新型傳感技術及應用第五部分：典型傳感器（7）–諧振式傳感器主要內容第一部分：基礎知識第二部分：傳感器的特性第三部分：敏感結構的材料與工藝第四部分：敏感結構的建模第五部分：典型傳感器

第六部分：傳感器的典型應用2

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

模擬式傳感器的拓撲結構模擬式傳感器不僅可測位移，還可以測量應變、應力位移—靜態（穩態）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構諧振式是高性能數字式傳感器55.7.1諧振式傳感器的基礎理論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諧振式直接質量流量傳感器5.7.6硅微結構諧振式傳感器61.基本結構

諧振式傳感器基本結構三個重要環節：(1)E，R，D組成電-機-電諧振子環節，是核心(2)E，R，D，A組成閉環自激環節，實現條件(3)R，D，O(C)組成的信號檢測、輸出環節5.7.1諧振式傳感器的基礎理論72.閉環系統的實現條件

諧振式傳感器基本結構(1)復頻域閉環自激系統實現的條件—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

均滿足閉環自激條件5.7.1諧振式傳感器的基礎理論85.7.1諧振式傳感器的基礎理論3.諧振子的機械品質因數（1）定義及其計算針對能量的定義理想諧振狀態針對實際振動系統固有角頻率系統的歸一化幅值頻率響應幅值增益最大時，諧振角頻率3.諧振子的機械品質因數（1）定義及其計算（2）提高品質因數的措施材料工藝設計環境5.7.1諧振式傳感器的基礎理論105.7.1諧振式傳感器的基礎理論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諧振式直接質量流量傳感器5.7.6硅微結構諧振式傳感器115.7.2諧振弦式壓力傳感器1.基本結構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.閉環結構4.應用特點靈敏度高、精度高、結構簡單、體積小、功耗低、慣性小、應用廣泛125.7.1諧振式傳感器的基礎理論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諧振式直接質量流量傳感器5.7.6硅微結構諧振式傳感器13敏感單元（圓平膜片）激勵單元（電磁線圈）拾振單元（應變片）5.7.3諧振膜式壓力傳感器1.基本結構p2.特性方程14應變片

圓平膜片

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

產生的對DD’軸的力偶力偶使諧振子產生繞DD’

軸的扭轉“副振動”穩態解B點B、B’兩點產生了相位差B’點205.7.5諧振式直接質量流量傳感器1.結構與工作原理U形管質量流量傳感器的數學模型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量流量→相位差幅值比測量管彈性系統等效剛度測量管彈性系統等效質量流體引起的附加等效質量5.7.5諧振式直接質量流量傳感器2.密度的測量流體充滿測量管時(實際測量情況)，系統固有角頻率

→225.7.5諧振式直接質量流量傳感器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量流量與體積流量進行測量基于體積守恒與質量守恒的關系，在全測量管內

組分1與組分2在總體積中占有的比例

組分1與組分2在總質量中占有的比例

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

235.7.5諧振式直接質量流量傳感器4.應用特點(1)

性能穩定，精度高，實時性好；是目前性能最好的直接測量質量流量的傳感器

(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(包括體積流量和質量流量以及它們的累計量)

(3)

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

245.7.5諧振式直接質量流量傳感器4.應用特點(1)

性能穩定，精度高，實時性好；是目前性能最好的直接測量質量流量的傳感器

(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)

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

諧振式質量流量傳感器智能化功能示意圖科氏效應→質量流量

諧振頻率→流體密度

質量流量與密度

→體積流量

積分質量(體積)流量→質量(體積)數

→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諧振式直接質量流量傳感器5.7.6硅微結構諧振式傳感器1.壓力傳感器2.加速度傳感器3.角速度傳感器4.質量流量傳感器265.7.6硅微結構諧振式傳感器大氣參數如何測量？27—英國DRUCK公司的RPT國外硅微結構諧振式壓力傳感器敏感結構“米”字梁

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

295.7.6硅微結構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壓力傳感器敏感結構“中”字梁

305.7.6硅微結構諧振式傳感器1.壓力傳感器壓力傳感器原理結構315.7.6硅微結構諧振式傳感器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系統325.7.6硅微結構諧振式傳感器1.壓力傳感器差動檢測的微結構諧振式壓力傳感器二次敏感結構差動檢測方式參數優化過程多參數敏感與干擾抑制335.7.6硅微結構諧振式