o
,

o

f 七 h

e

P r in

o

iP le

o

f

o

Pe

r a

t io

n


o

f 冬
e

v

ib r i七 y

a

七 in g
a r e
r



w ir

e

r e ss u r e

tr

d

u ee r

an

d

a
u o

d is e
io 七
n

u 日。io n
o n

o n

n o n
e s ig n

lin

ea r

p re o

e n

te d

in

七 h e Pa Pe r
an s

An

ro In 七 d

乞 he d

m

七 h o d fo
ls o



a

P P ly i n g
e

r 七 he 七

d

u c o r

。 e 七 七 瓜 Pe

r a

u 七

r e

m
、兄

eao u r e

m

_

e n

t 15
、 、


a

p


r o v

id


d
~

.



,











、 、



了、

、、 、 、

~





、 、 、 ~ 、~ 、

、 、、 、

、、

、、

~





~



_





_

、、

、、



,

、~

、 、、





~

、 入 一~

、一



、、 、







、 、 声沪护甘 、

物理 海洋 学 的 新 进展
最近 2 0 一3 0 年 来 在 物 理海 洋 学方 面 取 得 了 辉煌 的成 就 其 光 决条 件 是卓有 成 效地 发 展 新型 海 洋 学 仪
,






设备

,

改 进观测



调查



资料 处 理方 法

,

其 中包括在各个 领域 中 广泛 应 用 计 算 技 术
,





诚然

,

人 们通 常


认为 物理 海洋学 是在 一 定里 的 实验数 据基 础 仁 迅 速发 展 起来 的
有 关 海 洋表 层 热 状 态 的 新 的 珍 贵 资料 才 大大促 进 了 研 究涡 流
同时
,

_

正 是使 用 卫 星 红外 线 辐 射扫描 器 所 获 得 的
内 波 以 及表 面 现象 的 理 论 工 作 的 发 展

,



新 的C T D 水 文物 理探 头 的 付 诸 使 用

,

对 于 海 水 密度 结构 声学 侧 量 设备 的 改 进 等都 是十 分 重 要 的




的海 洋 层 理图力 绘 制 对 于理 论研 究更 有其 促进作 用

甚至 还 可 以 说


就 数量 币论

:

,

薄 层 温 楔结构 以 及 该 结
o 刀o r a a

构 组成 过程 的力 能 学间 题 在 一 定 程 度 匕 有 待于 进 一步 弄清 楚

一兵 译自《 OKe o H

)1 9 8 3 一 1

一 9 2一


相关文章:
振弦式传感器测力研究
XXXX 大学毕 业论文 论文题目:振弦式传感器压力研究 姓学专班 名 XXX 院 XXXXXXXXXXXX 业级 XXXXXXXX XXXXXX XXXXXX 指导教师 2013 年 06 月 05 日 ...
振弦式传感器
利用不同的受力机构可做成测压 力、扭矩或加速度等的各种振弦式传感器。 振弦式传感器--- 振弦式压力传感器、振弦式转矩传感器、振弦式倾 角传感器、振弦式位...
振弦式传感器的应用和发展研究
振弦式传感 器在工程测量中大规模应用也正是源于监测设备的成功开发。 振弦式传感器由于可以长期测 量液位、压力、渗流和位移等物理量,而成为大坝等水利设施上一...
电阻应变式压力传感器
课程设计 课程名称 题目名称 传感器设计与实践电阻应变式压力传感器 及转换电路...振动式传感器有振弦式和音叉式两种。 振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台...
压力传感器
压力传感器有多种,而基于矿山压力监测的特殊环境,矿用压力 传感器主要有:振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、 差动变压器式压力...
压力传感器测桥梁的压力
振弦式压力传感器测桥梁的压力 振弦式压力传感器测桥梁的压力 振弦式压力传感器测桥梁的压力 桥梁的压 专班 业: 级: 机械制造及其自动化 2009级机械2班 学生...
振弦式传感器的数学模型研究及其煤矿应用实例
从误差和实用等角度去实证并推荐振弦式传感器的工作特性方程模 型, 二是通过相关专业实验室获取不同温度下的压力一频率的标定数 据,检验并分析相关工作特性方程模型...
第2章 力、压力传感器课后习题
振弦式压力传感器在桥梁索... 3页 免费 集成MOS力敏运放压力传感器... 3页 免费 工程力学(静力学和材料力学... 4页 免费如要投诉违规内容,请到百度文库投诉...
传感器的国家标准_无眼界
传感器图用图形符号 GB/T 15478-1995 压力传感器性能试验方法 GB/T 15768-1995...土工试验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件 GB/T 21529-2008 塑料薄膜...
谐振式传感器
利用不同的受力机构可做成测压力、扭矩或加速度等的各种振弦式传 感器。 2、振筒式传感器 以振动的金属薄圆筒为敏感元件的谐振式传感器。 振筒的固有振动频率...
更多相关标签:
压力传感器 | 振弦传感器 | 湿式振弦除尘风机 | 振弦式应变计 | 振弦式传感器 | 矿用湿式振弦除尘风机 | 煤矿用振弦式除尘风机 | 湿式振弦除尘风机厂家 |