振弦式传感器的工作原理及其特点

振弦式传感器的工作原理及其特点

1. 概述

振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性：

(1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。

为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。

2. 工作原理

振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。

现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。如图l所示，工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。

振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定；

式中，f 0 ——初始频率；

L——钢弦的有效长度i

p一-钢弦材料密度；

σ o ——钢弦上的初始应力。

由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f 0 ；当施加外力(即被测力——应力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初频也随之增加或减少。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的力——应力或压力值等。

3. 振弦的激振方式

振弦式传感器的振弦是钢弦，通过激振产生振动。振弦激振的方式分为间歇触发激振和等幅连续激振。

3.1 问歇触发激振

目前，单线圈形式的振弦传感器，均采用间歇触发的激振方式。如图2所示，由张驰振荡器产生激振脉冲，当脉冲信号发出，则吸动继电器，通过常开触头，将触发电压加于振弦传感器的激振线圈上，产生电磁力，吸动钢弦；当脉冲终止时，继电器释放，松开钢弦，从而产生自由振动并切割磁力线，在激振线圈中产生感应电势，通过继电器常闭触头输入测试仪器，测得钢弦的振动频率。

3.2 等幅连续激振

采用这种激振方式的振弦传感器具有激励和接收两组带磁钢的电磁线圈，与放大电路、反馈和稳幅电路组成等幅的振荡器。在开启电源时激励钢弦，钢弦切割磁力线而在接收线圈中产生感应电势，将其输出放大，并反馈到激励线圈补足能量，不断循环。在稳幅电路限制的反馈量下，达到等幅连续振荡的激振方式，萁振动频率即为钢弦的自振频率。

两种技术的构成不同，带来一些性能上的差异。一般而言，“拨振”-单线圈方式由于在传感器内的电子部件降低到最低限度，传感器的可靠性及耐恶劣环境性都更好一些；同时，由于只采用一个线圈，传感器的体积可以做得很小(而自动谐振式传感器需要更长的钢弦以便容纳两个线圈)；此外，由于单线圈振弦仪器只需两芯电缆，总体费用也更便宜。而“自动谐振”-双线圈方式的优点是可通过高速计数技术或把频率转换成电压方式在一定范围可进行动态应变测量(通常动态信号输人频率限制在大约1OOHz内，这主要取决于传感器的谐振频率)。自动谐振”技术的另一优点是可以使用通用的频率计和数据记录仪即可读取其它制造商的自动谐振传感器的数据。

4. 振弦式传感器的特性

4.1 非线性

由(1)式可知，振弦式传感器的特性曲线是非线性的，测试的量值需用查对率定曲线的办法进行判定，是相当麻烦的。因此，必须进行线性回归，作线性化处理。在选择了较佳的传感器工作频段时，从实测数据对比，其线性误差可小于2‰，能较为简便地适应自动测试分析，也能保证较高的测试精度。

4.2 灵敏度

由(1)式可知，灵敏度与弦长L成反比,将(1)式平方，取对数再求导数，

上式表示相应于单位应力增量引起基频的改变量，称为振弦的灵敏度。由上式可见，要提高灵敏度最有效的办法是缩短弦长，同时在保证振弦能稳定起振的情况下，钢弦应力尽可能小些。此外，采用细弦，减小抗弯刚度，也可以提高灵敏度。但振弦应满足柔软无阻尼振动运动微分方程，故钢弦不能过短，弦长与直径之比应大于200，—般在300-400之间为宜。

4.3 温度影响

由于传感器零件的金属材料膨胀系数的不同，造成了温度误差。为减小这一误差，在零件材料选择上，除尽量考虑达到传感器机械结构自身的热平衡外，并从结构设计和装配技术上不断调整零件的几何尺寸和相对固定位置，以取得最佳的温度补偿结果。实践结果表明，传感器在-10 -55℃使用温度范围内时，温度附加误差仅有1.5Hz／lO℃。

4.4 稳定性

振弦式传感器是机械结构式的，它不受电流、电压、绝缘等电参数的影响，因此，零点稳定。这是这类传感器的突出优点。但若材料选择处理不当，由于残余应力、蠕变等因素，会严重影响传感器的稳定性。为了提高振弦式传感器的长期稳定性，必须严格选择材料、工艺处理、加工方法并进行时效处理，才能保证其良好的稳定性。

4.5 滞后性

由于振弦式传感器是机械结构式的，以钢弦为转换元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静态和不大于1 0Hz的准动态测试。

5. 振弦传感器的主要技术指标

1)指标

(1)回差：士0．5％(20士5℃)

(2)重复差：士O．5％(20士5℃)

(3)稳定误差：士1．O％

(4)使用温度范围：-10～+ 55℃

(5)温度附加误差：士O．25％／l 0℃(1.5Hz／10℃)

(6)灵敏度：士O.10％

(7)能抗与奥斯特外磁场干扰

(8)能抗颠振

6. 材料选择与工艺处理

振弦传感器的材料选择与工艺处理直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性，因此，必须进行认真的选配和严格的工艺处理。

1) 材料选择的原则

(1)在常温下材料的线膨胀系数尽量接近或相同；

(2)选用弹性模量低、弹性极限高的材料，通过工艺处理，能保证在最大载荷下，材料弹性变形在材料变形极限的l／3～1／2以下；

(3)弹性元件的抗蠕变能力好；

(4)弹性元件的残余应力小；

(5)材料成本低、性能稳定、工艺处理简便；

(6)选用材料经处理后，其机械性能应尽可能接近被测材料。

2) 工艺处理要求

在弹性模量基本相同的情况下，尽量提高材料的回弹模量，以保证最大载荷时材料的弹性变形为材料弹性极限的三分之一左右。对各零件材料的抗蠕变能力及残余应力、加工应力应变等都进行了较合理的工艺处理。同时通过各种试验，确定了合理的结构，选择了最佳频段，使传感器性能稳定，取得了良好效果。综合技术性能比较理想，选到了技术要求和设计目的。工艺处理要点：(1)材料的调质热处理使材料晶粒改变，内部结构均匀，强度增高，尺寸稳定，提高抗蠕变能力并消除内应力；(2)控制加工进刀量，减小加工应力；(3)加工完成的传感器零件，进行中温回火处理，以消除加工应力；(4)传感器零件进行冷冻处理，使材料组织内少量残余奥氏体几乎全部变为稳定的马氏体组。以提高稳定性；(5)传感器装配前形变

弹性体应超载张拉；(6)传感器总装完成后，应进行反复加、卸载试验；(7)严格防水密措施、防震措施；(8)在烘箱内进行长时间加速时效处理。

7. 振弦式传感器的测量系统

振弦式传感器通过激振电路激振后，输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪，进行测频或周期的测试。也可通过频率电压转换器或接口转换，输送给打印机、函数记录仪、光线示波器、微机等进行数据处理、记录存储。

无阻尼振动

振幅不变的简谐振动叫作无阻尼振动。

简谐振动的物体在客服外界阻力做功不断消耗能量的情况下，振幅会越来越小，甚至完全停下来。这种振幅越来越小的振动叫作阻尼振动。

如果对这个振动系统不断补充损耗的能量，使振动的振幅保持不变，这种振幅不变的振动叫作无阻尼振动。

做无阻尼振动时，振动物体不断受到周期性变化的外力的作用。这种周期性变化的外力叫作驱动力，在驱动力作用下物体的振动叫作受迫振动。

(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。

振弦式传感器测频方法的研究

振弦式传感器具有结构简单、精度高、长期稳定性好，其输出为数字信号，便于与微机接口，有较强的抗干扰能力，便于长距离传输等优点，因此，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中广泛的应用。影响振弦式传感器测量精确度的因素主要有两方面。一是测量区间的选择（即激励响应信号的稳定区间），二是频率测量方法。文章主要从这两个方面进行理论分析，确定出有效的振弦式传感器的测量方法。 1激励响应信号的稳定区间的研究 振弦式传感器激励响应信号是由一定频率高压正弦信号激励传感器，使传感器谐振产生的信号。激 励响应信号是按指数衰减的阻尼振动信号[1]。 物体在运动过程中，总是或多或少地受到阻碍其运动的力的作用，例如空气阻力和摩擦力等，从而使振动的振幅和能量逐渐衰减，这种振动称为阻尼振动。阻尼振动的公式如下： x=A（t）cos（ωt+φ 0）A（t）=A e-βt（1） β是表征系统阻尼大小的常量,叫做阻尼系数[2]。 A 0和φ 为任意常数，由振动的初始条件决定，A 为 初始幅度，φ 为初始相位。ω=ω20-β2 姨，ω0为初始 相位。振弦式传感器激励响应信号的波形（阻尼振动 的图形）如图1所示。 由于激励响应信号为减幅振荡，减幅振荡信号 其信噪比是随着幅度减小逐渐减小的。虽然T0时间 段幅度最高，但是由于激励响应信号初期的频率成 分不纯，信号不稳定，故不选取此段时间测量。T2时 间段由于信号振幅低于门槛电压，其噪声干扰严重， 刘玉珍杨炬亮 （辽宁工程技术大学电子与信息工程学院葫芦岛125105） 摘要振弦式传感器是一种使用相当广泛的称重测力传感器。称重测力传感器主要分为应变力传感器，石英谱振器，振弦式传感器等几大类。就其工作原理而言，振弦式传感器是目前在称重测力应用方面最为先进的一种测力传感器。文章主要从理论上对振弦式传感器的激励响应信号进行分析，确定出稳定可靠的激励响应信号区间，并在该区间内分析计数法和多周期测量法的误差，比较得出多周期测量法测量频率精度高，稳定性好,抗干扰能力好。 关键词振弦式传感器计数法多周期测量法频 率 图1阻尼振动

振动传感器种类、原理及发展趋势

振动传感器种类、原理及发展趋势 【摘要】振动传感器是一种能感受机械运动振动的参量(振动速度、频率，加速度等)并转换成可用输出信号的传感器。 在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。 【关键词】种类；原理；发展趋势 【Abstract】:Vibration transducer is atransducer that can feel the vibration of a mechanical movement parameters (frequency of the vibration velocity, acceleration, etc.) and converted into usable output signal of the sensor. At the height of the development of modern industry, modern testing technology to digitization, information management has become an inevitable trend of development, and testing system for the front end is the sensor, it is the soul of an entire test system, is listed as a leading-edge technology around the world, particularly in recent years, the rapid development of IC technology and computer technology, the development of a sensor provides a good and reliable scientific and technology base. Place the sensor development, Crescent IK, and multipurpose digital, is a modern and intelligent sensor development, an important feature. 【Keywords】:type , principle , inevitable trend of development 振动传感器的分类

振弦式传感器的应用和发展研究

题目 摘要 关键词 abstract kye words 1引言 振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。其输出的是频率信号，不需要A/D 或D/A 转换，抗干扰能力强，能够远距离传输。其稳定性、重复性较好，结构简单，寿命长，灵敏度高，因此被广泛应用于大坝、桥梁、公路等对力、位移和裂缝的检测。国际上生产振弦式传感器的著名厂家有美国基康公司，法国TELEMAL 等，他们生产的振弦式传感器在精度、寿命和稳定性方面都有良好的表现。如今，振弦式传感器已经成为了应力、应变测量的先进传感器之一。 2振弦式传感器的工作原理 金属丝在一定的拉力下具有一定的自振频率。随着应力的变化，其自振频率也跟着变化。而其自振频率跟应力具有某种数学关系。所以，通过测量金属弦的固有频率就可以换算得到外界参数的变化。 图1是振弦式传感器的等效物理模型。金属弦的自振频率的得到公式如下： f = (1) 式中，f 为金属弦的自振频率；l 为金属弦的长度；ρ为金属弦的线密度；T 为金属弦所受张力。 而 v T s s E l l σρρσ?=???=????=?? (2) 式中，σ为金属弦所受应力；s 为金属弦横截面积；v ρ为金属弦的体密度；E 为金属弦的弹性模量；l ?为金属弦受张力后的长度增量。 将式(2)带入式(1)，得 f = (3)

由上式可看出，当传感器确定之后，弦长l 、弹性模量E 、弦的体密度v ρ都为常量。外力的变化引起弦长度的增量l ?与弦的自振频率存在着确定的关系式。 3振弦式传感器的发展历史与现状 1919年，谢弗和麦哈克公司联合研制了世界上首款振弦式传感器。虽然这款传感器能够用来测量应变。但是由于其自身的缺点，如测量范围窄、灵敏度低等，而未能大规模应用于工程实践中。而后由于技术的发展，不仅提高了其范围与灵敏度，测量与传输距离也大幅提高。使得振弦式传感器不仅用于应变的测量，还可以用来测量液位、位移、扭矩等。虽然此时振弦式传感器的各项性能已经满足工程测量的需求，但却未能广泛应用。主要原因就是采集振弦传感器信号的设备还未面世。 20世纪30年代，前苏联成功研究开发出了采集振弦式传感器信号的监测设备。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种非常重要的传感器。 20世纪70年代后，随着电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路技术的飞速发展，振弦式传感器的研究也获得了长足的进步。现代生产的振弦式传感器由于体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输、处理和存储而成为工程监测中一种较为先进的传感器。 国外对振弦式传感器的研究起步较早，国际著名的振弦式传感器制造公司有美国基康公司(GEKON)、德国MAILHAK 公司、法国TELEMAL 公司、加拿大ROCTEST 公司及英国SCHLUBERGER 等公司。这些公司研究早，发展快，生产的传感器性能好、数字化及智能化。 国内振弦式传感器的研究开始于19世纪60年代。虽然起步较晚，但是也取得了不俗的成就。 国内比较著名的振弦式传感器公司有：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、南京格能仪器科技有限公司等。 20世纪70年代开始，山东科技大学邓铁六教授等人便投身于对振弦式传感器、智能仪器和 监测系统的研究，于后来提出了() ()2200F A F F B F F =-+-的精确数学模型，提高了传感器的准确性和重复性。并与90年代研制出了单线圈振弦式传感器。此传感器的振弦传感技术由振弦传感器、激发电路、高准确度快速测频电路、单片机、微机等组成测量系统组成，是一项综合技术，具有广阔的发展前景。2010年，邓铁六等教授又发明了一种高准确度振弦式压力传感器。1984年南京水利科学研究所研制出了可以监测32个点的振弦传感器巡回检测装置。1996年崔玉亮教授等人对振弦式传感器测量精度的公式进行了修正。2013年水利部珠江水利委员会蒙永务研究了振弦式传感器频率测量的问题，针对其输出信号弱，易受干扰提出了基于锁相环的新型测频电路。 经过几十年的发展，振弦式传感器以经成为了一种技术含量高，使用广泛的传感器。振弦式传感器的研究工作也仍然在进行中。 4振弦式传感器的应用研究 4.1在大坝安全监测中的应用 4.2 4.3

震动探测器原理

全向振动传感器 它是一种全方位固态振动控制器件，传感部分采用目前最先进的固态加速度检测器件，既对振动有很高的检测灵敏度，也对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力。 目前所出现的振动传感器为一弹簧振子,通过碰撞实现振动感应,主要缺点是有方向性,可靠性差。针对这一缺陷,本方案使用的传感器, 克服了这一弱点。敏感器件采用压电陶瓷片,置于一密闭腔中,两侧为金属小球,空腔设计为球形, 以利用小球滚动。在三维空间中,无论传感器在什么方位,始终有小球与压电陶瓷片接触。在振动时,小球对压电陶瓷片压力变化,产生脉动电压, 从而实现振动感应。因为本振动传感器的输出电压幅度主要取决于振动强度,在不同方向上振动, 输出电压太小差别不大，故为全方向性。 (1) 全向振动传感器工作原理 全向振动传感器,是一种目前广泛应用的报警检测传感器，它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号，并通过LM358等运放放大并输出控制信号。如图2-8所示为全向振动传感器电路图。 ND-2采用特别设计的低功耗检测控制芯片，静态耗电小于1μA ，是目前振动传感器中耗电最小的器件。为了方便使用，采用引线方式。引线连接方式：红线为电源正极，绿线为输出端，黑线为地。如图2-9所示为ND-2引线图。 当检测到振动大于一定幅度时，动作指示灯点亮，并发出报警。振动检测的灵敏度可以通过灵敏度调节旋钮调节，顺时针灵敏度增加，逆时针灵敏度降低。 3V 图2-8 全向振动传感器电路图 红 绿 黑 图2-9 ND-2引线图 如图2-10所示，ND-2采用集电极开路输出方式，其内部三极管的控制电流不小于10mA 。受内部定时器的控制，每检测出一次振动信号，三极管导通5秒，

振动传感器

振动传感器 振动传感器分为压电式，磁电式，微型振动传感器。 常用振动传感器有以下几种： 1.压电片谐振式：使用压电片接收振动信号，压电片的谐振频率较高，为了降低谐振频率，使用加大压电片振动体的质量来实现，并使用弹簧球代替附加物，降低两谐振频率，增强了振动效果。其优点是灵敏度较高，结构简单。但是需要信号放大后送到TTL电路或者单片机电路中，不过使用一个三极管单级放大即可 2.机械振动式：传统的振动检测方式，受到振动以后，弹簧球在较长的时间内进行减幅振动，这种振动便于被检测电路检测到。振动输出开关信号，输出阻抗与配合输出的电阻阻值所决定，根据检测电路的输入阻抗，可以做成高阻抗输出方式。 3.微型振动传感器：将机械式振动传感器微型化，将振动体碳化并进行密封处理，其工作性能更可靠。输出开关信号直接与TTL电路和或者单片机输入电路相连接，电路结构简单。输出阻抗高，静态工作电流小。 振动传感器按其功能可有以下几种分类方法： 按机械接收原理分：相对式、惯性式；按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。 以上分类法中的传感器是相容的。

1、相对式电动传感器 电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。 2、电涡流式传感器 电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽(0～10 kHZ)，线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。 3、电感式传感器 依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。 4、电容式传感器 电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。 5、惯性式电动传感器

振弦式传感器的工作原理及其特点

振弦式传感器的工作原理及其特点 1. 概述 振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性： (1)振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量来表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能，这是电阻应变计所无法比拟的。在长期、静态测试传感器的选择中，振弦传感器已成为取代电阻应变计、而广泛应用于工程、科研的长期原观的测试手段。(2)随着电子、微机技术的发展，从实现测试微机化、智能化的先进测试要求来看，由于振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。 为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER及挪威等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。国内从60年代起，先后研制开发了适合各种测试目的的多种振弦传感器的系列产品，如振弦式压力计、土压力计、空隙水压力计、应变计、测力(应力)计、钢筋计、扭力计、位移计、反力计、吊重负荷计、倾斜计等等。它们广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。 2. 工作原理 振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。钢弦自振频率与张紧力的大小有关，在振弦几何尺寸确定之后，振弦振动频率的变化量，即可表征受力的大小。 现以双线圈连续等幅振动的激振方式，来表述振弦式传感器的工作原理。如图l所示，工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦的振动，这样不断地反馈循环，加上电路的稳幅措施，使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动，然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。 振弦这种等幅连续振动的工作状态，符合柔软无阻尼微振动的条件，振弦的振动频率可由下式确定； 式中，f 0 ——初始频率； L——钢弦的有效长度i p一-钢弦材料密度； σ o ——钢弦上的初始应力。 由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数，因此，钢弦的应力与输出频率f 0 建立了相应的关系。当外力F未施加时，则钢弦按初始应力作稳幅振动，输出初频f 0 ；当施加外力(即被测力——应力或压力)时，则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩，使钢弦的应力增加或减少，这时初频也随之增加或减少。因此，只要测得振弦频率值f，即可得到相应被测的力——应力或压力值等。

《传感器原理与应用》综合练习答案(期末考试)

《传感器原理与应用》综合练习 一、填空题 1．热电偶中热电势的大小仅与金属的性质、接触点温度有关，而与热电极尺寸、形状及温度分布无关。 2．按热电偶本身结构划分，有普通热电偶、铠装热电偶、微型热电偶。3．热电偶冷端电桥补偿电路中，当冷端温度变化时，由不平衡电桥提供一个电位差随冷端温度变化的附加电势，使热电偶回路的输出不随冷端温度的变化而改变，达到自动补偿的目的。 4．硒光电池的光谱峰值与人类相近，它的入射光波长与人类正常视觉的也相近，因而应用较广。 5．硅光电池的光电特性中，光照度与其短路电流呈线性关系。 6．压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应。 7．压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己极化方向。经过极化过的压电陶瓷才具有压电效应。 8．压电陶瓷的压电常数比石英晶体大得多。但石英晶体具有很多优点，尤其是其它压电材料无法比的。 9．压电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量频率小的被测量。特别不能测量静态量。 10．霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛伦茨力作用发生位移的结果。 11．霍尔元件是N型半导体制成扁平长方体，扁平边缘的两对侧面各引出一对电极。一对叫激励电极用于引入激励电流；另一对叫霍尔电极，用于引出霍尔电势。 12．减小霍尔元件温度误差的措施有：（1）利用输入回路的串联电阻减小由输入电阻随温度变化；引起的误差。（2）激励电极采用恒流源，减小由于灵敏度随温度变化引起的误差。 13．霍尔式传感器基本上包括两部分：一部分是弹性元件，将感受的非电量转换成磁物理量的变化；另一部分是霍尔元件和测量电路。 14．磁电式传感器是利用霍尔效应原理将磁参量转换成感应电动势信号输出。 15．变磁通磁电式传感器，通常将齿轮的齿（槽）作为磁路的一部分。当齿轮转动时，引起磁路中，线圈感应电动势输出。 16．热敏电阻正是利用半导体的数目随着温度变化而变化的特性制成的热敏感元件。 17．热敏电阻与金属热电阻的差别在于，它是利用半导体的电阻随温度变化阻值变化的特点制成的一种热敏元件。 18．热敏电阻的阻值与温度之间的关系称为热敏电阻的。它是热敏电阻测温的基础。 19．热敏电阻的基本类型有：负温度系数缓变型、正温度系数剧变型、临界温度型。 20．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻不能用于温度范围的温度控制，而在某一温度范围内的温度控制中却是十分优良的。 21．正温度系数剧变型和临界温度型热敏电阻属于型，适用于温度监测和温度控制。

电容式传感器的结构及工作原理

电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。下面就让艾驰商城小编对电容式传感器的结构及工作原理来一一为大家做介绍吧。 若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中ε为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。 因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，即变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介质型电容传感器。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.docsj.com/doc/65651730.html,/

振动传感器的类型

根据不同的分类标准，有不同的分类，一般来说，有三种分类标准。按机械接收原理分：相对式、惯性式;按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式;按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。下面简单介绍几种振动传感器。 电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。电涡流传感器具有频率范围宽（0～10 kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。 电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理而生产的传感器称为电动式传感器。相对式电动传感器从机械接收原理来说，是一个位移传感器，由于在机电变换原理中应用的是电磁感应电律，其产生的电动势同被测振动速度成正比，所以它实际上是一个速度传感器。 依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。 电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。可变间隙式可以测量直线振动的位移。可变面积式可以测量扭转振动的角位移。 惯性式电动传感器由固定部分、可动部分以及支承弹簧部分所组成。为了使传感器工作在位移传感器状态，其可动部分的质量应该足够的大，而支承弹簧的刚度应该足够的小，也就是让传感器具有足够低的固有频率。 压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。其原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等，不同的压电材料具有不同的压电系数，一般都可以在压电材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。 电阻式应变式传感器是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。实现这种机电转换的传感元件有多种形式，其中最常见的是电阻应变式的传感器。电阻应变片的工作原理为：应变片粘贴在某试件上时，试件受力变形，应变片原长变化，从而应变片阻值变化，实验证明，在试件的弹性变化范围内，应变片电阻的相对变化和其长度的相对变化成正比。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游

TRLV-8 振动速度传感器工作原理

TRLV-8 振动速度传感器工作原理 可用于测量轴承、壳或结构的振动。这种传感器测量的振动是相对于自由空间的绝对振动，其输出电压与振动速度成正比，故又称速度式振动传感器。也可以把速度量经过积分转换成位移量再予处理。这种测量可对旋转或往复机械的综合工况进行评价，它直接安装在机器外部，故使用维护极为方便。工程上的振动问题，大多数都是由转子引起的，例如：不平衡，不对中，动静磨擦等。而对于有些机械，轴振动被大部（或全部）传递到轴承座上，在这种情况下，测量轴承座的振动对于机械设备的综合工况，可以提供比较有意义的信息，这些机械包括：具有滚动轴承的大部分机械；具有油膜的滑动轴承机械。在一些特殊条件下，由于某种原因（如安装条件限制以及环境等因素），安装电涡流传感器不可能，对于这种类型的机械若轴的振动能够大部分传到轴承座上，它的振动就可采用安装于轴承座上的速度传感器进行测量。 是利用磁电感应原理将振动速度信号转换为电压输出的振动速度式传感器，它的性能指标如下： (1) 灵敏度：200mV/cm/s±5% (2) 频响范围：10Hz～1000Hz(-3dB) (3) 幅值线性：＜3% (4) 大可测位移：1mm （单峰） (5) 使用温度：-30℃～120℃ (6) 工作位置：垂直、水平均可 (7) 环境条件：防尘、防潮、防油 是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接，即可显示振动速度或位移量的大小，也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量 1

振动传感器的原理总结

《振动传感器的原理总结》 05308111 张航 振动传感器包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。电测法测量系统示意图，如图 下图所示。 1. 拾振环节。把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换 工作的器件叫传感器。 2. 测量线路。测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。 比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。 3. 信号分析及显示、记录环节：从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给 信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示 波器、磁带记录仪、X—Y 记录仪等）等。也可在必要时记录在磁带上，然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。 下面将分别介绍各常用传感器的工作原理 1.惯性式传感器 惯性式传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量的。 这种传感器直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。测量所得结果直接以固定于地球上的惯性系坐标为参考坐标， 是一种绝对式拾振仪器。 结构示意图 这类传感器是在一个刚性的外壳里安装一个单自由度有阻尼的弹簧质量系统。 根据质量块相对于外壳的运动x来判断外壳体的振动y。 力学原理与频响特性 惯性式传感器利用弹簧质量系统的强迫振动特性进行振动测量。 这种传感器直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。 测量所得结果直接以固定于地球上的惯性系坐标为参考坐标， 是一种绝对式拾振仪器。

质量块的运动方程 表明质量块相对于仪器外壳的位移x 与振动体的绝对位移y 之间存在一定的关系。可以根据x 推算出y 假定振动体作简谐振动 代入运动方程得 令 上式的解可分为两部分 一部分是齐次方程的解，代表传感器的自由振动。 由于系统存在阻尼，自由振动经过一定时间后就衰减掉了 第二部分为非线性方程的特解，代表强迫振动，它实际上是传感器外壳所引起的传感器系统的响应。 这一部分解可表示为 惯性式位移传感器的频响特性 幅频特性： 相频特性： ()0=+++x c kx y x m t sin m ωY =y t sin m 2ωωY =++m kx x c x m m k =Ω2t sin x m 2ωωY =++x m k x m c m c n =2t sin 2m 22ωωY =Ω++x x n x () αω-X =t sin m x

振动传感器原理与应用

振动传感器原理与应用 在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC 技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。 一、工程振动测试方法 在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。 1、机械式测量方法 将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。 2、光学式测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。如读数显微镜和激光测振仪等。 3、电测方法 将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。 上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是，组成的测量系统基本相同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。 1、拾振环节。把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器。 2、测量线路。测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。 3、信号分析及显示、记录环节。从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、X—Y 记录

加速传感器工作原理及架构

加速传感器工作原理及架构 飞思卡尔传感器产品主要分为三大部分：惯性传感器、压力传感器与安全和报警IC。其中，惯性传感器即为加速传感器，可以用于侦测倾斜、振动及撞击，因此可以用在汽车乘客安全、振动监控、运动诊断、防盗装置、电器平衡、地震检测、倾角/倾斜仪及便携式电子设备中。 加速传感器可用来侦测X、Y、Z轴方向的加速度，以类比电压来表示所侦测的加速度的大小，在IC内部主要由双芯片构成，即重力感测单元（负责加速度的侦测）与控制IC单元（负责信号处理）。双芯片可以分开安置也可以叠放处理。 由图1可知，X轴或Z轴的重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到电荷积分器做积分运算，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。此输出之类比电压与侦测的加速度值会维持线性比例的特性，不会受到温度的影响。 为了说明X轴向g感测单元的感测原理，先来回顾电容的物理特性：电容值的大小与电极板的面积大小成正比，和电极板的间隔距离成反比。g感测单元即利用电容的原理设计出来的，在图2中左上角的小区块可以看到，蓝色的部分代表可移动的电极板，而在蓝色电极板的上方左偏置与下方右偏置板块则是固定的电极板，此时蓝色电极板与左右偏置板形成两个电容，当蓝色电极板因加速度的影响而改变与左右偏置板的间隔，则使得电容值改变进而促使电容电压值的改变，因此可借此特性计算出加速度的大小。

Z 轴向垂直g感测单元的感测原理与X轴向g感测单元的感测原理相同，只是架构有所差异。如图3所示，红色的震动块代表可移动的电极板，而绿色的顶板与蓝色的底板则是固定的极板。当红色的极板因为加速度的影响而改变与上下极板的间隔，则将产生电容值的改变。因此，可借此特性计算出此加速度的大小。图3中黑色的部分为弹簧装置，用来缓冲可移动电极板的移动。 图4为4 X轴向g单元的SEM照片，显示了g感测单元的架构，可移动极板在两个固定极板间左右移动，由可移动极板与固定极板组成的指状结构是显而易见的。

振动传感器原理总结

振动传感器原理总结 一，振动传感器的力学原理 惯性式传感器是利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量的。这种传感器被直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。测量所得结果直接以固结于地球上的惯性参考系坐标为参考坐标，因此，它是一种绝对式拾振仪器。 下图是这类传感器的结构原理图。在一个刚性的外壳里面，安装一个单自由度的有阻尼的弹簧质量系统。根据质量块相对于外壳的运动来判断被测振动体的振动。 设振动体的位移是y=y(t),并假定由它引起仪器质量块相对于仪器外壳的位移为x(t)(以其静平衡位置为0点)，则质量块绝对位移 z=x+y.进行受力分析可得 设振动体作简谐振动 y=Ym*sinwt 代入得到两部分的解。一部分是齐次方程的解，代表拾振器系统的自由振动。由于阻尼，慢慢衰减掉了。第二部分为特解，代表强迫振动。 可以表示为 其中 代表了仪器外壳的振幅Xm 与振动体的振幅Ym 之间的关系。 代表了信号x 与信号y 之间的相位差。 由 横坐标，以 m Y X ωωm 为纵坐标，可 以()Ωω为 以画出关系图，即为仪器的位移幅频特性曲线。 也可以将关系画图表示，得到传感器的位移相频特性曲线。 y m kx x c x m -=++()αω-X =t sin m x ()()2 12arctan Ω -Ω=ωω ζα()()()2 2 22 m 21Ω+?? ????Ω-ΩY = X ωζωω m ()()( ) 2 222 m 21Ω+?? ????Ω-Ω= Y X ωζωωωωm ()()2 12arctan Ω -Ω=ωω ζα() ()()2 2 22 m 21Ω+?? ????Ω-ΩY = X ωζωω m