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谐振式传感器是如何产生异常谐振(共振),该怎么解决?

谐振式传感器是如何产生异常谐振(共振),该怎么解决?

利用谐振元件把被测参量转换为频率信号的传感器,又称频率式传感器。当被测参量发生变化时,振动元件的固有振动频率随之改变,通过相应的测量电路,就可得到与被测参量成一定关系的电信号。70年代以来谐振式传感器在电子技术、测试技术、计算技术和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来。其优点是体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据传输、处理和存储等。按谐振元件的不同,谐振式传感器可分为振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和压电谐振式等(见振弦式传感器、振筒式传感器、振梁式传感器、振膜式传感器、石英晶体谐振式传感器)。谐振式传感器主要用于测量压力,也用于测量转矩、密度、加速度和温度等。

振弦式传感器(vibrating wire transducer)是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后,其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。

谐振式传感器是如何产生异常谐振(共振),该怎么解决?

振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为,式中l为振弦的长度,ρ为单位弦长的质量。振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。钨丝的性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度都很高,是常用的振弦材料。此外,还可用提琴弦、高强度钢丝、钛丝等作为振弦材料。振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受力机构组成。振弦一端固定、一端连接在受力机构上。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。

谐振又称“共振”。振荡系统在周期性外力作用下,当外力作用频率与系统固有振荡频率相同或很接近时,振幅急剧增大的现象。产生谐振时的频率称“谐振频率”。电工技术中,振荡电路的共振现象。电感与电容串联电路发生谐振称“串联谐振”,或“电压谐振”;两者并联电路发生谐振称“并联谐振”,或“电流谐振”

谐振,即物理的简谐振动,物体的加速度与偏离平衡位置方向上的位移成正比,且总是在指向平衡位置的回复力的作用下的振动。谐振的动力学方程式是F=-kx。 谐振的现象是电流增大和电压减小,越接近谐振中心,电流表电压表功率表转动变化快,但是和短路的区别是不会出现零序量。在物理学里,有一个概念叫共振,当驱动力的频率和系统的固有频率相等时,系统受迫振动的振幅最大,这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思:当电路中激励的频率等于电路的固有频率时,电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上,共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

振弦传感器产生异常谐振(共振),振弦采集模块运算出来的共振周期比正常的大三倍(如读取到的共振频率6000多hz)。 

谐振式传感器是如何产生异常谐振(共振),该怎么解决?

如果正好是3倍频率,就是钢弦谐振了。和激励的频繁程度关系不是很大,传感器应该已经受力变形了。钢弦在特定的张紧条件下,会产生谐振,这是正常的物理现象,和传感器的制作工艺和钢弦材料特性有直接关系,如果传感器在持续的变形,钢弦会自动跃过容易产生谐振的阶段,谐振也就消失了。有时改变一下激励方法、激励能量大小,也能让谐振消失,遇到的谐振,在传感器自由状态时比较多,传感器安装过程中因为传感器会受到一定的作用力,谐振就会消失。

以下为振弦采集模块的基本概念:

振弦传感器采集读数模块:指针对振弦传感器的特性而设计的传感器激励、读数模块。具有集成度高、功能模块化、数字接口的一系列特性,能完成振弦 传感器的激励、信号检测、数据处理、质量评估等专用针对性功能,进行传感器频 率和温度物理量模数转换,进而通过数字接口实现数据交互。振弦传感器读数模块 是振弦传感器与数字化、信息化之间的核心转换单元。 

激励:也称为“激振”,是振弦类传感器频率数据获取的必须过程,仅当传感器收 到合适的激励信号后才能产生自振,而仅当振弦传感器产生自振后才能输出频率信 号,进一步的,读数电路会检测并读取振弦传感器的自振信号,才能通过计算得到 振动频率值。振弦传感器的激励信号(能够使传感器产生自振的外部信号)一般分 为两类,一类为高压短促脉冲,一类为特定频率的多组连续低压脉冲信号。 

高压脉冲激励:使用较高电压(100~200V)向振弦传感器线圈发送短促脉冲,使任 意频率的振弦传感器产生自振的过程或方法。 

低压扫频激励:使用与传感器自振频率相当(接近)的频率向振弦传感器发送连续 的低压(3~10V)脉冲信号,使传感器产生自振的过程或方法。 

振弦传感器返回信号:当传感器产生自振后,钢弦自振切割传感器线圈,在线圈中 产生微弱电流,这种随钢弦振动变化的正弦电信号称为“振弦传感器返回信号”。 

采样值:或称为“单个样本”,在本手册中尤指传感器返回的单个正弦信号,为了 提高正弦波频率值的测量精度,需要采集多组正弦信号进行综合计算。由于传感器 返回的正弦信号是由强变弱逐渐消失,且本身信号十分微弱,不同厂家振弦传感器 返回信号强度和时长均不相同,因此振弦模块在数据采集时采用部分抽样的方法获 取若干采样数据进行综合计算,对于每个采集到的正弦波称之为“一个样本”或 “一个采样值”。 

标准差:(Standard Deviation),中文环境中又常称均方差,是总体各单位标准值 (采样值)与其平均数的算术平均数之差的平方根。标准差能反映一个数据集的离 散程度(平均数相同的两组数据,标准差未必相同)。一个较大的标准差,代表大部 分数值和其平均值之间差异较大;一个较小的标准差,代表这些数值较接近平均值, 质量较高。 

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