振弦式传感器的工作原理及其特点文档格式.docx
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受力壳体
输止
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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
疋;
式中,f0——初始频率;
L钢弦的有效长度i
p一-钢弦材料密度;
(T0——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f0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f0;
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100HZ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,
dfiffdlj
——
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L
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A可简化为:
啦=丄=JL口7da2(7“4LVN・
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-10-55C
使用温度范围内时,温度附加误差仅有1.5Hz/lOCo
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1OHz的准动态测试。
5.振弦传感器的主要技术指标1)指标
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项、技术指掾
三
四
五
六
七
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合格
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(1)回差:
士0.5%(20士5C)
(2)重复差:
⑶稳定误差:
士1.0%
⑷使用温度范围:
-10〜+55C
(5)温度附加误差:
士O.25%/10C(1.5Hz/10C)
(6)灵敏度:
士0.10%
(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
材料变形极限的丨/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。