新型傳感技術(shù)及應(yīng)用第五部分：典型傳感器（7）–諧振式傳感器主要內(nèi)容第一部分：基礎(chǔ)知識第二部分：傳感器的特性第三部分：敏感結(jié)構(gòu)的材料與工藝第四部分：敏感結(jié)構(gòu)的建模第五部分：典型傳感器

第六部分：傳感器的典型應(yīng)用2

（7）-諧振式傳感器第五部分思考題（7）1.討論右圖所示的質(zhì)量流量傳感器實現(xiàn)智能化的基本原理。2.右下圖的壓力敏感結(jié)構(gòu)，有法向加速度時會產(chǎn)生對壓力測量的影響；是否可以依此結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，實現(xiàn)同時測量壓力和加速度？若可以，給出敏感結(jié)構(gòu)原理示意圖，并說明設(shè)計思路。發(fā)表在MOOC討論區(qū)里

模擬式傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)模擬式傳感器不僅可測位移，還可以測量應(yīng)變、應(yīng)力位移—靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）特性—測量原理擴展[]4諧振式傳感器不僅可測頻率，還可以測量幅值、相位諧振—周期運動—測量原理擴展[]諧振式傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)諧振式是高性能數(shù)字式傳感器55.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器61.基本結(jié)構(gòu)

諧振式傳感器基本結(jié)構(gòu)三個重要環(huán)節(jié)：(1)E，R，D組成電-機-電諧振子環(huán)節(jié)，是核心(2)E，R，D，A組成閉環(huán)自激環(huán)節(jié)，實現(xiàn)條件(3)R，D，O(C)組成的信號檢測、輸出環(huán)節(jié)5.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論72.閉環(huán)系統(tǒng)的實現(xiàn)條件

諧振式傳感器基本結(jié)構(gòu)(1)復(fù)頻域閉環(huán)自激系統(tǒng)實現(xiàn)的條件—幅值條件—相位條件(2)時域－幅值條件－相位條件整個工作頻率范圍內(nèi)

均滿足閉環(huán)自激條件5.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論85.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論3.諧振子的機械品質(zhì)因數(shù)（1）定義及其計算針對能量的定義理想諧振狀態(tài)針對實際振動系統(tǒng)固有角頻率系統(tǒng)的歸一化幅值頻率響應(yīng)幅值增益最大時，諧振角頻率3.諧振子的機械品質(zhì)因數(shù)（1）定義及其計算（2）提高品質(zhì)因數(shù)的措施材料工藝設(shè)計環(huán)境5.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論105.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器115.7.2諧振弦式壓力傳感器1.基本結(jié)構(gòu)敏感單元張緊的振弦激勵、拾振單元磁鐵線圈組件p2.特性方程3.閉環(huán)結(jié)構(gòu)4.應(yīng)用特點靈敏度高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、慣性小、應(yīng)用廣泛125.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器13敏感單元（圓平膜片）激勵單元（電磁線圈）拾振單元（應(yīng)變片）5.7.3諧振膜式壓力傳感器1.基本結(jié)構(gòu)p2.特性方程14應(yīng)變片

圓平膜片

電磁線圈5.7.3諧振膜式壓力傳感器p3.應(yīng)用特點精度高、靈敏度高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單等；但加工難度稍大些；已作為關(guān)鍵傳感器應(yīng)用于高性能超聲速飛機上155.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器16電磁激勵、拾振方案(4，1)次振動模態(tài)電磁轉(zhuǎn)換效率低，長期穩(wěn)定性不高，易產(chǎn)生電磁耦合5.7.4諧振筒式壓力傳感器1.基本結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方案p2.應(yīng)用情況作為關(guān)鍵傳感器應(yīng)用于高性能超聲速飛機上，解決了300m高度分層壓電激勵、拾振方案結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，易于小型化，功耗低，便于構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；遲滯誤差較大p175.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器1.結(jié)構(gòu)與工作原理2.信號檢測電路3.密度的測量4.雙組分流體的測量5.應(yīng)用特點18基本原理：科里奧利效應(yīng)(CoriolisEffect)與諧振測量參數(shù)：質(zhì)量流量、密度應(yīng)用領(lǐng)域：石油化工、造紙、機場地面測試系統(tǒng)精度：0.1％國內(nèi)：總體性能達到國外產(chǎn)品先進水平5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器1.結(jié)構(gòu)與工作原理U形管一、二階彎曲振動振形示意圖195.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器1.結(jié)構(gòu)與工作原理U形管質(zhì)量流量傳感器的數(shù)學(xué)模型諧振子繞CC’軸的彎曲主振動

產(chǎn)生的對DD’軸的力偶力偶使諧振子產(chǎn)生繞DD’

軸的扭轉(zhuǎn)“副振動”穩(wěn)態(tài)解B點B、B’兩點產(chǎn)生了相位差B’點205.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器1.結(jié)構(gòu)與工作原理U形管質(zhì)量流量傳感器的數(shù)學(xué)模型B點B’點B、B’兩點相位差實用中滿足條件

→若相位差較小時

B、B’兩點信號之差、之和利用信號差與信號和的幅值比可以解算出質(zhì)量流量→相位差幅值比測量管彈性系統(tǒng)等效剛度測量管彈性系統(tǒng)等效質(zhì)量流體引起的附加等效質(zhì)量5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器2.密度的測量流體充滿測量管時(實際測量情況)，系統(tǒng)固有角頻率

→225.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器3.雙組分流體的測量被測流體是兩種不互溶混合液(如油和水)，可對雙組分流體各自的質(zhì)量流量與體積流量進行測量基于體積守恒與質(zhì)量守恒的關(guān)系，在全測量管內(nèi)

組分1與組分2在總體積中占有的比例

組分1與組分2在總質(zhì)量中占有的比例

組分1與組分2各自的質(zhì)量流量與體積流量實用中，雙組分流體有物理互溶現(xiàn)象；可依實測，給出工程化處理方法

235.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器4.應(yīng)用特點(1)

性能穩(wěn)定，精度高，實時性好；是目前性能最好的直接測量質(zhì)量流量的傳感器

(2)

同時測流體密度，也可解算出體積流量，并可解算出兩相流液體(如油和水)各自比例(包括體積流量和質(zhì)量流量以及它們的累計量)

(3)

全數(shù)字式的信號解算，便于與計算機連接，構(gòu)成智能化分布式計算機測控系統(tǒng)；易于解算出被測流體瞬時質(zhì)量流量(kg/s)和累計質(zhì)量(kg)

245.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器4.應(yīng)用特點(1)

性能穩(wěn)定，精度高，實時性好；是目前性能最好的直接測量質(zhì)量流量的傳感器

(2)

同時測流體密度，解算體積流量；解算兩相流液體(如油和水)各自比例

(3)

全數(shù)字式的信號解算，便于與計算機連接，構(gòu)成智能化分布式計算機測控系統(tǒng)；易于解算出被測流體瞬時質(zhì)量流量(kg/s)和累計質(zhì)量(kg)

諧振式質(zhì)量流量傳感器智能化功能示意圖科氏效應(yīng)→質(zhì)量流量

諧振頻率→流體密度

質(zhì)量流量與密度

→體積流量

積分質(zhì)量(體積)流量→質(zhì)量(體積)數(shù)

→批控灌裝控制信號

雙組份流體物理屬性→雙組份信息

—智能化功能255.7.1諧振式傳感器的基礎(chǔ)理論5.7.2諧振弦式壓力傳感器5.7.3諧振膜式壓力傳感器5.7.4諧振筒式壓力傳感器5.7.5諧振式直接質(zhì)量流量傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器1.壓力傳感器2.加速度傳感器3.角速度傳感器4.質(zhì)量流量傳感器265.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器大氣參數(shù)如何測量？27—英國DRUCK公司的RPT國外硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)“米”字梁

5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器28—日本橫河與重慶川儀的EJA國外硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器5.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器敏感結(jié)構(gòu)“H”字梁

295.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器一種新型的“中”字形諧振式微機械壓力傳感器一種差動檢測的“E”型諧振式微機械壓力傳感器諧振式MEMS壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)“中”字梁

305.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器1.壓力傳感器壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)315.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器1.壓力傳感器梁諧振子激勵拾振原理示意圖梁諧振子閉環(huán)系統(tǒng)325.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器1.壓力傳感器差動檢測的微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器二次敏感結(jié)構(gòu)差動檢測方式參數(shù)優(yōu)化過程多參數(shù)敏感與干擾抑制335.7.6硅微結(jié)構(gòu)諧振式